空气的主要成分是氮气（占78%）和氧气（占21%）,因此,可以说空气是制备氮气和氧气取之不尽的源泉.氮气主要用于合成氨、金属热处理的保护气氛、化工生产中的惰性保护气（开停车时吹扫管线、易氧化物质的氮封、压料）、粮食贮存、水果保鲜和电子工业等.氧气主要用于冶金、助燃气、医疗、废水处理和化学工业中的氧化剂等.如何廉价地分离空气制取氧气和氮气,这是化工工作者长期潜心研究解决的问题.
工业上分离空气的传统方法是采用深冷分离法,即将空气冷却到-150℃以下,再用低温精馏的方法实现分离.该法可以同进得到氮气和氧气,还可以得到液氮和液氧.但是,低温精馏法存在能耗高、流程长、启动过程长、设备维护要求高等缺点,因此近十几年来受到了变压吸附法和膜分离法等新兴分离方法的严峻挑战.
变压吸附法 变压吸附法分离空气的机理有两种.一种是利用5A沸石分子筛的选择吸附特性,即5A沸石分子筛对氮气的平衡吸附量大于对氧气的平衡吸附量,这样当空气通过沸石床层时氮气就被吸附,流出氧气作为产品.当沸石吸附氮气饱和后,停止通入空气,并把床层抽成真空,抽出的氮气作为产品.另一种是利用碳分子筛的运态吸附特性,即碳分子筛对氧气和氮气的平衡吸附量相差不大,但由于氧气的分子尺寸(2.8×3.9)比氮气的分子尺寸(3.0×4.1)小,因而氧气在碳分子筛中的扩散速度快,吸附量也大,于是氧气在碳分子筛中的扩散速度快,吸附量也大,于是氧气被吸附,流出氮气作为产品.隔一段时间后,停止通入空气,把床层抽真空使碳分子筛再生.该法通常是在吸附阶段为0.0.5×106Pa、解吸阶段为常压或真空及常温的条件下进行的,在工业上很容易实现.
用变压吸附法分离空气可以得到富氧空气和99.9%的纯氮气,耗电量均小于1.0kwh/m3.目前,世界上用5A沸石分了筛制氧以日本最为成熟,氧浓度可达96%,耗电量仅为0.4kwh/m3.
总之,用变压吸附法分离空气具有能耗低、流程短、开停车时间短、自动控制、产品浓度可调等等优点,可望有较大的发展.
膜分离法 膜法分离空气利用的是渗透原理,即氧气和氮气在非多孔高分子膜内的扩散速率不同.当氧气和氮气吸附在高分子膜表面时,由于膜两侧存在着浓度梯度,使气体扩散并通过高分子膜,接着在膜的另一侧解吸.因为氧气分子的体积小于氮气分子,因而氧气在高分子膜内的扩散速率大于氮气,这样,当空气通入膜的一侧时,在另一侧就可以得到富氧空气,同一侧得到氮气.
用膜法分离空气可以连续得到氮气和富氧空气.目前的高分子膜对氧、氮分离的选择性系数只有3.5左右,渗透系数也较小.分离得到的产品氮气浓度为95～99%,氧气浓度仅为30～40%.膜法分离空气一般是在常温和压力为0.0.5×106Pa的条件下操作的.
由于变压吸附法和膜法的崛起,中小规模的深冷空分装置已开始让出一部分市场.目前,变压吸附法和膜法的主要缺点是产品浓度不够高、回收率较低,这要通过改进吸附剂和高分子膜来克服.