什么是膜分离氮气技术？它是如何工作的？

氮气 (N₂) 是一种重要的工业气体，可用于各种应用，包括食品保鲜、塑料注塑和灭火。氮气约占地球大气的 78%，因此很容易提取。现场生产氮气的最有效方法之一是使用膜制氮技术，该技术使工业能够以所需的纯度水平生产氮气，而无需依赖外部气体供应商。

膜分离氮气技术是一种通过特殊膜材料从空气中分离氮气的高效技术。压缩空气进入膜组件后，膜材料根据气体分子的不同渗透速率，将氧气和水蒸气排出，氮气则被保留下来。

一、什么是膜分离氮气技术

（一）定义

膜分离氮气技术是基于气体在特定膜材料中具有不同渗透速率的特性，实现从空气中高效分离并提纯氮气的一种气体分离技术。该技术借助膜片制氮设备，以环境空气为原料，通过膜的选择性透过作用，将空气中的氮气与其他组分有效分离，从而获得满足特定纯度要求的氮气产品 ，以适配众多专业领域的应用需求。

（二）关键组件

• 膜组件：膜片制氮机的核心组件为膜组件，其通常由数以万计的中空聚合物纤维紧密排列组成。这些中空纤维膜具有特殊的微观结构，其孔径分布与化学特性经过精心设计，赋予了膜对不同气体分子的选择性渗透能力。
• 空气压缩机：作为气源供应设备，空气压缩机负责将环境空气压缩至一定压力，为后续的气体分离过程提供动力，确保空气能够以适宜的流速与压力进入膜组件，实现高效的气体分离。

（三）纯度范围

在实际应用中，膜分离氮气技术制取的氮气纯度一般可稳定控制在 95% – 99.9% 的区间范围内。这一纯度范围能够充分满足食品保鲜、塑料加工、防火防爆等众多行业对氮气纯度的严苛要求 。

二、膜分离氮气技术是如何工作的

膜分离氮气技术的工作原理基于气体在膜材料中的溶解 – 扩散机制。当经压缩机压缩后的空气进入膜片制氮机的膜组件时，膜材料对不同气体分子具有不同的亲和性与扩散速率。下面我们将详细探讨膜分离氮气技术的关键步骤：进气预处理、膜分离过程以及尾气处理。

（一）进气预处理

在混合气体进入膜分离装置之前，通常需要进行严格的预处理。这是因为原始气体可能含有杂质，如固体颗粒、油雾和水分等，这些杂质如果未被去除，将会堵塞膜孔或影响膜的性能，从而降低分离效率。预处理步骤包括：

• 过滤：通过多级过滤器去除气体中的固体颗粒和其他大颗粒杂质，确保气体进入膜组件时清洁无污染。
• 冷却和冷凝：去除气体中的水分和油雾，防止这些液态物质损害膜的结构或影响膜的透过性。
• 温度调节：精确调控入膜温度，因为温度过高或过低都可能改变膜的物理性质，进而影响膜对不同气体的选择性渗透能力。一般来说，需将温度维持在适宜膜材料性能稳定发挥的区间内。
• 压力调节：严格控制入膜压力，合适的压力是保证气体在膜两侧形成有效渗透驱动力的关键。压力过高可能导致膜的损坏，压力过低则无法实现高效的气体分离。

这一预处理过程确保了膜分离系统的稳定性与高效性，为后续的氮气分离打下了良好的基础。

（二）膜分离过程

经过预处理的混合气体进入膜分离组件。膜组件通常由大量中空纤维膜或平板膜构成，其中中空纤维膜由于其结构特点，广泛应用于膜分离技术中。气体在膜纤维的外侧流动，膜内外存在一定的压差，这一压差推动气体分子开始渗透膜壁。

• 气体溶解：空气中的氧气、水蒸气等小分子气体在膜材料表面具有较高的溶解度，因此，它们优先溶解到膜的高分子链段之间。
• 扩散过程：溶解在膜材料中的气体分子在浓度差的驱动下，沿膜的厚度方向扩散至膜的另一侧。由于膜对不同气体分子的选择性透过性，渗透速率较快的气体（如氧气）会优先通过膜壁进入膜的渗透侧，而氮气则会在非渗透侧得到富集。

随着气体在膜组件中的流动，氮气的纯度逐渐提高，最终得到符合需求的氮气产品。

（三）产品气收集与尾气处理

• 氮气收集：在膜的非渗透侧，富集的氮气作为产品气被收集。产品氮气的纯度可以通过调节操作参数（如进气流量、压力、膜组件的级数等）来精确控制。通过多级膜分离，可以进一步提高氮气的纯度，满足不同工业应用的需求。
• 尾气排放与处理：渗透侧的气体主要由渗透速率快的气体（如氧气和水蒸气）组成，通常作为尾气排出。尾气的处理可以根据成分和含量进行进一步的处理，包括回收其中有价值的气体成分，或通过燃烧等方法进行无害化处理。

膜分离氮气技术通过合理的气体预处理、膜分离和尾气处理过程，实现了高效的氮气提取。

三、膜分离氮气技术的关键优势

（一）精准的纯度调控与节能效益

膜分离氮气技术允许用户依据具体的生产工艺与应用需求，在 95% – 99.9% 的宽纯度范围内对氮气纯度进行精准设定。由于氮气纯度的提升与压缩空气的消耗量呈正相关，过高的纯度设定会显著增加能耗与运行成本。因此，通过合理设置氮气纯度，用户能够在满足生产需求的同时，有效优化能耗，降低生产成本，实现能源的高效利用 。

