空气分离装置 (ASU) 是现代石油化工和合成气生产设施的关键部件。ASU 通过低温分离大气中的空气，将其分解为氧气、氮气和氩气，从而为工业过程提供现场高纯度气体。对于大规模气化或裂解作业，现场配备空气分离装置可提供连续可靠的气体供应，无需依赖外部气源。每个 ASU 都必须根据当地条件进行设计：例如，沙漠气候下的空气分离装置需要比温带地区更大的制冷能力。在烃类气化、氧化裂解炉和减排等应用中，大型 ASU 通常可在保持高效能耗的同时，实现超过 99% 的氧气纯度。同时，ASU 产生的氮气可用于反应器和管道的惰性化、汽提和压力控制。
空气分离装置 (ASU) 是现代石油化工和合成气生产设施的关键部件。ASU 通过低温分离大气中的空气，将其分解为氧气、氮气和氩气，从而为工业过程提供现场高纯度气体。对于大规模气化或裂解作业，现场配备空气分离装置可提供连续可靠的气体供应，无需依赖外部气源。每个 ASU 都必须根据当地条件进行设计：例如，沙漠气候下的空气分离装置需要比温带地区更大的制冷能力。在烃类气化、氧化裂解炉和减排等应用中，大型 ASU 通常可在保持高效能耗的同时，实现超过 99% 的氧气纯度。同时，ASU 产生的氮气可用于反应器和管道的惰性化、汽提和压力控制。
低温空分装置的工作原理
现代空分装置（ASU）的工作原理是低温分馏空气。典型的空分装置工艺的关键步骤包括：
- 压缩： 在低温冷却之前，将大气空气压缩至 6-10 巴表压以增加压力。
- 净化：压缩空气经过净化，去除水分和二氧化碳，防止在低温设备中结冰，确保产品纯度。
- 低温冷却：净化后的空气在多级热交换器中冷却至低温（约 -180 至 -200°C），通常使用膨胀涡轮或焦耳-汤姆逊阀来提供制冷。
- 蒸馏：在低温蒸馏塔中，空气按沸点分离。氮气（沸点 -196°C）和氧气（沸点 -183°C）形成不同的液相和气相。液氧从一个塔中抽出，而气态氮气从另一个塔的顶部排出。如果需要高纯度氩气，氩气（沸点 -186°C）可以在中间塔中抽出。
- 产品提取：在特定压力下收集高纯度气态氧和氮（以及液态氧/氮，如有）。化学应用中氧气的纯度通常为 99.5% 至 99.9%。然后将出口气流压缩或膨胀至所需的输送压力。
该低温空气分离装置循环可确保工业气体的持续供应。例如，空气分离装置的管道和低温容器均采用厚重的隔热材料，以最大限度地减少热量进入并保持工艺效率。设计必须根据每个工厂的需求，平衡流量、纯度规格和能源消耗。空气分离装置的整体效率与其隔热、膨胀控制和能量回收系统密切相关。
空分装置在石油化工和合成气工厂中的应用
空气分离装置在石油化工和合成气设施中发挥着多种关键作用。
- 合成气生产：在煤、生物质或重质液体原料气化过程中，空分装置 (ASU) 提供的纯氧驱动部分氧化反应，生成高品质合成气（CO 和 H₂ 的混合物）。氧气纯度（通常 >95%）对于最大化合成气热值和最小化氮气稀释至关重要。在合成气净化装置中，氧气强化燃烧也能提高反应效率。在这些系统中，空分装置必须设计成具有稳定的负荷响应和高氧气回收率。
- 重整和裂解： 蒸汽甲烷重整装置和乙烯裂解装置通常使用由空分装置 (ASU) 提供的富氧燃烧器。通过用氧气或富氧空气代替空气，可以提高火焰温度和炉膛效率，从而减少烟气量并提高处理量。同时，来自空分装置的氮气可用于反应器惰化、吹扫循环以及下游设备的冷却，从而改善工艺控制和安全性。
- 反应器和管道惰性化：反应器、储罐和管道需要氮气保护，以防止产生不必要的氧化或爆炸性混合物。现场空分装置 (ASU) 可为炼油厂和化工厂的惰性化和汽提应用提供高纯度氮气流（通常纯度 >99.9%）。空分装置 的可靠性直接影响工厂安全和启动规程。
- 特种气体生产：除了氧气和氮气外，空分装置还可以同时生产氩气作为副产品。高纯度氩气（99.999%或更高）在电子制造、特种化学工艺和金属生产中具有重要价值，这些领域通常与石油化工联合企业相关。
- 热交换和冷却： 空分装置低温工艺产生的冷能可用于工艺制冷或气体流预冷，从而提高整个装置的效率。在某些情况下，空分装置产生的膨胀废气可驱动压缩机或为装置提供机械动力。
总而言之，空气分离装置能够有效地将环境空气转化为定制的工业气体混合物。石油化工和合成气工厂都依赖于这种多功能性：氧气用于高温反应，氮气用于惰性气体保护和公用设施供应。
关键设计和性能参数
在这些应用中，空分装置的重要参数包括生产率、纯度和能耗。关键的设计和性能指标包括：
- 生产能力：大型化工厂通常每天需要数百吨氧气。典型的大型低温空分装置每天可生产约 300 至 800 吨气态氧气，以满足合成气或富氧燃烧的需求。氮气的联产量可能更大（通常是氧气质量的 2 至 4 倍），具体取决于需求。空分装置的产能选择应与工厂的最大工艺需求相匹配。
