膜分离技术在新型航空制氮装备中的应用

膜分离技术在新型航空制氮装备中的应用摘要：介绍了膜法制氮装备的特点和工艺流程；对中空纤维膜空气分离机理及其影响膜分离效果的主要因素进行了研究分析。关键词：膜法制氮，PRISM膜组，分离机理膜空气分离制氮是20世纪80年代新兴的高科技技术，属于高分子材料科学的范畴。该技术虽然起步较晚，但发展迅速且日趋成熟。膜分离技术的原理是，针对某些气体组分具有选择性、渗透和扩散的特性，利用结构特殊的有机膜或金属膜，以达到气体分离和纯化的目的。基于膜空气分离技术研制的制氮工艺具有流程简单、操作方便、稳定性好、节能和免维护等优点，这一新技术首先在海军及空军配备的ZD-1型航空制氮车、HCBZ01-40型航空制氮车和K/DZZ-2型航空制氮车等新型制氮装备中推广应用。因此，熟悉膜空气分离制氮机理和特点，掌握影响膜分离效果的主要因素，对于正确地使用、维护新装备，充分发挥新装备的技术性能，全面提高部队高纯氮气的保障能力，具有十分重要的意义。1膜分离制氮装备的主要特点采用膜分离技术来进行空气分离，制取纯氮的保障装备，与传统的低温空气分离装备相比，有以下主要特点：（1）过程简单、能耗低。在氮气分离过程中没有相变、过程简单、可在常温下进行操作；能耗同比可下降15%～25%。特别是分离共沸物质，更具有独特的优越性。（2）运行可靠、寿命长。膜空气分离制氮系统没有运动的部件，为静态运行，连续工作可靠性高；正常情况下，膜组使用寿命可达12～15年。（3）产量可调、品质高。氮气产量可在设计性能范围内根据需要适时调整。生产的氮气非常干燥，纯度高达99.99％，露点低于-65℃，供气压力可高达5MPa。（4）增容简单、维护少。制氮装备若需增加产氮气量，只需并联增加膜组件即可，这也是其它空气分离设备所无法比及的；因为没有运动部件，几乎不需维护，因此，维护费用少，高效率和高可靠性还降低了操作运行费用。（5）操作方便、自动化。制氮装备可瞬间启动，开机、停机方便又迅速，操作简单；氮气纯度、产气量、温度及工作压力均可自动控制。（6）对环境无特殊要求。制氮装备能够在恶劣的工况条件下正常运行，机动性强，特别适用于部队野外机动保障。2膜分离制氮装备的组成与工作原理2.1膜分离制氮装备的组成膜分离制氮装备的组成除了必需的附属设备之外，主要由膜制氮机组成，包括：中空纤维膜组、加热器、过滤器、纯度分析仪等。膜分离制氮装备中的关键是膜组件，它是一种性能特异的新型功能材料。按气体分离的机理，可以分为多孔型膜和非多孔型膜；按材料性质可以分为有机膜和无机膜，有机膜采用高分子材料制成，亦称高分子；从膜组件的结构型式分类，还可以分为中空纤维型和平板型两种。现役新型制氮装备采用的膜组件主要是中空纤维型，如法国液化空气公司生产的FLOXEL制氮用膜组和美国PERMEA（柏美亚）公司生产的PA4050-P1型PRISM膜组。2.2中空纤维膜空气分离机理中空纤维膜分离制氮的膜组，是由一个圆筒状的高分子材料制成的中空纤维膜束，每个膜束像列管式换热器一样含有上百万根中空纤维，以提供最大限度的分离面积，每根纤维直径约几十微米，就像人的头发丝一样细，压缩空气由纤维膜束的一端进入，气体分子在压力作用下，首先与膜的高压侧接触，然后吸附、溶解、扩散、脱溶、逸出。膜分离法空气分离机理如图1所示。由于各种气体在膜中溶解速率和扩散系数的差异，导致不同气体在膜中的相对渗透速率不同。氧、二氧化碳、水蒸气等渗透速率快，称为“快气”，由高压内侧纤维壁向低压外侧渗出，由膜组件一侧的开口处排出；而渗透速率小的“慢气”———氮气，则被富集在高压内侧，由膜组件的另一端排出，从而实现“氧－氮的分离”，分离出的氮气压力比入口空气压力低0.3bar～1.0bar。2.3膜分离制氮装备工艺流程制氮装备（HCBZ01-40型航空制氮车）工作时，纯氮（≥99.99％）生产工艺流程如图2所示。空气经空气压缩机压缩过滤后，进入空气缓冲器进行稳压，再经过三级高效除油过滤器，进一步除去压缩空气中的油分杂质，然后进入加热器，使压缩空气加温到50℃左右，再进入中空纤维膜组。膜组将空气中的氧、二氧化碳、水蒸气等渗透速率“快”的气体排入大气，被阻隔下的氮气（99.7％）经节流阀、背压阀、减压器进入已升温至150℃～200℃的脱氧塔，在碳脱氧剂的作用下，混合气中的残氧反应生成二氧化碳。脱氧后的氮气经过高温过滤器，进入前置冷却器，冷却至40℃～50℃后，再通过冷干机，进入吸附式干燥机，进行二氧化碳和水份的吸附，使氮气的纯度达到99.99％以上，露点温度降到-65℃以下。再经末端过滤器过滤、氮气储气罐稳压后，由隔膜氮气压缩机进行增压，然后进行对外灌充，即可得到压力为0.1MPa～35MPa的氮气产品。3影响膜分离效果的主要因素膜分离制氮装备从技术上来讲，是很先进的一类技术装置，对膜的要求很高，要求膜必须具有很高的气体渗透通量和高的选择性，能在高压下工作，抗杂质的能力要强，而且要长期保持高的效率。目前，现役制氮装备中使用比较多的是聚砜中空纤维膜。作为一种高分子聚合膜，它的制造技术只有少数公司掌握，如美国的DOW化学公司、PERMEA公司和DUPONT公司，法国液化空气公司等。膜的工作性能依赖于几个因素：产生氮气的流量、纯度和供气的压力。产量还与进入空气的温度有关，随着进气温度的增加而增加。因此，膜分离装置的氮气生产量、产品气的纯度还受到压力和温度的影响。氮气产量与纯度、压力、温度的关系如图3和图4所示。从微观的角度分析，膜分离的过程取决于流体与膜材料分子间的引力，由于各种组分与膜的结合力大小不同，形成了不同的传递速率和分离的可能性。这与膜的分子特性有关，渗透过程主要取决于气体分子在膜材料中的溶解与扩散特性，同时与表面吸附、温度、压力等条件也有一定关系。4结束语膜分离技术应用的关键，在于高效率分离膜的制造技术。尤其是用于分离空气以制取氮、氧的膜，通常主要用于制氮（富氧可作为副产品），优势比较明显。其制造难度很大，它的关键技术目前仍被发达国家少数公司所控制。随着市场的开放，国际上的先进技术和产品必然会影响国内的气体市场，尤其是小型空分膜制氮领域。早在1998年，“国家膜工程中心”在北京成立，为我国全面掌握现代膜分离技术，勇于迎接世界高新技术的挑战，标定了发展方向。可以预期膜分离技术在新型“膜制氮车”的应用中，必将取得更新的技术成果。