低温空气分离装置的工作原理
低温空气分离装置是通过将大气冷却至低温并蒸馏液态组分，将其分离成氧气、氮气和氩气的设备。在典型的低温工艺中，压缩净化后的空气通过热交换器和膨胀涡轮机冷却直至液化。然后利用高塔中的分馏，通过不同的沸点（氮气 -196°C，氩气 -186°C，氧气 -183°C）将每种气体分离。
- 空气压缩： 大气中的空气被吸入并压缩（通常压缩至 5-8 巴），以便进行制冷。
- 净化：压缩空气经过干燥和洗涤，去除二氧化碳和碳氢化合物，以防止在低温设备中结冰。
- 低温冷却：利用热交换器和涡轮膨胀机将洁净的加压空气冷却到非常低的温度（接近 -185°C），使主要成分液化。
- 分馏：冷液态空气进入蒸馏塔。由于各组分沸点不同，氮气蒸气上升到塔顶，液氧（含少量氩气）则聚集在塔底。一部分侧流被抽出，送至另一塔中萃取氩气。
- 产品收集： 提取高纯度气态氮和氧（以及液氩，如果产生的话）。氧气和氩气通常以液态（液氧、液氩）的形式收集在绝缘罐中，而气态产品则以中等压力（约 1-3 巴）供应。
图：低温空气分离装置（ASU）的简化流程图，该装置包含换热器、涡轮机和蒸馏塔，可分别生产氧气、氮气和氩气。低温空气分离装置的规模可以非常庞大。现代装置从试验规模的发生器到日产数千吨氧气的多系列装置不等。虽然制冷需要大量电力（通常每吨氧气需要几百千瓦时），但大型ASU可以连续运行（正常运行时间通常超过99%），并且规模化生产时效率很高，因此是批量气体供应的首选技术。
氧气、氮气和氩气的生产
低温空气分离装置可生产超纯气体。典型的产品纯度，氧气可达 99% 以上，氮气可达 99.9% 以上，氩气在最终提纯前可回收至 98% 至 99% 的纯度。具体而言：
- 氧气 (O₂)：空分装置 (ASU) 可提供纯度≥99.5%的气态氧气；通过额外的精馏可获得更高纯度 (≥99.9%)。一部分氧气通常会被液化（沸点-183°C）为液氧 (LOX)，以便储存或运输。
- 氮气 (N₂)：氮气纯度可超过 99.9%。大型工厂通常在 -196°C 下生产液氮 (LIN)，并根据需要将其加热至高纯度氮气。高纯度氮气广泛用于惰性气氛、工艺保护和低温冷却。
- 氩气 (Ar)：氩气（约占空气的 0.9%）通过侧塔抽取。粗液氩（约含 98% Ar 和 2% O₂）经催化或进一步蒸馏提纯至纯度 >99.9% 的氩气。最终产品以液氩 (LAR) 的形式储存在 -186°C 的低温环境中。只有低温空分装置 (ASU) 才能实现工业规模的氩气生产；吸附或膜分离系统无法回收这种惰性气体。
以下是低温空分装置典型输出的概要：
| 产品 | 典型纯度 | 产品形式 | 常见用途 |
|---|---|---|---|
| 氧 | ≥99.5%（气体），最高可达99.9% | 气态或液态（液氧） | 炼钢（富氧燃烧器、转炉）、化学氧化（环氧乙烷等）、废水处理 |
| 氮 | ≥99.9% | 气态或液态（LIN） | 惰性气体（食品/石油化工）、金属加工（切割、覆盖）、半导体制造（吹扫） |
| 氩气 | ~99.9% | 液态（LAR），然后是气态 | 金属吹扫（铝、钛）、焊接、电子和玻璃制造 |
容量和压力范围
低温空气分离装置 (ASU) 的规模适应性很强，但大产能时经济效益最佳。现代 ASU 的规模从小型现场发生器（日产氧气约 10-100 吨）到日产数千吨氧气的多系列装置不等。例如，行业领先的 ASU 日产氧气量可达 100-5,000 吨。关键运行参数包括：
- 空气压缩：进料空气通常在冷却前被压缩至 5–10 bar(g) 范围内。一些设计采用多级压缩机和膨胀机进行中间冷却并产生制冷。
- 塔压：蒸馏塔内部通常以几巴（通常为 2-5 巴）的压力运行；这样既能满足制冷需求，又能实现高效分离。一些空分装置采用中压塔来提高能源效率。