- 产品纯度：低温空分装置可提供极高的纯度。用于石油化工的氧气纯度通常超过 99.5%，确保氮气残留量极低。对于关键的惰性气体处理任务，氮气纯度可高达 99.9%。对于超高纯度需求，氩气（如果回收）纯度可达 99.999%。纯度水平由塔压和回流比设置控制。
- 压力等级：空分装置 (ASU) 产品以压力形式交付。典型设计压力范围约为 5 巴至 30 巴（表压），具体取决于下游要求。低温塔内部在接近环境压力（通常为 1-3 巴绝对压力）下运行；最终产品压力通过压缩机或膨胀机达到。更高的产品压力可减少装置中外部再压缩的需求。
- 能耗： 一个关键指标是单位能耗（每吨氧气消耗的千瓦时数）。大型工厂的现代化空分装置通常消耗每吨氧气 400–600 千瓦时的能耗。 这包括空气压缩和制冷所需的能量。高效设计（多级压缩、膨胀涡轮、热集成）旨在最大限度地降低单位输出的能耗。例如，升级现有工厂的空分装置可以通过改进制冷循环来显著降低能耗。
- 空气与氧气比例：由于环境空气中氧气含量约为 21%，因此大约需要 4.5–5.0 标准立方米 (Nm³) 的空气才能产生 1 Nm³ 的氧气（假设氧气回收率约为 90%）。这凸显了空分装置 (ASU) 系统中对大型空气压缩机的需求。
- 制冷负荷：低温分离需要大量的冷却。许多空分装置会利用涡轮膨胀机对一部分产品气体（通常富含氮气）进行膨胀，以满足制冷负荷。压缩和膨胀负荷之间的平衡会影响整体效率。
- 工厂集成：空分装置通常与工厂公用工程集成。例如，一些工厂使用中压氧气流作为进料，或与相邻工艺共享制冷负荷。在许多大型工厂中，空分装置与过程控制系统集成，以便根据需求调整产量。靠近主要氧气用户（例如熔炉）可以最大限度地缩短管道长度并降低压降，从而减少对额外压缩的需求。
下表汇总了石油化工和合成气应用中典型的空分装置性能参数：
| 范围 | 典型范围/值 | 单位 | 备注 |
|---|---|---|---|
| 氧气生产能力 | 300 – 800 | 吨/天（t/d） | 气态氧气输出，大型空分装置范围 |
| 氮肥生产能力 | 500 – 1500 | 吨/天（t/d） | 伴随产生的气态氮（因设计而异） |
| 氧气纯度 | 99.5 – 99.8 | % | 用于燃烧/气化的高纯度氧气 |
| 氮气纯度 | 99.0 – 99.9 | % | 用于惰性化/覆盖的高纯度氮气 |
| 氩纯度（如果回收） | 99.9 – 99.999 | % | 可根据特殊用途选择联合生产 |
| 工作压力（产品） | 5 – 30 | 条形（规格） | 设计输出压力（因工厂而异） |
| 单位能耗 | 400 – 600 | 千瓦时/吨氧气 | 每吨氧气所需电力 |
效率趋势和先进技术
空气分离装置不断发展，以提高效率和灵活性。例如，升级现有工厂的空气分离装置可以显著降低能耗。现代工厂采用高效涡轮膨胀机和优化的热交换器网络来降低电力负荷。先进的控制系统可以实时调节流量，从而在产量低于最大值时最大限度地减少能源消耗。
新兴技术也致力于小型化或模块化氧气供应。膜分离和陶瓷离子传输膜技术正在研发中，旨在以更低的资本成本为中等规模的气化或化工厂提供氧气。虽然此类系统以牺牲部分纯度和回收率为代价来简化操作，但它们目前仍无法与大型低温空分装置的高纯度和高处理量相媲美。变压吸附（PSA）或变真空吸附（VPSA）装置可以为特定应用提供纯度为90-95%的氧气或氮气，但这些装置的流量通常较低。
可持续性和一体化是关键趋势。新建的空分装置项目通常与余热回收或可再生能源相结合。例如，将空分装置与热电联产装置集成，可以利用多余的蒸汽或电力。此外，富氧工艺会产生高浓度的二氧化碳流，使碳捕集更具可行性。因此，高效的空分装置能够提升石化和合成气工厂的环境和经济效益。
结论
在大型石化和合成气工厂中，低温空气分离装置（ASU）是气体供应的核心。它将环境空气转化为高纯度的氧气和氮气，以满足工艺需求。ASU的关键性能参数，例如氧气产量、产品纯度和能耗，都经过精心设计，以优化工厂效率和产品质量。典型的现代ASU可实现超过99%的氧气纯度，每吨氧气的能耗约为400-600千瓦时。ASU技术的不断进步使全球各地的化工设施——从中东的炼油厂到亚洲的气转液工厂——能够更高效、更安全、更可持续地运行。在全球市场中，选择合适的空气分离装置解决方案对于满足不断增长的需求至关重要。 现代空气分离装置 (ASU) 的设计也旨在支持可持续发展目标，例如，通过纯氧燃烧工艺实现更高效的碳捕获。因此，高效的空气分离装置可直接促进运营可持续性和成本节约。
