制氧机

2.1、工业制氧技术方法的原理、技术特点

工业制氧是从空气中分离出高浓度氧气（O₂）的过程，是现代工业、医疗、化工等领域不可或缺的基础技术。其核心在于利用空气中各组分（主要是氮气N₂78%、氧气O₂21%、氩气Ar0.93%及其他微量气体）物理或化学性质的差异进行分离。以下是几种主流工业制氧方法的原理、技术特点及适用场景的详细解析：

2.1.1.低温分离法(深冷空分法)

核心原理：利用空气中氮气(N₂,沸点-195.8°C)和氧气(O₂,沸点-183°C)等组分沸点的显著差异。将经过严格净化（去除水汽、CO₂、碳氢化合物等杂质）的空气压缩至高压，通过级联式热交换器利用产品冷量将其冷却至极低温（约-170°C至-190°C），使其液化形成“液态空气”。液态空气进入精馏塔系统（通常包括高压塔和低压塔），在塔内利用上升蒸汽与下流液体进行多次气液平衡（精馏）。由于氮气沸点更低，它倾向于汽化上升；氧气沸点较高，倾向于液化下流。最终在塔顶得到高纯氮气，在塔釜得到高纯液氧或气态氧。

 

 

主要优点：

制氧纯度极高（通常≥99.5%，最高可达99.999%）。

单套装置产能巨大（可达数十万Nm³/h氧气），规模效应显著。

可同时生产高纯氮气、液氩及稀有气体（氖、氪、氙等）。

技术成熟可靠，运行稳定。

主要缺点：

初始投资大（涉及大型压缩机、膨胀机、复杂换热网络、精馏塔、低温容器和保冷系统）。

启动时间长（从常温到稳定生产液氧通常需要数小时至数十小时）。

能耗相对较高（主要是空气压缩和冷量补偿的能耗）。

工艺流程复杂，操作维护要求高，需专业团队。

设备庞大，占地面积广。

典型应用：大规模、超高纯度氧气需求场景，如大型钢铁冶炼（高炉富氧、转炉炼钢）、大型化工合成（煤化工、乙烯裂解）、电子级气体生产、液氧/液氮储备站。

2.1.2.变压吸附法(PSA)

核心原理：利用特定吸附剂（主要是沸石分子筛）在常温下对不同气体分子吸附能力的差异（优先吸附氮气、水汽、CO₂）。空气经压缩机增压后进入装填有分子筛的吸附塔。在高压吸附阶段，氮气等强吸附组分被分子筛捕获，相对不易被吸附的氧气（及氩气）则穿透吸附床层作为产品气输出。当吸附剂接近饱和时，系统切换至低压（或真空）解吸阶段，释放被吸附的氮气等杂质，使吸附剂再生，为下一个吸附周期做准备。通常采用双塔或多塔系统，通过程控阀门实现吸附、解吸、均压等步骤的循环操作，连续产出氧气。

 

 

主要优点：

工艺流程相对简单，设备紧凑，模块化程度高。

常温操作，无需制冷设备，启动快（几分钟至半小时）。

能耗通常低于深冷法（尤其在中、小规模）。

操作自动化程度高，维护相对简便。

氧气纯度可调（通常在90%-95%O₂之间）。

主要缺点：

氧气纯度上限受限于吸附剂选择性（难以完全去除氩气）和流程设计，一般低于深冷法。

吸附剂有使用寿命（数年），需定期更换，产生运行成本。

产品氧压力波动（需缓冲罐或后增压）。

对于大规模应用（>5000Nm³/h），经济性可能不如深冷法。

典型应用：中小规模工业用氧，如玻璃熔炉、有色金属冶炼、污水处理、化工氧化过程、富氧燃烧、水产养殖、医疗保健机构（中心供氧）等。

2.1.3.真空变压吸附法(VPSA)

核心原理：PSA技术的改进型。核心区别在于解吸阶段不仅降压至常压，还利用真空泵将吸附塔抽至负压（通常0.3-0.6barabs），更彻底地脱附被吸附的氮气等杂质，显著提高吸附剂的再生效率和利用率。这使得在较低的吸附压力（通常1.2-1.6barabs）下就能获得更高的氧气回收率和更大的单机产能。

