空气分离装置（ВРУ）用于将空气混合物分离成单独的成分（氧、氮、氖等），其工作原理基于各组分在物理性质、分子质量以及热力学特性上的差异。这类系统广泛应用于冶金、医疗、电子、食品和化工行业，在纯气体生产中发挥着重要作用。本文介绍了空气分离装置（ВРУ）工作与应用的基本要点。
空气分离装置的工作原理
根据空气分离方法的不同，装置分为：
吸附法
吸附法空气分离的基础是利用合成沸石，以及天然沸石和碳分子筛对空气组分的选择性吸附。吸附式装置仅用于获得一种空气分离产物，而且只能以气态形式输出。相应地，空气吸附分离装置分为制氧型和制氮型。为了实现连续的吸附法空气分离过程，至少需要两台循环工作的吸附器：当一台吸附器处于产气工况时，另一台则处于再生工况。产物获得过程既可在高于大气压的压力下进行（加压方案），也可在常压下进行（无压方案）。在加压方案中，吸附剂的再生通常在常压下进行，而在无压方案中则在真空条件下进行。采用加压方案运行的装置被称为КЦА，而采用无压方案运行的装置则称为ВКЦА。
制氧吸附装置
吸附法制氧是基于氮、氧在合成沸石上的平衡吸附容量差异。小型装置（约至 500 Nm
3/h）通常采用加压方案（КЦА）构建，大型装置则采用无压方案（ВКЦА）。在 КЦА 上理论上可以获得高达 95% 纯度的氧气，但在实际应用中，尤其是在大产能的 ВКЦА 上，氧气纯度通常不超过 93–94%。在现有吸附剂条件下，93% 纯度氧气的回收率不超过 10–12%。КЦА 装置可输出最高约 5 bar 压力的氧气，而 ВКЦА 装置则在大气压下输出氧气。
制氮吸附装置
在制氮吸附装置中，吸附剂采用碳分子筛（CMS）。吸附法制氮基于不同气体分子在碳分子筛孔隙中的扩散速度差异。换句话说，氧分子在碳分子筛上的吸附速度远高于氮分子。制氮吸附装置主要采用加压方案构建。氮气的含氧杂质可在 0.0005% 至 5% 范围内变化。与制氧吸附装置不同，制氮装置中氮气的回收率与所需氮气纯度密切相关，范围大致在 11% 至 45% 之间。
吸附式装置的一般原则：
- 仅获得一种分离产物；
- 分离产物仅以气态形式输出；
- 分离产物的纯度存在限制；
- 装置只能在单一工况下运行。
膜分离法
膜分离空气的方法基于气体组分通过膜材料时扩散速度的差异。膜材料为多孔聚合物纤维，其外表面覆有一层极薄的气体分离层。膜分离装置仅用于获得氮气或富氧空气（含氧量可达 50%）。无论是氮气还是富氧空气，都只以气态形式从膜分离装置中输出。
膜分离装置的应用范围或产能区间基本与制氮吸附装置相同，但在相同产能条件下，吸附装置获得的氮气纯度通常高于膜分离装置。
膜分离装置的一般原则：
- 仅获得一种分离产物；
- 分离产物仅以气态形式输出；
- 分离产物的纯度存在限制；
- 装置只能在单一工况下运行。
需要指出的是，如果膜元件失效，而其成本又占到整套装置成本的相当大一部分，则必须更换膜元件。
低温（深冷）法
低温空气分离方法的基础是低温精馏，它依托空气各组分沸点的差异以及处于平衡状态的液相和气相混合物组成的差异。与在环境温度下进行空气分离的吸附装置和膜分离装置不同，低温装置中的分离过程是在低温（深冷）条件下进行的。在低温空气分离装置中，与吸附和膜分离装置不同，可以同时获得多种分离产物（氧、氮、氩），并且这些产物既可以是气态，也可以是液态。采用低温法可以在几乎任意所需纯度和任意产量范围内获得分离产物。
低温空气分离装置的一般原则：
- 对空气进行综合分离（可同时获得多种分离产物）；
- 分离产物既可为气态，也可为液态；
- 所得产品纯度几乎不受限制；
- 装置具备多种运行模式。
吸附式装置的优缺点
在需要氧气纯度不超过 93% 且产能相对较小的情况下，采用短周期吸附装置（ВКЦА）进行制氧是合理的选择。当不需要长时间连续运行、且装置频繁启停时，选择 ВКЦА 也是合适的。在运行过程中，可能会有油、水等杂质进入吸附器，清洗过程通常需要更换吸附剂、清洗吸附器以及维护阀门。然而，采用现代过滤系统和保护层可以最大限度降低这些风险。
吸附剂可能会因内部工艺、所用部件、吸附剂生产商、供气系统、气流速度、装填与压实方式以及吸附器结构等因素而产生磨损。在短周期吸附装置（ВКЦА）中，由于其技术特点，氧气从装置中以大气压排出，为满足使用端更高的压力要求，需要配套增压氧气压缩机。
膜分离装置的优缺点
膜分离装置并不用于制取纯氧。在膜分离装置上只能获得富氧空气，因此在后续讨论中不再单独考虑膜分离装置。
低温装置的优缺点
低温空气分离装置的主要优点在于：在低温装置上可以制取任意数量、任意纯度的空气分离产物。只有低温装置能够同时获得多种空气分离产物，只有低温装置能够获得液态分离产物。与吸附装置和膜分离装置不同，提高产品纯度对低温装置的回收率和设备成本影响不大。
作为不足之处，低温装置具有较长的启动周期。这是由于装置需要在深冷温度下运行，而实现深冷温度（即设备冷却至工作温度）需要一定时间（约 8–24 小时）。
不同制氧方法的经济合理性
下图给出了不同类型空气分离装置在产能与氮气纯度方面的最佳工作区间示意图。
从该图可以看出，在 20 000 Nm
3/h 产能、气态氧气纯度达到 92% 及以上的情况下，选择低温空气分离装置更为合理。
结论
通过对现有工业规模空气分离产品获取方法的分析，可以划定各方法的适用范围。应当指出，生产方法的选择应综合考虑多个因素，其中最主要的是装置成本（资本性支出）和运行费用。在选择 КЦА 和膜分离技术时，需要注意：随着产品纯度的提高，单位能耗会显著增加。例如，在相同产能条件下，低温法与吸附法之间的选择将取决于对产品纯度的要求。
基于以上分析，我们最终选择了低温空气分离方法。其主要选择标准为：较低的资本性投入和运行成本。需要强调的是，随着产品纯度的提高，低温装置的优势会更加明显；当产品纯度超过 95% 时，低温装置事实上成为唯一可行的方案。
