常温空分氧氮一体化联合分离系统

薛 敏 金正涛

1海军驻大连船舶重工集团有限公司军事代表室，辽宁大连 116005

2中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064

常温空分氧氮一体化联合分离系统

薛 敏1金正涛2

1海军驻大连船舶重工集团有限公司军事代表室，辽宁大连 116005

2中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064

总结了目前船用分立制氧、制氮系统和氧、氮提纯系统的不足之处，得出开发常温空分氧氮一体化联合分离系统的必要性。在此基础上，探讨了常温空分氧氮一体化联合分离系统的总体设计，构建了一种基于常温空分的联合制氧、制氮的创新系统方案，即以变压吸附技术与膜分离技术耦合的工艺技术对空气组分进行分离，仅以空气为原料，无需任何辅料，在仅消耗电力资源的情况下同时获取氧气和氮气。最后指出了常温空分氧氮一体化联合分离系统的发展趋势和应用范围。

常温空分；氧气系统；氮气系统；氧氮分离系统

1 引言

氧气与氮气作为基础性工业气体，越来越多地应用于船舶及其装备上。因为大吨位的新型船舶需要高纯度、低露点、高压力的氧气和氮气，因而就需设计氧气和氮气系统，并且在船上要具备生产、高压存储、转注输送和减压使用的功能。船上空间狭小，而海上航行带来的振动与冲击、高空气湿度，以及存在油雾、盐雾和霉菌等一系列特定的环境条件，使得气体系统的总体设计存在较大难度。

由于氧气与氮气是空气的主要组分，空分法制取氧、氮无疑是简单廉价的最佳选择。目前，实现工业化的气体分离技术可分为3大主流技术：深冷法（Cryogenic）、变压吸附法（PSA）和膜分离法（Membrane Separation）［1-2］。

深冷法是工业上空气分离市场的主流产品，在陆上大规模空气分离领域具有较低的成本和较高的产品气纯度，但对于小型化的空气分离，尤其是在舰船和车载移动式等特定的使用环境下，没有有效的解决方案。

针对船用条件下的气体分离和系统设计难题，西方发达国家针对如何将各种气体分离技术应用于船舶氧氮分离进行过大量研究，目前，国外普遍装备在各型船舶上的空气分离设备主要以膜分离技术和变压吸附技术为主，尤其是在这两种技术的核心工艺分离材料方面，量身定做了各种不同功能的膜分离器，以及针对船用环境条件定制的能长期使用的特殊分子筛，使得其现役装备处于领先地位。

在我国，船舶上特种气体系统的应用才刚起步，其应用空间非常大。在大吨位新型船舶的研发过程中，我国自2002年才开始关注先进的常温空分技术，研究开发特种气体技术装备，设计船用氧气和氮气系统。制氧系统是先以变压吸附技术将空气中的氧气提纯至纯度约为95%的普氧，然后再以分子筛膜脱除其中的氩气，从而得到更高纯度的高纯氧气。制氮系统是先以膜分离技术提取纯度约为99%的普氮，再以碳催化脱氧，将粗氮气体中的氧气与碳载体催化剂反应生成二氧化碳，最后，再以变压吸附技术将二氧化碳脱除，从而得到更高纯度的高纯氮气［3］。

本文主要探讨常温空分氧氮一体化联合分离系统技术方案，着眼于氧气、氮气在船舶上的应用。

2 现有气体系统分析

我国目前研制的船用分立制氧、制氮系统和氧、氮提纯系统均需占用大量的船舶总体资源，且接口关系复杂，可靠性也有待提高。

制氮系统的缺点主要有：

1）工艺流程长、复杂，使得系统操作复杂，故障率相对较高，维护性差。

2）采用膜分离系统将粗氮提纯的同时，也将富氧作为废气排空了，浪费了有价值气体的组分与前级压缩产生的动能，能效比极低。

3）采用分离系数为 5～6的膜分离器进行99%粗氮的分离，其系统效率低，能耗高，而如果降低膜分离系统提纯的粗氮纯度，将会直接影响到后面提纯系统脱除二氧化碳时碳载体的消耗，因为气体中的氧多了，碳载体消耗于反应上的数量将大大加大。

4）脱除二氧化碳的工艺属化学反应，碳载体需要不断更换，消耗大。

制氧系统的缺点主要有：

1）采用变压吸附系统将粗氧提纯的同时，也将富氮作为废气排空了，浪费了有价值气体的组分与前级压缩产生的动能，能效比极低。

2）分子筛膜仅应用于氩气的脱除，材料利用率低。

随着新材料的应用和新工艺的发展，结合已有氧气、氮气系统的科研成果，开发常温空分氧氮一体化联合分离系统是解决船舶总体设计问题，改善技术装备，为船舶特种气体提供保障的有效途径和必然趋势。

