空氣的主要成分是氮氣（占78%）和氧氣（占21%）,因此,可以說空氣是制備氮氣和氧氣取之不盡的源泉.氮氣主要用于合成氨、金屬熱處理的保護氣氛、化工生產(chǎn)中的惰性保護氣（開停車時吹掃管線、易氧化物質(zhì)的氮封、壓料）、糧食貯存、水果保鮮和電子工業(yè)等.氧氣主要用于冶金、助燃氣、醫(yī)療、廢水處理和化學工業(yè)中的氧化劑等.如何廉價地分離空氣制取氧氣和氮氣,這是化工工作者長期潛心研究解決的問題.
工業(yè)上分離空氣的傳統(tǒng)方法是采用深冷分離法,即將空氣冷卻到-150℃以下,再用低溫精餾的方法實現(xiàn)分離.該法可以同進得到氮氣和氧氣,還可以得到液氮和液氧.但是,低溫精餾法存在能耗高、流程長、啟動過程長、設備維護要求高等缺點,因此近十幾年來受到了變壓吸附法和膜分離法等新興分離方法的嚴峻挑戰(zhàn).
變壓吸附法 變壓吸附法分離空氣的機理有兩種.一種是利用5A沸石分子篩的選擇吸附特性,即5A沸石分子篩對氮氣的平衡吸附量大于對氧氣的平衡吸附量,這樣當空氣通過沸石床層時氮氣就被吸附,流出氧氣作為產(chǎn)品.當沸石吸附氮氣飽和后,停止通入空氣,并把床層抽成真空,抽出的氮氣作為產(chǎn)品.另一種是利用碳分子篩的運態(tài)吸附特性,即碳分子篩對氧氣和氮氣的平衡吸附量相差不大,但由于氧氣的分子尺寸(2.8×3.9)比氮氣的分子尺寸(3.0×4.1)小,因而氧氣在碳分子篩中的擴散速度快,吸附量也大,于是氧氣在碳分子篩中的擴散速度快,吸附量也大,于是氧氣被吸附,流出氮氣作為產(chǎn)品.隔一段時間后,停止通入空氣,把床層抽真空使碳分子篩再生.該法通常是在吸附階段為0.0.5×106Pa、解吸階段為常壓或真空及常溫的條件下進行的,在工業(yè)上很容易實現(xiàn).
用變壓吸附法分離空氣可以得到富氧空氣和99.9%的純氮氣,耗電量均小于1.0kwh/m3.目前,世界上用5A沸石分了篩制氧以日本最為成熟,氧濃度可達96%,耗電量僅為0.4kwh/m3.
總之,用變壓吸附法分離空氣具有能耗低、流程短、開停車時間短、自動控制、產(chǎn)品濃度可調(diào)等等優(yōu)點,可望有較大的發(fā)展.
膜分離法 膜法分離空氣利用的是滲透原理,即氧氣和氮氣在非多孔高分子膜內(nèi)的擴散速率不同.當氧氣和氮氣吸附在高分子膜表面時,由于膜兩側(cè)存在著濃度梯度,使氣體擴散并通過高分子膜,接著在膜的另一側(cè)解吸.因為氧氣分子的體積小于氮氣分子,因而氧氣在高分子膜內(nèi)的擴散速率大于氮氣,這樣,當空氣通入膜的一側(cè)時,在另一側(cè)就可以得到富氧空氣,同一側(cè)得到氮氣.
用膜法分離空氣可以連續(xù)得到氮氣和富氧空氣.目前的高分子膜對氧、氮分離的選擇性系數(shù)只有3.5左右,滲透系數(shù)也較小.分離得到的產(chǎn)品氮氣濃度為95～99%,氧氣濃度僅為30～40%.膜法分離空氣一般是在常溫和壓力為0.0.5×106Pa的條件下操作的.
由于變壓吸附法和膜法的崛起,中小規(guī)模的深冷空分裝置已開始讓出一部分市場.目前,變壓吸附法和膜法的主要缺點是產(chǎn)品濃度不夠高、回收率較低,這要通過改進吸附劑和高分子膜來克服.