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测试了氧气、氮气以及空气在添加剂存在条件下的水合物相平衡条件。基于氧气和氮气形成水合物时温度和压力条件不同,提出了利用空气形成水合物进行氧气富集的方法。研究了空气以及富氧空气在形成水合过程中,氧气在水合物相中的富集规律。利用Aspen Plus11.1软件建立了水合物法空气富集氧气工艺流程,模拟计算了多工况下制取富氧产品能耗倍率(SER),指出了水合物法空气富集氧气技术降低能耗的方向和措施。测试了氧气、氮气以及空气在添加剂存在条件下的Lw(液态水)-H(水合物)-V(气)三相平衡条件。采用高压反应釜,利用定容定温压力搜索法测试了氧气+十二烷基硫酸钠(SDS)+水体系,得到相平衡的温度和压力范围分别是276.4 K~284.2 K和17.39 MPa~41.99 MPa;采用低压反应釜,利用定容连续升温压力温度搜索法测试了空气+环戊烷(CP)+水体系,得到相平衡的温度和压力范围分别是284.0 K~296.2 K和1.09 MPa~9.45 MPa;采用低压反应釜,利用定容分步升温压力温度搜索法测试了氧气+四氢呋喃(THF)+水体系、氮气+THF+水体系、空气+THF+水体系以及空气+四丁基溴化铵(TBAB)+水体系,得到相平衡的温度和压力范围分别是279.7K~299.4 K和0.46 MPa~16.68 MPa。实验结果表明,对于引入的四种添加剂,SDS对氧气水合物的相平衡条件几乎没有影响,而THF、CP和TBAB都能使气体水合物的相平衡条件向高温低压区域偏移,但是三种添加剂的作用强弱不同。对于空气水合物而言,当体系的压力小于1.50 MPa时,其作用从强到弱分别是TBAB、CP和THF;当体系压力在1.50 MPa和2.50 MPa之间时,次序为CP、TBAB和THF;当体系压力大于2.50MPa时,其次序为CP、THF和TBAB。研究了在THF和SDS协同作用下,空气形成水合物时水合物相中氧气浓度随时间变化规律。THF的摩尔浓度为x=0.0556,SDS的质量浓度为w=0.00025,水合物生成过程中每10 min实时采集反应釜中残余气,利用气相色谱分析其组成,通过质量守恒计算出相应时刻水合物相中氧气的摩尔浓度。体系初始压力在3.12MPa~6.98 MPa范围时,实验结果表明,氧气在水合物相中富集的浓度随水合时间变化规律基本相同,即在水合物生成的初期处于一个较大的值,然后逐渐减小达到一个最小值,之后随着水合过程的进行又开始增大,最终达到某一值后不再发生变化。对于初始压力为3.12 MPa和4.52MPa的两个体系,采用9.7℃的相同初始过冷度,水合过程结束后,前者的氧气的富集浓度和回收率分别是23.5 mol%和51.2 mol%,后者的分别是25.5 mol%和41.4 mol%。这说明较高的初始压力有利于提高氧气的富集浓度,而较低的初始压力有利于提高氧气的回收率。研究了氧气浓度为38.9 mol%的富氧空气通过水合物法进一步富集氧气的规律。第一种方案引入THF,采用体积可变的反应釜,将水合过程的压力控制在一个较小的变化范围内。结果表明,较低的水合压力有利于提高水合物相的氧气浓度,但是会导致氧气回收率不高。水合过程压力控制在3.00 MPa~3.50 MPa范围时,氧气富集浓度最大为43.2mol%,此时对应的氧气回收率最小,为40.0 mol%;第二种方案是引入水合物动力学促进剂SDS,在27.86 MPa~34.72 MPa的高压条件下富集氧气。结果表明,水合过程氧气浓度和回收率变化规律与第一种方案引入THF时的情况相同,但是氧气富集浓度很低,最大只能达到41.4 mol%。这说明富氧空气采用水合物法富集氧气时,不宜在没有热力学促进剂的高压下进行。利用Aspen Plus11.1软件建立了水合物法空气富集氧气工艺流程。进料空气为15.786 kg·h-1时,计算得到富氧空气产量为5.468 kg·h-1,能耗为5.31 k W·h·(Nm3·O2)-1。如果能采用其它静态水合物生成强化技术替代机械搅拌,采用理论最小循环溶液流量,富氧空气的制取能耗降可低至2.33 k W·h·(Nm3·O2)-1,但产品的能耗倍率SER=403,远远大于传统的空气富集氧气方法。模拟计算了两种优化工艺流程在多工况条件下氧气富集的能耗倍率SER。集成热泵系统的工艺流程,水合物相平衡压力降低至0.11MPa,一次水合氧气浓度达到50 mol%时,其氧气富集的SER与低温精馏法相当。集成余热利用的工艺流程,水合物相平衡压力降低至0.11MPa,一次水合氧气浓度不低于30 mol%时,其氧气富集的SER就能等于或小于低温精馏法。