3 系统设计

3.1 方案简述

系统原理：构建一种基于常温空分的联合制氧、制氮工艺流程，以变压吸附技术与膜分离技术耦合的工艺技术对空气组分进行分离，仅以空气为原料，无需任何辅料，在仅消耗电力的情况下同时获取氧气和氮气。

制氮：系统先对原料空气进行预处理，让干燥净化的空气进入正负压操作有机膜分离器，滞留气（粗氮）则进入变压吸附制氮装置以制取高纯度的氮气。系统可根据逻辑控制工艺流程的循环次数来制取纯度较低的普氮或高纯度的纯氮。

制氧：将经过净化后的压缩空气或制氮时的富氧废气以变压吸附的方法制取粗氧，然后再以氧／氩膜分离法将粗氧提纯为高纯度的氧气。系统可根据逻辑控制工艺流程的循环次数来制取纯度较低的普氧或高纯度的纯氧。

供气：用隔膜式增压机将氧气、氮气增压至用户需要的高压状态，并存储于气瓶组内，然后，再通过管系接至各用户并向其供气。

组成：本系统由控制设备、空气压缩机、空气预处理装置、氧气／氮气分离装置、氧气／氮气增压机、高压氧气／氮气瓶组、检测仪表、气体管路和附件组成。

功能特性：系统生产并增压存储氧气和氮气，向各用户提供所需压力和纯度的气体。

布置：氧氮一体化联合提取设备最好布置在一个舱室中，以便于集中管理。不过，也可展开分别布置在不同的多个舱室，相互之间通过管线相连。

系统原理框图如图1所示。

3.2 主要模块分析

3.2.1 气源压缩、预处理与缓冲模块

该模块包括压缩机、制氧压缩机、过滤及吸附干燥预处理系统和缓冲罐。

气源模块采用一套空气压缩机供气，以满足原料空气的压缩需求。该模块可将原料空气压缩至0.85 MPa并通过空气预处理系统（包括多级过滤以及一套吸附干燥机）。空气经预处理系统处理后，其中夹带的固体颗粒以及油份、水份和部分二氧化碳会被脱除，从而为制氧、制氮提供洁净的压缩空气源。

经预处理系统深度净化后，压缩空气经缓冲罐向后级分离系统供气，同时也为各分系统提供仪表空气。

制氧用压缩机可将正负压操作有机膜分离器负压侧的富氧气体以及变压吸附制氮的富氧气体回收，以作为氧气提纯的气源，然后通过回收组分提高系统能效比。

3.2.2 氮气制取模块

氮气采用膜分离和变压吸附联合技术制取。

气体膜分离的过程是利用混合气体各组分（氧气、氮气等）通过膜时速度的不同，“轻”组分分子（如水、氧气）较“重”组分分子（如氮气）首先通过膜向化学势降低的方向运动至膜的外表面层并溶解于膜中，然后在膜的内部扩散至膜的内表面层解吸，其推动力为膜两侧的该气体分压差。经过膜分离器后，原料气—压缩空气被膜分离器分离成滞留侧的富氮气流以及渗透侧的富氧气流。其中，滞留侧的富氮气体进入后级变压吸附制氮装置，以提取高纯度的氮气；渗透侧的富氧气流则被回收，通过压缩机压缩后进入氧气制取模块。

变压吸附制氮装置主要由两个装填有碳分子筛（CMS）的吸附床层、气路切换阀门以及控制系统组成。经上述初步分离后的滞留气进入其中一个装有CMS的吸附塔并连续通过CMS时，氧气在CMS的多孔构造中迅速扩散，并在一定的时间内以远高于氮气的扩散速度优先吸附在CMS表面。因此，当空气中的氮气自由流经CMS，氧气则被留在了CMS中。

在每一个吸附塔中，空气中的氧、氮分离过程将在约1～3 min内完成。在经过第1个吸附塔后，压缩空气被切换到第2个吸附塔，新的分离过程重新开始。与此同时，在氧气吸附饱和的塔中，气体的压力将降至一个大气压下，以脱除CMS中吸附的氧和少量的其它杂质气体。再生还原后的CMS将进入下一个循环过程。

压缩空气从一个吸附塔切换到另一个吸附塔的过程由气动控制阀门控制。这些阀门的动作顺序由可编程控制器控制，这对连续供氮过程的一致性和重复性提供了必要的保证。

在基于动力学分离理论基础的CMS变压吸附制氮的同时，排空的废气则为富氧，其组分与压缩动能均有回收价值，联合分离系统可充分利用、回收各个相对独立的分离体系的有效组分与废气动能。在回收有效组分的同时，也回收了大部分系统动能，为废气利用、氧氮的联合提取提供了充分的技术保障。

