低温空气分离装置（ASU）是一种大型工业设施，它通过将空气冷却至低温并利用分馏技术，将大气中的空气分离成其主要成分——氧气、氮气以及通常情况下的氩气。其核心原理很简单：首先对空气进行压缩和净化，然后冷却直至液化，最后根据各成分沸点的差异，在蒸馏塔中进行分离。实际上，现代低温空气分离装置采用高度集成的热交换器、涡轮膨胀机和多塔配置（高压塔和低压塔），以高效生产高纯度气体。钢铁、化工、能源和医疗保健等众多工业领域都依赖这些空气分离装置来获取大量气体。本文回顾了低温分离的基本原理、典型装置设计和运行、产品规格以及数字控制、能量回收和模块化等最新创新。在现代工业中，低温空气分离装置对于大规模供应高纯度、稳定输出的氧气和氮气至关重要。
低温空气分离原理
大气中大约含有78%的氮气、21%的氧气和0.9%的氩气，以及微量的惰性气体。在低温分离中，压缩和净化后的空气被冷却直至液化。由于氧气和氮气的沸点差异显著（在1个大气压下，氧气的沸点为-183°C，氮气的沸点为-196°C），因此需要精确控制冷却和沸腾过程才能将这两种气体分离。该过程在一系列位于隔热冷箱内的蒸馏塔中进行。通常，该装置采用双塔结构：一个高压塔和一个低压塔。环境空气（经过压缩和干燥后）进入一个强大的多流换热器（通常为板翅式），在那里与低温产品流进行冷却。一部分冷却后的空气液化；氧气在液流中富集，而富氮蒸汽则进入蒸馏塔。
在高压塔（工作压力约为5-6巴）内，液态空气部分沸腾：大部分氮气汽化并上升到塔顶，而富氧液体则积聚在塔底。高压塔通常使用膨胀机（涡轮膨胀机）进行冷却：部分进入的空气通过涡轮膨胀，提供制冷，有时还驱动压缩机轴。高压塔通常通过与低压塔的再沸器或冷箱换热器进行热交换，将塔顶的温热蒸汽冷凝成液体，从而维持所需的制冷平衡。高压塔的塔顶产品是高纯度氮气（通常以气体形式排放或收集利用），而塔底的富氧液体则被送入低压塔。
低压塔的工作压力约为 1.2–1.4 巴（接近大气压）。在低压塔中，来自高压塔的富氧液体经再沸器加热，再沸器与高压塔的冷凝器进行热交换。这在塔顶产生高纯度氧气蒸气，在塔底产生纯度更高的液体。由于氩气的沸点（-186°C）介于氧气和氮气之间，氩气会聚集在低压塔的中部。在回收氩气的装置中，通常会从低压塔的侧线抽取额外的氩气塔。氩气塔通过自身的回流和再沸作用浓缩和提纯氩气（纯度通常可达 99.9% 以上）。最终得到的气体——气态氧、气态氮以及（如果产生）氩气——被加热至环境温度，并根据需要进行压缩或汽化，然后输送给用户或储存。
总而言之，分离过程遵循以下关键步骤：
- 进气、压缩和冷却：环境空气经过过滤后，在多级压缩机中被压缩（通常压缩至约 5-8 巴）。中冷器去除压缩机产生的热量。
- 净化：压缩空气通过分子筛床，去除水蒸气、二氧化碳和碳氢化合物，这些物质在低温下会冻结并堵塞设备。
- 热交换：干燥的压缩空气进入冷箱的板翅式换热器，并与产品流（液氧、液氮等）进行冷却，直至其液化点（约 -190°C）。
- 初级蒸馏（高压塔）：部分液化的空气进入高压塔顶部。氮气沸腾逸出，以塔顶蒸汽（纯度极高）的形式排出，而富氧液体则向下流动。高压塔的再沸器由低压塔或膨胀机进行冷却，从而实现连续蒸馏。
- 二次蒸馏（低压塔）：来自高压塔的富氧液体进入低压塔，在那里进行再沸腾。低压塔顶部产生高纯度氧气蒸汽；塔底收集极液态氧（用于液氧或其他后续加工）。如果回收了氩气，则从低压塔的中间点抽取到单独的氩气塔。
- 再压缩和输送：气态产品可压缩至管道压力。液化产品（液氧、液氮、液氩）如有需要可进行过冷处理，并送至储罐。
