液态氮与液态氧生产中空气分离机械的创新技术研究

液态氮与液态氧生产中空气分离机械的创新技术研究

朱少春，师杰

陕西润中清洁能源有限公司  陕西咸阳  713600

摘要：随着科学技术的不断发展，我国对液态氮和液态氧的需求也越来越大。我国目前主要是利用空气分离机械来进行空分生产，从而满足市场对液态氮和液态氧的需求。在使用过程中，空气分离机械在运行过程中会产生一些故障问题，导致空分设备的运行效率降低。基于此，为了能够提高空气分离机械运行效率，本文将从以下几个方面出发，详细阐述液态氮与液态氧生产中空气分离机械的创新技术及其应用策略，以期能够为相关从业人员提供一些必要的参考。

关键词：液态氮；液态氧生产；空气分离机械；创新技术；应用策略

前言：随着社会的发展，人们对能源的需求不断增加，对氧气和氮气的需求量也在不断增加。空气是氧气和氮气的主要来源，其存在形式有两种：一种是自然空气，另一种是通过压缩得到的。在空气分离过程中，为了实现对氮气和氧气的高效分离，通常会使用到各种新型机械设备，例如变压吸附技术、分子筛吸附技术以及膜分离技术等。这些新型机械设备都具有高效率、低能耗以及低成本等特点。目前，我国已经初步掌握了变压吸附技术，并且在工业生产中得到了广泛应用。随着空气分离机械设备不断创新和发展，其在我国工业生产中的应用也越来越广泛。

一、液态氮与液态氧生产中空气分离机械的创新技术分析

液态氮是一种无色透明的液体，有刺激性气味，通常与水以任何比例混合，用于生产冷冻食品、食品加工、医学、军事、航天工业等领域。与液态氮的生产相关的主要设备有压缩机、制氮机、空气分离机械的创新技术，目前，利用分子筛进行空气分离是世界公认的最成熟的技术。空气中氧气和氮气的沸点分别为-16.2℃和-8.6℃，通过分子筛对两种气体进行吸附分离，由于氧气和氮气在分子筛中的吸附量不同，所以可以将这两种气体分开。目前，市场上常用的分子筛是分子筛型多孔炭、分子筛型金属氧化物（如ZSM-5、ZSM-6）。分子筛的结构有蜂窝状、棒状、丝状等。其中，蜂窝状分子筛是最常用的分子筛，具有孔径均匀、结构对称以及孔与孔之间相互连通等优点。缺点是孔径太大，不适合低温下吸附；孔径太小，容易被污染，会导致过滤效果不好。金属氧化物（如 ZnO）具有很高的比表面积，具有较强的吸附能力，可以用于空气分离。缺点是成本高，生产效率低；容易被污染；吸附剂容易烧结。近年来，出现了一种新材料——分子筛薄膜。这种薄膜具有较好的过滤性能，可以在低温下分离气体分子，并可循环使用。同时它又具有较好的吸附能力、耐高温、耐酸碱腐蚀等优点。空气分离机械中使用的分子筛是经过多道工艺加工而成的，分子筛表面存在着大量的微孔，而孔径大小是影响分子筛吸附能力的一个重要因素。如果想要得到高纯度的氧气或氮气需要更多时间来制备更多纯度不同的产品，分子筛空气分离机械生产企业应该更加努力来创新研发出更多新技术来解决这一问题。

二、液态氮与液态氧生产中空气分离机械的创新技术应用策略

（一）离心机

离心机在液态氮和液态氧生产中的应用，主要是通过离心分离将气体中的氮气和氧气进行分离，在这一过程中，可以将氮气和氧气分别从气体中分离出来。离心机的结构主要包括进料口、分离器、出料口等，其中进料口的位置需要设置在离心机的中心位置，而出料口则需要设置在离心机的一侧。离心机主要包括三个部分，分别为进料装置、分离装置和出料装置。其中进料装置包括进料管和料管等，而分离装置主要是由转鼓、转子和平衡盘组成，在这一过程中，转子是旋转的，出料装置主要由出料管、进料器等组成。在整个生产过程中，离心机主要有三种运行模式，即连续运行模式、半连续运行模式和间歇运行模式。其中连续运行模式是指离心机在正常运转期间一直处于连续运行状态；半连续运行模式是指离心机在正常运转期间处于半连续运行状态；间歇运行模式是指离心机在正常运转期间不处于不间断运行状态，而是在一段时间内处于间歇运行状态。通常情况下，半连续运转模式和间歇运行模式都可以将空气进行净化处理，其工作流程主要包括：空气进入转鼓并通过进料口进入到分离器内；在分离器内对空气进行分离处理；将分离后的空气送入出料口；将分离后的空气和氮气分别送入到最终的成品储罐中。