（二）可持续性与环保优势

企业采用膜分离氮气技术实现现场制氮，避免了传统外购氮气模式下因长距离运输所产生的大量温室气体排放。此外，若将膜分离制氮系统与可再生能源发电设施相结合，如太阳能、风能发电等，可构建起一套绿色、低碳的制氮体系，助力企业实现制氮过程的零碳排放，推动工业生产向可持续发展模式转型 。

（三）稳定的产品质量

膜分离氮气技术凭借其稳定的分离过程与先进的膜材料性能，能够为用户提供纯度高度稳定的氮气产品。这种稳定的氮气供应对于那些对生产环境要求严苛、产品质量控制精度高的行业，如电子芯片制造、高端食品加工等，具有至关重要的意义，能够有效保障生产过程的连续性与产品质量的一致性 。

（四）低维护需求与长使用寿命

膜片制氮机的结构设计相对简洁，其核心的膜分离过程为恒流操作，无需复杂的运动部件。这一特性使得设备在运行过程中具有较低的机械故障率，极大地减少了设备的维护频次与维护成本。此外，由于膜材料具有良好的化学稳定性与机械耐久性，在合理的操作条件下，膜组件能够保持长期稳定的性能，有效延长了设备的整体使用寿命 。

（五）紧凑的设备结构与空间优势

膜片制氮机采用模块化、集成化的设计理念，设备整体结构紧凑，占地面积小。同时，设备运行过程中产生的噪音极低，可直接安装于生产车间内部，无需额外的隔音与防护设施，为企业节省了宝贵的生产空间，提高了空间利用率 。

（六）便捷的操作与灵活的扩展性

膜片制氮机的启动与调试过程简单快捷，操作人员经过短时间的培训即可熟练掌握设备的操作流程。此外，该设备采用模块化设计，用户可根据生产规模的变化与需求的增长，灵活增加或扩展膜组件数量，实现制氮能力的逐步提升，具有良好的设备扩展性与适应性 。

四、膜分离氮气技术的应用

（一）食品工业

在食品储存与保鲜领域，膜分离氮气技术被广泛应用于气调包装工艺。通过在包装内充入高纯度氮气，置换出氧气与水分，营造出低氧、干燥的环境，有效抑制了微生物的生长与食品的氧化变质过程，显著延长了食品的保质期与货架期 。

（二）塑料工业

在塑料注塑成型过程中，氮气常被用作辅助气体。将高纯度氮气注入模具型腔，能够在塑料制品内部形成均匀的气孔结构，不仅有助于提高塑料制品的成型质量与尺寸精度，还能降低产品的残余应力，减少产品变形与缺陷的产生 。

（三）消防安全领域

在一些易燃易爆场所，如化工仓库、油库等，膜分离氮气技术可用于惰化空气环境。通过向封闭空间内持续充入高纯度氮气，降低空间内氧气含量，使其低于可燃物质的燃烧极限，从而有效预防火灾与爆炸事故的发生，保障人员与财产安全 。

（四）石油化工领域

• 油田开采： 在油田开采过程中，膜分离氮气技术发挥着重要作用，尤其在油田开发后期，油层压力逐渐降低时，氮气驱油技术能有效提高原油采收率。通过膜分离设备制取的高纯度氮气被注入油层，维持油层压力并改善油水流动比，使原油更容易开采。在低渗透油田中，这一技术显著提高了原油产量，支持了高效开发。
• 海上平台石油或天然气生产： 在复杂且高风险的海上作业环境中，膜分离氮气技术有广泛应用。它与陆地油田类似，能提高海上油田的采收率；同时，在天然气生产中，常用于管道吹扫和置换。充入高纯度氮气能有效置换管道内的空气和杂质，避免因空气混合引发爆炸等危险。膜分离氮气技术还可用于海上平台的易燃易爆区域，如原油储存区和天然气处理区，通过惰化空气环境，降低氧气含量，确保平台的安全生产。

五、选择膜片制氮机还是PSA制氮机

PSA制氮机通常会降低空气因数，因此运行成本也较低，这可能看起来是一些首先有吸引力的选择。然而，膜片制氮机也具有独特的优势。，膜片制氮机的工作原理较为简单，这有助于降低维护成本并节省设备占地空间。此外，膜片制氮机的启动速度较快，运行时噪音较低，相比之下，PSA制氮机在每个气体循环结束时可能会产生较大的放空噪音，这使得膜片制氮机在人员像素的工作环境中更多因此，选择合适的制氮机类型时，需根据具体的使用需求，综合考虑各自的优缺点，做出理性的决策。

	膜片	PSA
可实现的纯度	效率达99.9%	效率达99.9999%
效率	高	更高
性能与温度	高温下更高*	高温下较低
系统复杂性	低	中
保养强度	非常低	低
压力稳定性	稳定	进气/出气波动
流量稳定性	稳定	进气/出气波动
起动速度	秒	分钟/小时**
对水(蒸气)的敏感性	不得有液态水	PDP高达8C(一般)
对油的敏感性	不允许有油(<0.01mg/m³)	不允许有油(<0.01mg/m³）
噪声水平	非常低	高(放空峰值)
重量	低	中
注：膜片制氮机和PSA 制氮机对比表。*取决于使用的膜片类型**取决于所需的纯度和设置时间

六、总结

膜分离氮气技术在节能降耗、环保可持续、产品质量稳定、设备维护简便等方面的卓越性能，为现代工业的发展提供了有力的技术支持。

MINNUO作为一家专业的气体设备生产商，拥有30余年从业经验，如果您有任何需求，欢迎前来咨询！