在整个过程中，紧密的热集成至关重要。冷箱内的多流换热器 (MHE) 通常能实现冷端进出流体之间仅 2–4 K 的温差。现代空分装置 (ASU) 通常包含一个或多个膨胀涡轮：空气通过涡轮膨胀产生制冷，并可能产生轴功率来辅助驱动空气压缩机（从而降低净电功率）。
不同的配置使得低温空气分离装置能够满足各种工业应用的产能、纯度和能源目标。
Typical Plant Design and Operating Parameters
大型低温空气分离装置（例如林德、液化空气、梅塞尔等公司提供的装置）的氧气日产量从几百吨到几千吨不等。所有此类装置都采用相同的工程“框图”，但具体设计因供应商而异。关键设计参数和运行范围包括：
- 进料气压：压缩机将空气加压至约 5–8 bar（表压）后再进入冷箱。较高的压力通常能提高分离效率，但会消耗更多压缩能量。（典型的现代空分装置使用约 6 bar。）
- 净化：双层分子筛（沸石）可将空气净化至露点-60°C或更低，确保有效去除CO₂和H₂O。床层再生利用废气。
- 换热器方法：板翅式换热器可实现冷端温差在 2–4 K 左右。紧密夹角可提高效率，但如果夹角过小则有冻结的风险。
- 高压（HP）塔压力：约5-6巴(a)。在此压力下，沸点会升高（氮气沸点可能在-145°C左右，氧气沸点可能在-170°C左右），但具体温度取决于操作条件。
- 低压 (LP) 柱压力： 大约 1.1–1.4 bar(a)。这些接近环境压力的条件使得氮气在柱顶达到其正常沸点（~–196°C）。
- 产品纯度：气态氧的纯度通常为 95%–99.5%+。对于大多数工业用途（冶金、燃烧），90%–98% 的 O₂ 较为常见；许多空分装置 (ASU) 配置为 ≥99.5%，以满足特殊应用（医疗、化工）的需求。氮气的纯度可根据需求从约 99.9% 到超高纯度 (99.9999%) 不等。氩气（如果回收）的纯度通常为 99%–99.99%；超纯氩气（用于电子或照明）可通过额外的塔柱步骤达到 99.999% 或更高。
- 回收率：氧气回收率是指作为产品回收的进料氧气的比例。在高纯氧气装置中，回收率可能在 60% 至 85% 左右（需权衡纯度和能耗）。氮气回收率通常更高（通常为 80% 至 95%），因为氮气过量；大部分氮气以顶部蒸汽的形式排出。氩气塔的氩气回收率可达进料空气中氩气的 80% 至 90%。（如果不使用氩气塔，氩气将随废氮气流排出，此时“回收率”基本为零。）
- 比能耗：低温空分装置能耗较高。现代设计精良的大型装置通常每生产一吨氧气（在中等输送压力下）消耗约200–250 kWh的电能（加上任何发电所需的燃料）。较小或纯度更高的装置每吨氧气消耗的能耗更高。采用高效膨胀机、低温工艺和热回收的先进设计旨在最大限度地降低能耗。
下表列出了一些典型的设计和性能数值示例：
| 范围 | 典型范围/值 |
|---|---|
| 冷箱供气压力 | 5.0 – 8.0 bar(g) |
| 高压柱压力 | ≈ 5.5 – 6.5 bar(g) |
| 低压塔压力 | ≈ 1.1 – 1.4 bar(g) |
| 冷端温差 (ΔT) | 2 – 4 K |
| 气态氧纯度（O₂） | 95.0 – 99.5%（高纯度植物可达 99.5% 以上） |
| 气态氮气纯度（N₂） | 99.9 – 99.999%+ |
| 氩气纯度（回收时） | 96.0 – 99.999% |
| 氧气回收（高纯度模式） | ~60 – 85% of O₂ in feed |
| N₂回收 | ~80 – 95% of N₂ in feed |
| 氩气回收（使用氩气柱） | ~80 – 90% of Ar in feed |
