氣體分離新技術：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氣和氧氣取之不盡的來源。N2

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

行N2密封和清潔）。糧食儲存、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工作者一直在努力學習和處理根據低成本氣體分離獲得氧

氣和氮氣的問題。

傳統的工業(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、啟動工藝長、設備維護要求高等缺陷。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，形勢變得嚴峻。

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

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

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

其中碳分子篩對氧氣和氮氣表現出類似的平衡吸附。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，進而具有更大的吸附能力。所以O2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作為產品流出。一段時間后，停止

進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、室溫條件下進行106

pa吸收階段，便于在工業(yè)上實施。

富氧空氣和99.9%純N2可根據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是

5a沸石篩，氧濃度為96%，耗電量僅為0.4。千瓦時/立方米

一般來說，變壓吸附氣體分離的選擇具有能耗低、生產工藝短、關閉時間短、自動控制、可調商品濃

度等優(yōu)點，有望得到顯著發(fā)展。

氣體膜分離的滲透原理是氧氣和氮氣在無孔聚合物膜中具有不同的擴散速率。當氧氣和氮氣粘附在聚

合物膜表面時，由于聚合物膜兩側的濃度梯度，氣體通過聚合物膜擴散，然后在膜的另一側進行分析。

由于氧氣分子的體積小于N2分子，因此聚合物膜中O2的擴散速率超過N2。當空氣進入膜的一側時，

富氧空氣可以在另一側獲得，N2可以在同一側獲得。

根據氣膜分離，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僅為3.5

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

下，操作應在室溫和106Pa下0.1至0.5倍的壓力下進行。

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