氣體分離新技術(shù)：變壓吸附與膜分離  

氣體的主要成分是N2（78%）和氧氣（21%），因此可以說空氣是氮?dú)夂脱鯕馊≈槐M的來源。N2

主要用于化工生產(chǎn)中合成氨和金屬熱處理的保護(hù)氛圍和惰性保護(hù)氣體（管道和氧化物在減少材料后進(jìn)

行N2密封和清潔）。糧食儲(chǔ)存、水果保存、電子工業(yè)等。O2主要用于冶金、燃燒氣體、診斷和解決

方案、污水處理和化工行業(yè)的氧化物?；瘜W(xué)工作者一直在努力學(xué)習(xí)和處理根據(jù)低成本氣體分離獲得氧

氣和氮?dú)獾膯栴}。

傳統(tǒng)的工業(yè)氣體分離方法是選擇低溫分離方法，將蒸發(fā)冷卻到-150℃以下，然后通過低溫蒸餾完成分

離。該方法存在能耗高、工藝長、啟動(dòng)工藝長、設(shè)備維護(hù)要求高等缺陷。因此，在過去的十年里，隨

著變壓吸附和膜分離等新興分離方法的出現(xiàn)，形勢(shì)變得嚴(yán)峻。

采用變壓吸附分離氣體有兩個(gè)原理。一是利用5a分子篩的選擇性吸附特性，即5a分子篩對(duì)N2的平衡

吸附超過氧氣的平衡吸附，使N2在沸石層的基礎(chǔ)上吸附空氣，O2作為產(chǎn)品流出。N2飽和后，沸石停

止進(jìn)入氣體，在真空下抽空材料層，獲得N2作為產(chǎn)品。另外一種方法是利用碳分子篩的輸送吸附特性，

其中碳分子篩對(duì)氧氣和氮?dú)獗憩F(xiàn)出類似的平衡吸附。但是，由于氧氣的分子規(guī)格(2.8)×與N2(4.1)相比，

分子規(guī)格(3.0)體積小，O2在碳分子篩中的傳播速度更快，進(jìn)而具有更大的吸附能力。所以O(shè)2在碳分子

篩中具有較快的傳播速度和較高的吸附能力。所以，O2被吸附，N2作為產(chǎn)品流出。一段時(shí)間后，停止

進(jìn)入氣體和真空材料層，再生碳分子篩。這種方法通常為0.1-0.5×在常壓、真空、室溫條件下進(jìn)行106

pa吸收階段，便于在工業(yè)上實(shí)施。

富氧空氣和99.9%純N2可根據(jù)變壓吸附分離氣體獲得，功耗低于1.0。目前，日本最完善的制氧系統(tǒng)是

5a沸石篩，氧濃度為96%，耗電量?jī)H為0.4。千瓦時(shí)/立方米

一般來說，變壓吸附氣體分離的選擇具有能耗低、生產(chǎn)工藝短、關(guān)閉時(shí)間短、自動(dòng)控制、可調(diào)商品濃

度等優(yōu)點(diǎn)，有望得到顯著發(fā)展。

氣體膜分離的滲透原理是氧氣和氮?dú)庠跓o孔聚合物膜中具有不同的擴(kuò)散速率。當(dāng)氧氣和氮?dú)庹掣皆诰?/span>

合物膜表面時(shí)，由于聚合物膜兩側(cè)的濃度梯度，氣體通過聚合物膜擴(kuò)散，然后在膜的另一側(cè)進(jìn)行分析。

由于氧氣分子的體積小于N2分子，因此聚合物膜中O2的擴(kuò)散速率超過N2。當(dāng)空氣進(jìn)入膜的一側(cè)時(shí)，

富氧空氣可以在另一側(cè)獲得，N2可以在同一側(cè)獲得。

根據(jù)氣膜分離，N2和富氧空氣可以連續(xù)獲得。目前，用于氧氮分離的聚合物膜的選擇性指數(shù)僅為3.5

左右，透水性相對(duì)較低。分離產(chǎn)品的N2濃度范圍為95%至30%，膜氣體分離為99%至40%。一般情況

下，操作應(yīng)在室溫和106Pa下0.1至0.5倍的壓力下進(jìn)行。

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