- 产品输送：最终气体产品以中等压力（≈1-3巴）输送至管道或用户。液体（液氧、液氮、液铝酸）在接近大气压的真空绝热罐中储存。
- 能源消耗：低温分离是一种高能耗工艺。典型的能耗范围为每吨氧气200-300千瓦时，具体数值取决于设备规模、纯度要求和产品组合。大型工厂可受益于规模经济和先进的换热器设计，从而最大限度地降低能耗。
与VPSA和膜系统的比较
低温空气分离装置在空气分离技术中可提供最高的纯度和处理能力，但对于规模较小或需要灵活处理的情况，也有其他替代方案。非低温方法，例如变压吸附 (PSA)、真空变压吸附 (VPSA) 和聚合物膜分离，可在环境温度或接近环境温度下运行。例如，PSA 制氧机通常可产生纯度约为 90-95% 的氧气和纯度高达约 99% 的氮气；VPSA 可通过真空解吸将氧气纯度提高到约 93-97%。然而，PSA/VPSA 装置只能产生气态氧气和氮气（不产生液化产品），无法产生氩气或液态产品。聚合物膜分离装置可选择性地产生氮气（纯度约为 90-95%），但无法实现高纯度氧气，因此仅适用于小规模氮气生产。
| 特征 | 低温空气单元 | VPSA (Vacuum PSA) | 膜分离 |
|---|---|---|---|
| 氧气纯度 | >99.5%（液态氧含量可能为99.5%） | ~93–97% (gas) | <40%（O₂ 作为副产物） |
| 氮气纯度 | >99.9%（可能使用液氮） | ~99% | 约90-95%（主要产出） |
| 氩气 | Yes (liquid Ar) | No | No |
| 容量（O₂） | 约100–5000吨/天 | ~5–200 tpd | N₂ only, <50 tpd |
| 产品压力 | ~1–3巴（气体） | 约1-5巴（使用真空） | 进料压力约为 3–8 巴 |
| 资本支出和占地面积 | 高大的植物 | 缓和 | 低（紧凑型模块） |
低温空气分离装置在需要连续、大批量供应的场合（例如钢铁厂、石化联合企业）表现出色。VPSA/PSA 和膜分离系统则适用于规模较小或需要灵活性的场合：它们通常具有较低的初始投资成本、更小的占地面积和更快的启动速度，但其纯度和产能存在一定的局限性。实际上，工程师通常会选择低温装置来实现高通量、全天候运行，而吸附或膜分离装置则用于满足较小规模或备用需求。
工业应用
低温空气分离装置满足许多工业气体需求：
- 冶金：钢铁厂依靠低温空气分离装置（ASU）在转炉（BOF）和电弧炉（EAF）中产生的氧气来促进燃烧和精炼钢材。ASU产生的氮气和氩气用作铸造或退火等工艺中的惰性气体，而氩气对于铝和钛的生产至关重要。
- 化学合成：大型炼油厂和化工厂使用O₂进行氧化工艺（例如烯烃、苯酚、苯乙烯的生产），使用N₂进行氨/甲醇合成（哈伯-博世法）以及用作吹扫/惰性气体。低温空分装置能够满足这些工厂的大量连续需求，并达到所需的纯度。
- 液化天然气与能源：液化天然气 (LNG) 工厂利用空分装置 (ASU) 产生的高纯度氮气作为液化循环的制冷剂，并用于储罐/管道惰性气体保护。一些一体化 LNG/再气化厂还会在空分装置和液化装置之间循环利用冷能。在发电和垃圾发电领域，空分装置产生的氧气用于富氧燃烧，以提高效率并减少烟气量。
结论
低温空气分离装置仍然是大型工业气体供应的主力军。它们利用低温制冷和蒸馏技术，以无与伦比的纯度和产量将空气分离成氧气、氮气和氩气。其生产液态产品（液氧、液氮、液氩）的能力，为储存和运输提供了更大的灵活性。虽然变压吸附 (PSA) 和膜分离系统等替代方案适用于规模较小或需求波动较大的场景，但只有低温空气分离装置才能高效满足钢铁厂、石化厂、液化天然气 (LNG) 设施和其他重工业的基本需求。
