现代空分原理：低温蒸馏到PSA和膜分离

空分原理是现代工业的关键组成部分，尤其在制氧、制氮和其他稀有气体提取方面发挥着重要作用。本文详细介绍了三种主要的空分技术：低温蒸馏、压力摆动吸附（PSA）和膜分离法，探索其工艺流程和工作原理。

低温蒸馏

原理：低温蒸馏是一种基于不同气体沸点差异的分离技术。首先，空气被压缩并冷却，随后在分馏塔中进一步冷却至液化状态。在这个过程中，气体组分因沸点不同而在塔中分层。例如，氧气在塔的底部凝结（因为其沸点较高），而氮气则在塔的上部凝结。通过精确控制温度，可以有效地分离出纯度极高的气体。这一技术尤其适用于大规模气体生产，例如在钢铁制造和化学工业中。

低温蒸馏流程主要包括以下几个关键步骤：

1. 空气净化：
   • 初始步骤是从空气中去除杂质，如水蒸气、二氧化碳和微小颗粒。
   • 使用过滤器和吸附剂（通常是分子筛）来去除这些杂质，防止它们在后续低温过程中冻结并堵塞设备。
2. 空气压缩和预冷：
   • 空气被压缩至较高压力，通常是0.5～1.0MPa（压力单位），以减少其体积，便于处理。
   • 压缩后的空气经过预冷装置冷却到接近露点的温度，进一步去除水分和二氧化碳。
3. 进一步冷却和液化：
   • 经过预冷的空气进入换热器，进一步冷却至接近其成分的液化点。
   • 在这一步骤中，空气可能通过节流阀或膨胀机进一步降温，直至部分或全部液化。
4. 分馏过程：
   • 液态空气被送入蒸馏塔进行分馏,这个过程基于不同气体组分的沸点差异。
   • 在蒸馏塔中，不同组分在不同高度处蒸发和凝结，使得氮气（沸点更低）主要在塔顶收集，而氧气（沸点更高）则在塔底收集。
5. 产品收集：
   • 分离后的气体，如液氧和液氮，被分别从蒸馏塔的不同部位抽出。
   • 根据需要，这些产品可以作为液体存储或通过蒸发器转换为气态。

变压吸附(PSA)

PSA技术以其能效高、操作简便而广受欢迎。它基于特定吸附剂（如活性炭或分子筛）对不同气体的吸附能力差异。在高压下，特定气体（如氧气或氮气）被吸附剂吸附。随后，通过降低系统压力，被吸附的气体释放，从而实现分离。PSA系统通常包括多个吸附塔，在一个塔进行吸附时，另一个则进行再生（释放气体），实现连续运行。PSA适用于小到中等规模的气体生产，如医院供氧或工业现场氮气供应。

PSA是一种用于分离气体混合物的技术，广泛应用于制氧和制氮等领域。PSA工艺的主要流程包括以下四个阶段：

1. 空气压缩：
   • 此阶段的首要任务是将空气压缩至所需的操作压力。
   • 压缩过程中，空气温度会升高，因此需要通过冷却器降温。
   • 这一步还有助于减少后续净化阶段的负担，因为压缩空气中的水蒸气和油脂等杂质更容易去除。
2. 空气净化：
   • 在进入吸附塔之前，必须清除空气中的水蒸气、油脂、灰尘和其他污染物，以防止吸附剂被污染或堵塞。
   • 这通常通过使用干燥剂（如干燥器）和过滤器完成。干燥器去除空气中的水蒸气，而过滤器则去除颗粒物和油雾。
3. 吸附过程：
   • 净化后的空气在高压下进入装有吸附剂（如分子筛或活性炭）的吸附塔。
   • 在PSA过程中，吸附剂会选择性地吸附空气中的某些成分（如氮气或二氧化碳），而允许其他成分（如氧气）通过。
   • 当一个吸附塔达到饱和状态时，会降低压力以释放吸附的气体，并进行再生，同时另一个吸附塔则开始新一轮的吸附过程。
4. 储存：
   • 经过PSA过程分离出来的气体（如氧气）会被送往储存系统。
   • 在储存阶段，气体可以压缩储存，以备不时之需，或直接输送到使用点。

膜分离法

膜分离法利用特制的半透膜根据气体分子的大小和扩散速率进行分离。这些膜通常由特殊的聚合物或陶瓷材料制成，具有选择性地允许某些气体分子通过，而阻挡其他分子。例如，某些膜可允许较小的氧气分子通过，而阻挡较大的氮气分子。膜分离设备结构紧凑，操作简便，维护成本低，非常适用于需要中等纯度气体的场合，如食品包装中的氮气或某些化工过程中的气体净化。

膜分离法是一种利用半透膜进行气体分离的技术，广泛用于产生氮气、氧气和其他气体。其主要流程包括以下几个步骤：

1. 空气压缩：
   • 与其他空气分离技术一样，膜分离首先需要处理空气。这通常包括将空气压缩到一定程度，以增加分离效率。
   • 压缩过程中，空气中的水分和杂质（如油脂、灰尘）需要被去除，以防止膜被污染或损坏。
2. 预处理：
   • 经过压缩的空气需要进行预处理，去除水蒸气和油脂等可能损害膜材料的物质。
   • 通常使用干燥器和精细过滤器进行这一步骤。这不仅保护了膜的性能，也确保了分离过程的效率。
3. 膜分离：
   • 预处理后的空气被送入含有特殊膜材料的膜分离单元。这些膜允许特定气体分子通过，而阻止其他分子。
   • 例如，某些膜可能允许较小的氧气分子通过，同时阻拦较大的氮气分子。通过这种方法，可以根据气体分子大小或扩散速率的差异来实现分离。
4. 气体收集与纯化：
   • 分离出的气体（例如，富氧或富氮气体）从膜单元的另一端收集。
   • 在一些应用中，可能需要进一步的处理步骤来调整气体的纯度或压力，以满足特定的使用要求。

这三种空气分离技术各有优缺点，适用于不同规模和纯度要求的气体生产。随着技术的进步，新的改进和创新不断出现，以满足工业对高效、经济和环保空分解决方案的需求。了解这些技术的原理和应用对于在现代工业中制定有效的气体供应策略至关重要。