氣體分離方法的種類與特征
目前，混合氣體的分離方法主要有低溫精餾法（簡稱深冷法），變壓吸附法（也稱PSA法）和高分子膜法。前者稱低溫法，后兩者稱非低溫法。
1 深冷分離法
深冷分離法是林德教授于1902年發(fā)明的,其實(shí)質(zhì)就是氣體液化技術(shù)。通常采用機(jī)械方法,如用節(jié)流膨脹或絕熱膨脹等方法，把 氣體壓縮、冷卻后，利用不同氣體沸點(diǎn)上的差異進(jìn)行蒸餾，使不同氣體得到分離。其特點(diǎn)是產(chǎn)品氣體純度高，但壓縮、冷卻的能耗很高。該法適用于大規(guī)模氣體分離過程，如空分制氧。目前，在我國制氧量的80%是用該法完成的，經(jīng)過多年的努力，其能耗最低可降至0.038kW·h/m3 O2。
2 變壓吸附法
變壓吸附法是Skarstrome等人于1960年發(fā)明的，最初在工業(yè)上主要用于空氣干燥和氫氣純化。1970年后才開發(fā)用于空氣制氧或制氮，1976年后逐漸開發(fā)成功用碳分子篩，或用沸石分子篩的真空變壓吸附法，從空氣中制氧或氮，1980年實(shí)現(xiàn)了用單床PSA 法制取醫(yī)用氧。
吸附分離是利用吸附劑只對(duì)特定氣體吸附和解吸能力上的差異進(jìn)行分離的。為了促進(jìn)這個(gè)過程的進(jìn)行，常用的有加壓法和真空法等。分子篩變壓吸附分離空氣制取氧的機(jī)理，一是利用分子篩對(duì)氮的吸附親合能力大于對(duì)氧的吸附親合能力以分離氧、氮；二是利用氧在碳分子篩微孔系統(tǒng)狹窄空隙中的擴(kuò)散速度大于氮的擴(kuò)散速度,，使在遠(yuǎn)離平衡的條件下可分離氧、氮。
變壓吸附法制氧、氮是在常溫下進(jìn)行的，其工藝有加壓吸附/常壓解吸或常壓吸附/真空解吸兩種，通常選用沸石分子篩制氧，碳分子篩制氮。1991年，日本三菱重工制成世界上最大的PSA制 氧設(shè)備，其氧產(chǎn)量可達(dá)8650m3/h。我國的PSA制氧設(shè)備已初步系列化，其產(chǎn)氧量最高可達(dá)2600m3/h，氧純度≥90%。德國林德公司20世紀(jì)80年代以來的單位氧產(chǎn)品能耗最低可達(dá)0.042kw·h/ m3O2(氧出口壓力01MPa純度為93%)。
3 膜分離法
氣體膜分離技術(shù)是20世紀(jì)70年代開發(fā)成功的新一代氣體分離技術(shù),其原理是在壓力驅(qū)動(dòng)下，借助氣體中各組分在高分子膜表面上的吸附能力以及在膜內(nèi)溶解-擴(kuò)散上的差異，即滲透速率差來進(jìn)行分離的。現(xiàn)已成為比較成熟的工藝技術(shù)，并廣泛用于許多氣體的分離、提濃工藝。膜法的主要特點(diǎn)是無相變，能耗低，裝置規(guī)模根據(jù)處理量的要求可大可小，而且設(shè)備簡單，操作方便，運(yùn)行可靠性高。各種氣體分離方法的規(guī)模、經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)成熟程度、能耗和用途等的比較見表1。
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表1 各種氣體分離方法的比較
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4 集成膜過程的發(fā)展與展望
從上面的分析不難看出,各種分離方法都有其優(yōu)點(diǎn)和使用范圍，也都有其生存和發(fā)展的空間。不過從長遠(yuǎn)的觀點(diǎn)來看，膜分離法和變壓吸附法隨著技術(shù)的改進(jìn)和應(yīng)用范圍的拓寬，它們?cè)跉怏w工業(yè)中所占比例將會(huì)越來越大（參見表1）。但是,面對(duì)生產(chǎn)中巧遇到的實(shí)際問題，只靠一種分離技術(shù)是很難有效解決的。因此,近年來把一些分離技術(shù)有效地整合起來的集成分離技術(shù)正在引起人們的普遍關(guān)注，并正在開發(fā)新的工藝流程。例如膜分離法與變壓吸附法整合，用于提高氫的回收率或氫的純度；或用于從天然氣中回收CO2，或回收氮；或用于從空氣中生產(chǎn)干燥的氮?dú)饣蛲瑫r(shí)從空氣中得到氮和氧兩種產(chǎn)品氣。又如,膜分離法與深冷分離法整合，也可用于從天然氣中回收氮,以及膜法與化學(xué)催化反應(yīng)的整合,可提高反應(yīng)速率等。最近戈?duì)柾瞥龅娜?guī)模集成過濾系統(tǒng),將PTFE膜與靜電沉淀技術(shù)相結(jié)合，用于空氣污染的控制，可將燃煤電廠99.99%的細(xì)小灰塵除掉，而且運(yùn)行費(fèi)用低，元件用量少，且更加可靠。
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