 

主要优点(相较于PSA)：

吸附压力低，空气压缩机功耗显著降低。

解吸更彻底，吸附剂利用效率更高，单位能耗更低。

单机产能更大（可达数万Nm³/h），更适应中等偏大规模需求。

氧气回收率更高。

主要缺点：

增加了真空泵系统，设备投资和维护成本略高于PSA。

系统控制逻辑更复杂。

典型应用：中等至较大规模（数千至数万Nm³/h）且对纯度要求为90-95%的工业用氧领域，如大型玻璃厂、水泥厂富氧燃烧、污水处理曝气、纸浆漂白等。是深冷法在中等规模市场的主要竞争者。

2.1.4.膜分离法(MembraneSeparation)

核心原理：利用氧气和氮气在特定高分子聚合物膜（如聚砜、聚酰亚胺、硅橡胶复合膜等）中溶解度和扩散速率的差异（氧气通常具有更高的渗透速率）。当压缩空气流经中空纤维膜或平板膜组件的表面时，渗透速率高的氧气（O₂）、水汽（H₂O）和二氧化碳（CO₂）优先透过膜壁进入渗透侧（低压侧）作为产品气，而渗透速率慢的氮气（N₂）和氩气（Ar）则滞留在非渗透侧（高压侧）成为尾气。

 

主要优点：

设备极为简单紧凑，无运动部件（除空压机外），静音运行。

启动和停机瞬时完成。^l操作维护极其简便，可靠性高。

运行成本低（主要是压缩空气的能耗）。

主要缺点：

氧气纯度较低（通常在25%-45%O₂之间）。

氧气回收率相对较低（受纯度需求限制）。

膜材料易受油污、溶剂等污染，对空气质量要求高（需严格的前置过滤）。

提高纯度需多级串联或与PSA联用，增加复杂性和成本。

典型应用：小规模、低纯度富氧需求场景，如小型燃烧器助燃、医疗保健（家用或便携式制氧机）、发酵增氧、水产养殖增氧、矿井救援设备等。

2.2、技术选择与总结

特征	低温精馏法(深冷)	PSA法	VPSA法	膜分离法
核心原理	沸点差异/精馏	吸附选择性	吸附选择性+真空	渗透速率差异
氧气纯度(O₂)	极高(≥99.5%)	中高(90-95%)	中高(90-95%)	低(25-45%)
单机规模	极大(数万Nm³/h+)	中小(至数千)	中至大(数千至数万)	极小至小
启动时间	长(小时级)	短(分钟级)	短(分钟级)	极短(瞬时)
初始投资	极高	中	中高	低
运行能耗	中高(大规模高效)	中	中低(规模大时)	低(但回收率低)
操作维护	复杂	较简单	较复杂	极简单
联产能力	多产品(N₂,Ar等)	通常单一(O₂)	通常单一(O₂)	单一(富氧空气)
典型应用	超大规高纯O₂/N₂/Ar	中小规工业/医用	中大规工业用氧	小规低纯富氧

2.3、选择建议

1. 追求超高纯度（>99.5%）和大规模/联产气体：低温精馏法是唯一选择。
2. 中等规模（数千至数万Nm³/h）、纯度要求90-95%：VPSA法在能耗和成本上通常最具竞争力。
3. 中小规模（数百至数千Nm³/h）、纯度要求90-95%：PSA法是主流成熟技术。
4. 小规模、现场制氧、纯度要求低（<45%）、强调简单便携：膜分离法优势明显。
5. 需要同时获得超高纯度氧气和氢气，且能接受高能耗：水电解法是特定场景的解决方案。

最终选择需综合考虑氧气需求量、纯度要求、使用压力、初期投资预算、运行成本（电费）、场地条件、是否需要联产气体、供气稳定性要求等因素进行技术经济性评估。随着材料科学、过程控制和能效技术的进步，PSA/VPSA在中等纯度市场持续扩大份额，膜分离技术也在特定低纯度领域稳固地位，而深冷法在大规模高纯领域依然不可替代。