（二）膜分离

膜分离技术是空气分离机械中一项十分重要的技术，它将气体分子进行分离，将氧气、氮气等进行去除，有效的提高了气体分离效率。在空气分离机械中，膜分离技术主要应用于液态氮和液态氧的生产过程中，可以对氮气、氧气进行有效的分离。首先，将空气经过除尘处理之后，进入膜分离器中，在压力的作用下，通过膜分离器将空气中的水蒸气除去，完成对氮气和氧气的分离；其次，将空气中的二氧化碳进行去除，二氧化碳在空气中主要存在于氮气当中，而氮气和氧气都是不溶于水的气体，所以在空气分离过程中只需要对氮气进行去除就可以了；最后将空气中的水分除去之后，可以对氧气进行回收利用。通过以上分析可以看出膜分离器具有较高的应用价值和优势。在实际生产过程中需要根据实际情况选择合适的膜分离器类型，为液态氮和液态氧生产提供有利条件。

（三）吸附式干燥机

吸附式干燥机是利用空气中的水分进行吸附的，将其吸附到吸附剂上，从而对气体进行净化，并且干燥后的气体可以重新用于生产过程。目前，国内的吸附式干燥机主要以进口为主，国内企业对于吸附式干燥机的研究还不够深入，相关企业需要不断进行研发和创新。吸附式干燥机中的吸附材料主要有分子筛、活性炭、活性氧化铝等，其中分子筛具有良好的热稳定性和化学稳定性，可以在高温高压的环境中运行。活性炭具有较好的吸附性能，在高压低温的环境下也具有较好的吸附能力。因此，在液态氮和液态氧生产过程中可以选择使用活性炭进行吸附。近年来，随着我国科技水平不断发展进步，在空气分离机械方面也取得了一定成就。在创新技术应用策略方面主要有以下几个方面：第一，可以研发一种新型的吸附剂；第二，将混合气体进行预处理；第三，引入在线监测技术；第四，加大对设备研发投入力度。在实际应用过程中需要不断优化技术应用策略和手段，进一步推动空气分离机械技术创新。

（四）气体冷却器

在空气分离机械生产液态氮和液态氧的过程中，一般采用的是水膜冷却方式，主要是通过冷却水的蒸发来带走热量，但是水膜冷却也存在一定的缺点，比如水膜冷却时不能将空气中的杂质和水分去除，容易导致液氮和液态氧的纯度降低。如果要想提高液氮和液态氧的纯度，就需要对冷却水进行进一步处理，使用低温分离技术来减少空气中水分、杂质等杂质，提高空气分离机械生产过程中气体的纯度。为了减少空气分离机械生产液态氮和液态氧过程中气体冷却器产生的热损失，可以在空气分离机械中引入一种高效节能冷却器，这种冷却器可以将气体中的水蒸气以及其他杂质进行有效去除，使空气分离机械的生产效率得到进一步提高。

（五）分子筛吸附器

分子筛吸附器是空气分离机械中较为常见的一种，具有结构简单、吸附速度快、效率高等特点。在进行分子筛吸附器空分过程中，需要将氮气与氧气分离，这两种气体的分子直径都非常小，一般只有零点几微米。空气中含有的杂质会影响分子筛的吸附效果，因此工作人员需要对吸附系统进行优化，将不同物质进行分离。在对分子筛进行优化过程中，可以将氮气和氧气进行混合气的形式存在。因为氮气与氧气的分子直径都非常小，在混合气体中可以相互吸附。此外，吸附剂能够吸收空气中的水蒸气和二氧化碳，提高空分装置的工作效率。在分子筛吸附器空分装置中，需要使用空气压缩机将空气压缩，然后通过分子筛进行分离。工作人员可以通过调节分子筛的吸附剂位置和数量来控制空气的湿度，进而提高空分装置的工作效率。在此过程中需要注意的是，必须要将分子筛放置在固定位置上，这样才能使分子筛发挥最大作用。此外，还需要注意干燥器与分子筛之间的距离需要保持在合理范围内。

总结：总之，在液态氮和液态氧生产过程中，应用空气分离机械可以对气体进行分离，获得优质的产品，在一定程度上提高产品的质量，同时降低生产成本。随着科学技术的不断发展，空气分离机械的应用范围也越来越广，不仅可以应用于液态氮和液态氧生产过程中，还可以应用于其他领域。在未来的发展过程中，相关人员应加强对空气分离机械的创新研究，推动空气分离机械在各行各业中的广泛应用。

参考文献：

[1]李燕鹏. 低温空气分离装置的流程选型方法研究[D].浙江大学,2019.

[2]高洁. 空气分离装置的工艺优化和技术改进研究[D].河北科技大学,2019.

[3]孙永康.空分系统液氮汽化冷量回收利用工艺研究[J].化学工程与装备,2015(06):151-153.

作者简介：朱少春，男，汉，1992.02，本科，助理工程师，空气分离。师杰，男，汉，1990.04，本科，助理工程师，空气分离。