中空纖維氣體分離技術

不同的氣體分離技術

目前成熟的氣體分離技術可歸為物理手段和化學手段兩大類，其中物理手段的通用性更強。氣體分離的物理方法從原理上可歸為以下三類：變壓吸附技術、低溫技術和中空纖維膜分離技術。

以空氣中的氧、氮分離為例，（1）變壓吸附技術是通過特定規格的吸附劑將分子直徑不同的氮氣和氧氣分開。在吸附過程中，氧氣被吸附劑吸收而氮氣可以自由通過，通過高轉速球閥將原料空氣等量等時長地分配給兩個相同的吸附罐進行交替工作，從而實現氮氣的生產。

（2）低溫分離技術是利用氣體自身的物理屬性，在低溫環境中氧氣、氮氣的液化溫度不同，從而實現不同氣體組分的分離。這種技術適用于多種液態工業氣體產品的生產，包括氧氣、氮氣、氖氣、二氧化碳等等。

20世紀80年代后期，隨著高分子材料的突破和創新，一系列可對不同氣體分子實現選擇性溶解滲透的材料被應用到空氣分離行業，形成了（3）中空纖維膜分離技術。以制氮氣過程為例，加壓空氣中的氧氣和氮氣在氣體分離膜中的滲透速率的不同，物理活性更為活躍的氧氣透過膜材料溢出，而氮氣可在膜內側富集。這種技術實現了氣體組分的常溫、連續分離，且設備體積小、靜止運轉，移動性和可靠性都較其他技術更高。

中空纖維膜氣體分離技術的原理

三種氣體分離技術比較：用于空氣中的氧、氮分離

低溫分離技術

變壓吸附技術

膜分離技術

氣體分離媒介

制冷劑膨脹

吸附劑

中空纖維膜

基本原理

熱交換

吸附劑吸收氧氣釋放氮氣，飽和后需再生

氧氮氣體分子因滲透速率不同而自然分離

氮氣純度

雜質小于1ppm

95-99.9995%

95-99.9%

氮氣露點

—

＜-40℃

＜-60℃

氣量

通常大于5，000Nm3/h

通常小于1，000Nm3/h

通常10至10，000Nm3/h

輸出連續性

—

不連續

連續

設備啟動時間

12-24 小時

小于20分鐘

小于3 分鐘

設備尺寸

大

中等

小

設備投資

高

低

中等

操作維護成本

很高

一般

低

設備移動性

移動困難

移動困難

移動性好

供氣穩定性

—

中等

高

膜分離技術的歷史

20世紀80年代，美國、日本一些知名化學公司的科研團隊開發出可用于空氣分離的高分子復合材料。經過多年的后續研發和應用推廣，與頭發纖維粗細相當的中空纖維膜材料被排列成纖維束，應用于空氣分離等各種作業，在工業、能源、航天、軍事等領域得到廣泛應用。中空纖維膜分離技術于20世紀80年代末、90年代初實現商業化。

凱德實業是中國最早引入并成功應用膜分離技術的踐行者，公司于1993年生產的膜分離工業制氮機是國內最早的膜分離氣體分離產品。據統計，由1993年至2012年，凱德實業向世界范圍內的油氣田氮氣用戶提供了產能累計超過160，000立方米/小時的膜分離設備（以95%氮氣計算），向工業氮氣用戶提供了產能累計超過12，000立方米/小時的膜分離設備（以99%氮氣計算），相當于建成了一座24小時在世界各地連續運轉的移動式巨型工廠！

中空纖維

快氣與慢氣

上百萬根中空膜纖維排列在一起形成束狀，稱之為膜組。不同氣體分子透過膜組材料的滲透速率不同。以氧、氮分離為例，空氣經加壓由膜組一端流入；氧氣比氮氣的滲透速度快，可稱為“快氣”，在壓力下透過膜材料快速滲透并從膜組外側溢出；“慢氣”氮氣在膜材料上的滲透率很小，可在膜組內側富集并從另一端排出，這樣兩種氣體實現了分離。

“快氣”和“慢氣”是相對而言的，多種氣體組分可以通過膜技術進行分離，例如二氧化碳與甲烷（膜分離技術用于沼氣提純）、氫氣與甲烷等等。