天津市凯德实业有限公司

中空纤维气体分离技术

不同的气体分离技术

目前成熟的气体分离技术可归为物理手段和化学手段两大类，其中物理手段的通用性更强。气体分离的物理方法从原理上可归为以下三类：变压吸附技术、低温技术和中空纤维膜分离技术。

以空气中的氧、氮分离为例，（1）变压吸附技术是通过特定规格的吸附剂将分子直径不同的氮气和氧气分开。在吸附过程中，氧气被吸附剂吸收而氮气可以自由通过，通过高转速球阀将原料空气等量等时长地分配给两个相同的吸附罐进行交替工作，从而实现氮气的生产。

（2）低温分离技术是利用气体自身的物理属性，在低温环境中氧气、氮气的液化温度不同，从而实现不同气体组分的分离。这种技术适用于多种液态工业气体产品的生产，包括氧气、氮气、氖气、二氧化碳等等。

20世纪80年代后期，随着高分子材料的突破和创新，一系列可对不同气体分子实现选择性溶解渗透的材料被应用到空气分离行业，形成了（3）中空纤维膜分离技术。以制氮气过程为例，加压空气中的氧气和氮气在气体分离膜中的渗透速率的不同，物理活性更为活跃的氧气透过膜材料溢出，而氮气可在膜内侧富集。这种技术实现了气体组分的常温、连续分离，且设备体积小、静止运转，移动性和可靠性都较其他技术更高。

中空纤维膜气体分离技术的原理

三种气体分离技术比较：用于空气中的氧、氮分离

低温分离技术

变压吸附技术

膜分离技术

气体分离媒介

制冷剂膨胀

吸附剂

中空纤维膜

基本原理

热交换

吸附剂吸收氧气释放氮气，饱和后需再生

氧氮气体分子因渗透速率不同而自然分离

氮气纯度

杂质小于1ppm

95-99.9995%

95-99.9%

氮气露点

—

＜-40℃

＜-60℃

气量

通常大于5，000Nm3/h

通常小于1，000Nm3/h

通常10至10，000Nm3/h

输出连续性

—

不连续

连续

设备启动时间

12-24 小时

小于20分钟

小于3 分钟

设备尺寸

大

中等

小

设备投资

高

低

中等

操作维护成本

很高

一般

低

设备移动性

移动困难

移动困难

移动性好

供气稳定性

—

中等

高

膜分离技术的历史

20世纪80年代，美国、日本一些知名化学公司的科研团队开发出可用于空气分离的高分子复合材料。经过多年的后续研发和应用推广，与头发纤维粗细相当的中空纤维膜材料被排列成纤维束，应用于空气分离等各种作业，在工业、能源、航天、军事等领域得到广泛应用。中空纤维膜分离技术于20世纪80年代末、90年代初实现商业化。

凯德实业是中国最早引入并成功应用膜分离技术的践行者，公司于1993年生产的膜分离工业制氮机是国内最早的膜分离气体分离产品。据统计，由1993年至2012年，凯德实业向世界范围内的油气田氮气用户提供了产能累计超过160，000立方米/小时的膜分离设备（以95%氮气计算），向工业氮气用户提供了产能累计超过12，000立方米/小时的膜分离设备（以99%氮气计算），相当于建成了一座24小时在世界各地连续运转的移动式巨型工厂！

中空纤维

快气与慢气

上百万根中空膜纤维排列在一起形成束状，称之为膜组。不同气体分子透过膜组材料的渗透速率不同。以氧、氮分离为例，空气经加压由膜组一端流入；氧气比氮气的渗透速度快，可称为“快气”，在压力下透过膜材料快速渗透并从膜组外侧溢出；“慢气”氮气在膜材料上的渗透率很小，可在膜组内侧富集并从另一端排出，这样两种气体实现了分离。

“快气”和“慢气”是相对而言的，多种气体组分可以通过膜技术进行分离，例如二氧化碳与甲烷（膜分离技术用于沼气提纯）、氢气与甲烷等等。