3.2.3 氧气制取模块

氧气采用变压吸附与膜分离的耦合技术制取。

变压吸附制氧装置主要由两个装填有沸石分子筛（ZMS）的吸附床层［4］、气路切换阀门以及控制系统组成。经净化后的压缩空气或富氧气进入其中一个装有ZMS的吸附塔后，原料气在连续通过ZMS时，氮气在ZMS的多孔构造中在一定时间内优先吸附在ZMS的表面并较氧气具有较小的吸附容量。由此，氧气将在床层的出口端富集而氮气则被留在ZMS中，随压力降低而解析排空。

在每一个吸附塔中，原料气中的氧、氮分离过程将在约2～4 min内完成，并在分离过程的后期回收有价值的气体组分以及部分压缩动能。在经过第1个吸附塔后，原料气被切换到第2个吸附塔，新的分离过程重新开始。与此同时，在氮气吸附饱和的塔中，气体的压力将降至一个大气压下，以脱除ZMS中吸附的氮和少量的其它杂质气体。再生还原后的ZMS将进入下一个循环过程。

原料气从一个吸附塔切换到另一个吸附塔的过程由气动控制阀门控制，这些阀门的动作顺序由可编程序控制器控制，这对连续供氧过程的一致性和重复性提供了必要的保证。

膜分离提纯装置采用先进的分子筛膜分离器，利用膜分离材料的分离特性脱除介质气体中的氩气与少量氮气。该装置主要由膜分离器、气体缓冲罐、气路切换阀门以及控制系统组成。原料气体经逻辑控制阀引导按顺序进入提纯系统后，在膜分离器渗透侧出口富集的高纯氧将被收集，而在膜分离器滞留侧出口富集的氩气的富氩富氧气体则被排除。为提高氧气回收率，设置了工艺压缩机以循环进行膜分离过程，从而循环提纯高纯氧气的浓度，同时，也将含有氩气的富氧不断引导回流进入提纯系统，以作为吹扫载气进行二次分离与回收。

3.2.4 增压灌充模块

采用隔膜压缩机将前级分离的高纯氧、高纯氮进行增压。

隔膜压缩机的结构可保证被灌充介质（氧气／氮气）不受污染，其本身设置有膜片破裂、油压低、油温高等多项自动保护报警装置。高压瓶组也设置有安全阀，用于防止过流超压以及意外温升带来的超压危险。同时，通过结合控制系统设计压力传感、温度传感，并设置必要的报警、连锁、保护、停机等功能，可防止增压灌充装置发生超压和超温。

3.2.5 系统控制

为满足系统技术指标要求，在充分考虑人机工程、安全、可靠性等因素的基础上，设置的控制系统与仪器仪表监测系统采用集中控制的方式，并以触摸屏集中显示。主要显示内容有：

1）工艺流程、阀位的运行状态；

2）各仪表、传感器的实时采样；

3）自动在线的监控参数可以远传并打印，实时、历史以及运行趋势参数记录可以随时调阅。

通过对系统中所有的温度、压力、纯度、露点等工艺运行参数进行集中控制，并设置必要的故障报警点、人机对话界面，使得操作人员对系统运行过程参数一目了然。

控制系统可根据系统工艺流程的需要设置必要的操作安全连锁，从而使得系统操作更智能化。通过对在线监测获得的数据以及过程工艺节点专家系统设置的参数进行比对，可自动纠正系统运行。这不仅减少了人员过程操作，而且还可避免人为误操作［5］。

3.3 关键技术

1）系统适装性。

常温空分氧氮一体化联合分离系统技术方案首先要解决的关键问题就是船用适装性问题。海上特定的恶劣环境会对系统的功能、操作和安全造成一定的影响，因此必须克服适装性问题。

2）低分压氧／氩分离无机膜分离材料与膜分离器的制备技术。

利用无机膜优异的氧／氩分离性能，将膜分离材料改性，以研制出一种新型的膜分离材料。与目前采用的膜分离材料相比，需具有单位体积内膜面积大、耐压强度高、适用低分压氧／氩分离的优点，并可直接应用于自空气中脱除的大部分氩气，从而使得与非对称变压吸附的耦合分离更具条件。

