有关空气分离技术的一般概述，请参阅背景文章 空气分离（维基百科）。深冷空气分离工艺 是生产大量高纯度氧气、氮气和氩气的标准方法。在钢铁厂、炼油厂、玻璃熔炉和气化装置等规模下，其他技术在纯度、产能和长期运行成本方面都难以与之匹敌。
在典型的工厂中，环境空气首先被压缩、净化、冷却至深冷温度，然后在不同压力下运行的精馏塔中实现分离。这个过程在框图上看起来可能很简单，但精馏塔设计、热集成以及控制系统的具体细节，对能耗和可靠性有着显著影响。对于科研人员和工厂工程师而言，正是这些细节才是优化工作的真正价值所在。
现代低温空气分离工艺流程
大多数设计遵循相似的整体流程图，尽管设备选型和集成细节会因项目而异。其简化的工艺流程可概括如下：
环境空气
│
空气进气过滤器
│
主空气压缩机
│
空气预处理装置
（去除 H₂O / CO₂ / 烃类）
│
主换热器
（冷却至深冷温度）
│
┌──────────────┐
│ 冷箱 │
│ │
│ 高压塔（HP） │
│ 低压塔（LP） │
│ （氩精馏塔） │
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│ │ │
O₂ N₂ Ar
│ │ │
产品气升温
│
气态 / 液态产品处理
简而言之，主要步骤如下：
- 进气和压缩 – 该装置吸入环境空气，去除灰尘，并将其压缩至高压塔的工作压力。
- 净化 – 为避免冷端结冰并降低安全风险，需去除水分、<a href="http://当工艺建模需要详细的热物理数据时，许多工程师会依赖 NIST 流体系统热物性数据库（适用于氧气、氮气和氩气）" target="_self">二氧化碳及大多数碳氢化合物。
- 冷却和液化 – 洁净空气在板翅式换热器中与冷产品和废料流进行冷却；部分气流在涡轮机中膨胀以产生制冷。
- 精馏塔内的精馏过程 – 分离过程依次在高压塔、低压塔以及在需要时的氩精馏塔中进行。
- 产品处理 – 氧气、氮气和氩气根据客户用气需求，可作为气态、液态或气液混合形式提取，并根据需要进行加温或储存。
无论该工厂是独立的空分装置还是大型综合设施的一部分，都采用相同的基本结构。
主要工艺步骤和关键设备
空气压缩和预处理
主空气压缩机设定整个系统的压力水平。大型机组通常采用带中间冷却的多级离心式压缩机，而较小或压力较高的应用则可能使用往复式压缩机。各级之间的中间冷却器可降低排气温度，减少功率需求并保护下游吸附器。
预处理通常采用填充氧化铝和分子筛的双床吸附装置。一个吸附床用于干燥空气并去除二氧化碳，而另一个吸附床则用热干燥气体进行再生。出口露点保持在较低水平（通常低于−60 °C），二氧化碳泄漏量接近于零，从而使冷箱能够长时间运行而不会出现冻结问题。
冷却、热交换和制冷
在冷箱中，钎焊铝板翅式换热器将净化后的空气冷却至接近露点。冷侧由产品氧气、产品氮气、粗氩气和从塔返回的废氮气流组成。换热器的布局必须平衡温差、压降和流量分布；分布不均会导致局部过热、过冷或部分结冰。
制冷由膨胀式涡轮机提供，该涡轮机处理一部分压缩空气。离开涡轮机的气体以较低的压力和温度返回冷箱，为系统的其余部分提供冷却。涡轮机的尺寸和控制对于调节能力和整体效率至关重要。
高压和低压塔中的蒸馏
高压塔的运行压力约为 5–6 bar(a)。进料空气从塔身中部附近进入，精馏作用在塔底产生富氧液体，在塔顶产生富氮蒸汽。塔顶的氮气在冷凝器-再沸器中冷凝，为低压塔提供汽化液。
低压塔在接近大气压的条件下运行。来自高压塔的富氧液体与回流液一起，在塔底分离出高纯氧气，在塔顶分离出高纯氮气。填料或塔盘的选择取决于处理能力、纯度目标和压降限制。
当需要回收氩气时，将来自低压塔氧氩浓度区的侧流送入氩气塔。根据工艺流程和下游提纯工艺，该塔可提供粗氩气或高纯氩气。
