人工环境学《对深冷法、变压吸附法和膜分离法的认识》_第8章膜分离法

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对深冷法、变压吸附法和膜分离法的认识

摘要：简要介绍了三种常见空气分离制氧方法——深冷法、变压吸附法和膜分离法的原理、特点、工艺流程、适用条件等方面的问题。关键词：空气分离制氧；深冷法；变压吸附；膜分离法

引言

空气分离制氧是采用一定的技术措施将氧气、氮气从空气（混合物）中分离出来的方法。因此，氧气的制取有物理方法和化学方法两大类，即称为物理制氧和化学制氧。物理制氧的原料是大气，主要采用深冷法、变压吸附法、膜分离法以及它们之间相结合的方法。

1深冷法

深冷法是先将空气压缩、冷却，并使空气液化，利用氧、氮组分的沸点的不同(在大气压下氧沸点为90 K,氮沸点为77 K)，在精馏塔板上使气、液接触，进行质、热交换，高沸点的氧组分不断从蒸气中冷凝成液体，低沸点的氮组分不断地转入蒸气之中，使上升的蒸气中含氮量不断地提高，而下流液体中氧量越来越高，从而使氧、氮分离，这就是空气精馏。此法无论是空气液化或是精馏，都是在120 K以下的温度条件下进行的，故又称为低温法空气分离。

其工艺流程简图如图1所示。

图 1 深冷液化分离法制氧流程简图

按图1把原料空气导入空气过滤器进行净化，用压缩机2加压至0.8M Pa，再导入由可逆式热交换器、透平膨胀机、复式精馏塔等组成的空气分离装置3而生产氧气的。

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深冷制氧法特点是生产量大，氧气纯度高(大于99.6% O2)，在大型、特大型用氧场合具有优势。大多数情况下氧气是由深冷法制取，传统的深冷法制氧具有工艺成熟、运行稳定、可靠性高的优点，但也有投资高、运行成本高及存在爆炸隐患等缺点。

2变压吸附法

变压吸附法即VPSA法，其基本原理是基于分子筛对空气中的氧、氮组分具有选择性吸附而使空气中氧氮气分离从而获得氧气。当空气经过压缩，经吸附塔的分子筛吸附层时，氮分子优先被吸附，氧分子留在气相中穿过吸附床层而成为产品氧气。当吸附剂层中的氮气吸附达到相对饱和时，利用减压或抽真空的方法将吸附剂分子表面吸附的氮分子解吸出来并送出界区排空，使吸附剂得到解吸重新恢复原有的吸附能力，为下一周期的吸附产氧作准备，两个以上(含两个)吸附塔不停地循环，就实现了连续产氧的目的。

近10年来，变压吸附制氧法发展迅速，是一种新颖的制氧方法，其在灵活、多变的用氧场合中很有优势，很有竞争力，被迅速普及。变压吸附法的特点是工艺流程简单、投资省、能耗低、气体产品产量和纯度可调、灵活性好，但存在产品单

一、浓度低、可靠性较低等缺点，因此适用于氧气纯度95%以下、中小型用氧场合以及富氧炼铜中。变压吸附法的工艺流程如图2。

图 2 变压吸附工艺流程图

3膜分离法

随着人工合成高分子膜的开发，利用膜法分离物质的高科技技术迅速得到发展，应用范围越来越广，在食品加工与发酵液提取中的应用尤其受国际上的高度重视。

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有机蒸汽膜法回收系统主要采用“反向”选择性高分子复合膜。在一定的渗透推动力作用下，根据不同气体分子在膜中的溶解扩散性能的差异，可凝性有机蒸汽(如氯乙烯、乙烯、重烃等)与不凝性气体(如氢气、氮气、甲烷等)相比，被优先吸附渗透，从而达到分离的目的。在工业应用中，常见的膜分离法有电渗析、微滤、超滤、反渗透和纳滤五种。

应用膜法分离具有一系列优点：（1）不需要加热可以达到分离浓缩的目的，适用于不可受热和氧影响的食品生产；（2）工艺简单，只需加压、输送、循环等工序；（3）分离水时，即浓缩时没有物相的变化，能量损耗少操作简电生产费用比蒸发法与冷冻法低，设备安装容易；（4）可解决稀溶液中微量成分回收和低浓度溶液的浓缩问题；（5）物质仅在mm内移动，进行短距离分离，物质不会因移动而改变；（6）应用膜分离物质，耗能少，特别在缺能源的或能源价格高的情况下，膜分离法更有吸引力。

膜分离法的工艺流程见图3。

图 3 膜吸附工艺流程图

4其他的空气分离制氧方法

介于深冷法、变压吸附法和膜分离法三中制氧方法的优缺点，常采用两种方法结合的分离方法，如将深冷法和膜分离法有机结合了起来，降低生产成本，提高制氧效率，使气体产品的产量和纯度提高，以适应气体的各种用途。再如，膜分离法与深冷法联合用于催化裂化干气的氢烃分离，利用膜分离法回收干气中绝大部分的氢气，使干气中其余组分得以富集，提高了脱甲烷塔塔顶气的露点，降低了脱甲烷塔的能耗和乙烯损失。

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联合工艺法尤其适合于氢资源短缺而自身拥有深冷分离装置的大型炼油厂，在经济发展中有很大推动作用。

参 考 文 献

[1] 蒋国梁，徐仁贤，陈华.膜分离法与深冷法联合用于催化裂化干气的氢烃分离，石油炼制与化工，1995，26（1）：26～29.[2] 沈跃，戴荣庆.深冷空气分离法加膜分离法的制氧系统，低温与特气，1997，（2）：28～29.—4—

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[3] 刘汉钊，王华金，杨书春.变压吸附制氧法与深冷法的比较，冶金动力，2003，（2）：26～29.[4] 王松坚，阳小琴.深冷法制氧和真空变压吸附制氧在富氧炼铜中的应用对比，有色冶金节能，2006，（6）：13～16.[5] 李法耿.氯乙烯精馏尾气回收膜分离法与变压吸附法的对比分析，聚氯乙烯，2008，36（6）：34～38.[6] 霍建新.膜分离法的应用，安徽农学通报，2007，13（14）：41～42.—5—