3）非对称变压吸附与膜分离的耦合分离技术。

主要针对适合氧氮联合分离体系、多循环分离体系的非对称变压吸附与膜分离工艺的耦合分离技术的研究，需开发出一种适合氧氮同时获取、在多组分分离体系下进行的循环有价值气体的变压吸附方法［6］，以及与膜分离体系结合的氧氮联合分离工艺方法。

3.4 优点分析

相对于分立的制氧、制氮系统和氧、氮提纯系统，一体化系统的先进性与优越性主要表现在：

1）系统功能得到增强。根据系统各工况的不同要求，普氮、普氧、高纯氮、高纯氧既可同时获取，也可分别制取，其调节范围广，能满足各项性能指标要求。

2）系统安全性得到提高。分立的制氧、制氮系统和氧、氮提纯系统由于设备多且分散，涉及众多的布置舱室，因而高压气体管路长、接头多、穿舱多、穿甲板多。而设计一体化系统则可减少高压气体管路近2／3，极大提高了系统安全性和布管空间需求。

3）系统技术先进。采用先进的膜分离技术与变压吸附技术的耦合工艺，具有常温低压无相变的分离特点，使得一体化系统及装置既可满足船用使用环境，还具有更小的体积和占地面积［7］。

4）系统能耗降低。一体化联合分离从工艺上可互相补偿，可公用压缩空气源，较之单独提纯氧气抛弃氮气或者提纯氮气抛弃氧气，可减少压缩能源消耗50%以上。

5）优化总体设计。总体设计集成度得到提高，可集中保障冷却水、通风、消防喷淋以及损管措施，节约了大量水管、风管和电缆。一体化系统操作简单，具有较高的可靠性与稳定性，维修量较低。

4 结论

常温空分氧氮一体化联合分离系统的成功实现，可取代大吨位新型船舶上同时设置的氧气系统、氮气系统、纯氧系统和纯氮系统等众多系统及其设备，是今后船用以及航空行业气体分离的发展方向。其克服了目前深冷法气体分离技术、变压吸附技术、膜分离技术装备的一系列弱点，通过联合分离技术，取长补短，综合解决了现役船用、基地保障气体分离系统存在的工艺技术落后、产气速度慢、流程复杂、维护性差和机动性能差等问题。采用膜分离与变压吸附联合工艺技术的新型气体分离系统，可广泛应用于在具有电源的各种环境条件下需要制氧、制氮的各种保障基地、船舶、移动式供气车辆和飞机等。

［1］ 付嫚，高世选，宋海华.特种气体的分离技术［J］.舰船防化，2003（3）：15－21.

［2］ LI J R，KUPPLER，R J，ZHOU H C.Selective gas adsorption and separation in metal-organic frameworks［J］.Chem.Soc.Rev，2009，38（5）：1477－1504.

［3］ 朱鸿，叶持舟.制氮技术在船舶领域的应用［J］.机电设备，2009，26（2）：8－9，7.

［4］ Li S G，Tuan Vu A，Falconer J L.X－type zeolite membranes：preparation，characterization，and pervaporation performance［J］.Microporous Mesoporous Mater，2002，53（1－3）：59－70.

［5］ 王弘，余化，黄雄武.制氧机组故障诊断专家系统知识库的研制［J］.华中科技大学学报（自然科学版），2006，34（11）：90－92.

［6］ 张学伟，刘伟，邓丹.气体变压吸附非等温非绝热非平衡模型计算［J］.华中科技大学学报（自然科学版），2008，36（7）：70－72，84.

［7］ 杨顺成.膜法空分制氮与富氧技术在舰船上的应用与前景［J］.舰船科学技术，2004，26（3）：63－65.

Design of Combined Air Separation System for Oxygen-Nitrogen at Normal Temperature

Xue Min1 Jin Zheng－tao2

1 Military Representative Office in Dalian Shipbuilding Industry Co.，Ltd，Dalian 116005，China

2 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

Current independent marine separators for individual oxygen＆nitrogen generation along with purification system has many drawbacks，it necessitates the development of combined air separation system for oxygen－nitrogen.This paper gives a concept of overall design of such combined system at normal temperature condition.A novel scheme of combined solution for generating oxygen and nitrogen is presented.This design incorporates PSA－membrane separation technique，raw material used for separation process is air，consuming electric power and dispensing with any accessories.The paper also presents trends for the development of combined air separation system at normal temperature and indicates a range of applications possible in the future ship design.

air separation at normal temperature；oxygen system；nitrogen system；oxygen－nitrogen separation system

文献标识码:A

1673－3185（2011）02－88－05

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.02.019

2011-02-12

中国舰船研究设计中心部研发项目（BYF2010045）

薛 敏（1979－），男，工程师。研究方向：船舶工程。E-mail：jinshool＠sohu.com