产品升温、储存和备用
产品以低温状态离开塔器，并在主换热器中加热至接近环境温度，以进行气态供应。液氧、液氮和液氩储存在隔热储罐中，作为备用气体并平衡波动需求。许多工厂采用连续气态供应和间歇性液态销售相结合的模式运行。
对于任何设计或排除低温空气分离工艺故障的人来说，这些产品流量决定了内部热平衡，并影响操作压力和塔负荷的选择。
典型工作参数
虽然每个项目都有自己的规格，但表 1 给出了中型工厂生产气态氧和氮以及一些液态产品的指示值。
表1 – 低温空气分离过程的典型操作参数
| 范围 | 典型范围 |
|---|---|
| 空气压缩机排气压力 | 5.5–7.0 bar(a) |
| 高压塔操作压力 | 5.0–5.5 bar(a) |
| 低压塔操作压力 | 1.2–1.3 bar(a) |
| 冷箱送风温度 | 室温至 10 °C |
| 冷端温差（主换热器） | 2–3 K |
| 气态氧产品纯度 | 95–99.8 vol% |
| 气态氮产品纯度 | 99.9–99.999 vol% |
| 纯化前的粗氩纯度 | 92–96 vol% Ar |
| 比功率（基于 O₂ 产物） | 0.28–0.35 kWh/Nm³ O₂ |
这些数值会随着工厂规模、产品组合、环境条件和所选工艺流程而变化。单塔、双塔、高压和集成循环设计都会使最佳值略有偏移。
能源利用和单位功率
在比较不同的低温空气分离工艺时，能耗是一个核心指标。大部分能量用于空气压缩；其余能量则分配给制冷、泵、辅助设备和损耗。
在早期设计工作中，通常使用比功率，以每标准立方米氧气所需的千瓦时 (kWh) 表示。表 2 显示了比功率随工厂规模变化的趋势：
表 2 – 比功率与氧气容量示例（示例性）
| 气态氧气容量（Nm³/h） | 典型比功率（kWh/Nm³ O₂） |
|---|---|
| 3,000–5,000 | 0.34–0.36 |
| 10,000–20,000 | 0.30–0.33 |
| 30,000–50,000 | 0.28–0.31 |
大型机组通常受益于规模经济：更大更高效的压缩机和涡轮机、更优化的塔架尺寸以及更优的有效负荷与固定损失比。一旦确定了大致的比功率值，就可以利用更详细的仿真、热量和质量平衡计算以及供应商数据来改进设计。
控制、安全和集成
从控制角度来看，低温空气分离过程是一个紧密耦合的系统。塔压、液位、主换热器温度分布和汽轮机负荷等因素相互影响。现代工厂依靠分布式控制系统，结合PID回路和更高级别的逻辑来管理启动、停机和负荷变化。
安全问题主要围绕以下几个关键主题展开：
- 避免在冷段中积聚烃类物质。
- 控制密闭空间内的富氧环境。
- 为异常压力情况提供适当的泄压途径。
- 在低温高氧环境下保持仪器的可靠性。
与下游单元的集成日益成为设计概要的一部分。例如，当空分装置与燃气轮机联合循环电厂耦合时，空气抽取和氮气再注入可以提高整体效率。在富氧燃烧或气化项目中，需要精心协调负荷跟踪行为，以确保燃气用户和空分装置均在安全运行范围内。
展望与研究方向
尽管基本流程图已沿用数十年，但低温空气分离工艺的设计和运行仍有改进空间。研究课题包括：
- 在高负荷率下更好地预测和控制柱体流体动力学。
- 采用新型填料几何形状，既能节省塔高，又能保持较低的压降。
- 将第一性原理模型与工厂数据相结合的数字孪生技术，用于实时优化。
- 与低碳能源融合，包括制定灵活运营策略以应对可变电价。
鉴于能源转型项目、冶金工艺及先进制造领域对氧气、氮气和氩气的持续需求，深冷空气分离工艺将继续作为核心技术存在。对于从事该领域的工程师与科研人员而言，清晰掌握工艺流程、关键参数及设备间的相互作用，是开展任何深入优化或创新工作的基础起点。