这些数值取决于设计选择。例如，塔压反映了一种权衡：较高的高压塔压（以及相应的高压再沸器温度）会降低压缩机的做功，但会导致高压-低压塔换热器中温差增大。冷端温差（夹点）保持在约2 K以上，以防止痕量杂质在换热器中冻结。现代空分装置通常在塔中使用规整填料，这种填料能够在较低的压降下实现高效的传质。
设备和流程顺序
典型的工业低温空分装置主要包括以下设备：
- 空气压缩机：多级整体齿轮式或涡轮压缩机将环境空气压缩至设计压力（通常采用级间冷却来去除大部分压缩热量）。
- 分子筛吸附器：两个（或多个）平行床层交替去除水、二氧化碳和碳氢化合物。床层通过废氮气或压缩空气进行再生。
- 板翅式换热器 (MHE)：大型铝制板翅式换热器可将净化后的空气冷却至低温，并预热产品流。它们需要坚固耐用的设计，以适应高压和低温环境。
- 涡轮膨胀机：高速膨胀涡轮机提供大部分制冷。一些空分装置包含一个背压缩膨胀机，它利用膨胀机轴驱动部分空气压缩机，从而回收轴功率。
- 高压蒸馏塔： 通常是一个高大的隔热塔（通常放置在冷箱内），内部装有塔盘或填料。它将富氧液体（底部）与富氮蒸汽（顶部）分离。
- 低压蒸馏塔： 在接近环境压力下运行，进一步提纯氧气并浓缩氩气。它通常与高压塔串联工作（它们的冷凝器/再沸器是热连接的）。
- 氩气塔（如有）： 第三根塔用于回收氩气，其进料来自低压塔的中间段。氩气蒸馏需要高回流比（低产品流量）才能达到高纯度。现代装置采用多塔或双效多效设计来提高氩气收率。
- 产品压缩机和过冷器： 对于气体输送，产品压缩机将气体压力提升至管道压力。对于液体产品（液氧、液氮、液铝酸），低温泵和过冷器调节液体压力和温度以进行储存。
- 仪表和控制系统：先进的分布式控制系统 (DCS) 管理数百个控制回路（塔压、流量、温度等）。现代工厂采用模型预测控制 (MPC) 来优化能源利用，并在负荷变化期间保持产品稳定性。
操作流程（概述）： 大气空气被吸入，经过过滤、压缩、干燥（分子筛）后，进入主换热器。在那里，空气被冷却至露点（约-190°C）。由此产生的液-气混合物进入高压塔：富氮蒸汽从塔顶排出，并被排放或出售；富氧液体进入低压塔。低压塔对该液体进行沸腾：气态氧从塔顶排出，液氧（和氩气）则收集在塔底。如果产生氩气，则低压塔的侧线气体进入氩气塔，在那里得到纯化的氩气产品。最终产品气体被加热至环境温度，液体被泵送至储罐。所有这些紧密集成的工艺流程展示了低温空气分离装置如何高效地将大气空气转化为重要的工业气体。
核心空气产品：氧气、氮气和氩气
低温空分装置的主要产品是氧气 (O₂)、氮气 (N₂)，通常还有氩气 (Ar)。它们的规格取决于最终用途：
- 氧气 (O₂)：广泛应用于炼钢、玻璃制造、焊接、医疗和化学氧化等领域。工业氧气的纯度通常为 90%–98%。许多空分装置 (ASU) 的氧气纯度约为 99.5%，应用范围广泛。超高纯度氧气 (> 99.9%) 的制备是可行的，但需要额外的回流和能量。气态氧气通常以接近大气压至 10 巴（现场压缩）的压力输送，或以液态形式储存在低温储罐中。典型的氧气生产规模从每天几吨（小型医用装置）到每天数千吨（大型工业装置）不等。
- 氮气 (N₂)：储量最丰富的产品，用于惰性气体保护、气体保护、冷却（低温技术）以及作为氨的原料。散装氮气的纯度通常约为 99.9% 至 99.99%。对于半导体或特殊用途，纯度可达 99.999% 或更高（存在超高纯氮气工厂，通常需要额外的提纯工序）。氮气以气态（输送至管道或应用设备）或液态（液氮）的形式储存在绝热储罐中。大型空分装置每天可生产数百至数千吨氮气（因为空气中约 75% 为氮气）。
- 氩气 (Ar)：一种用于冶金（焊接）、照明和电子行业的珍贵稀有气体。空气中含有约 0.93% 的氩气。典型的空分装置 (ASU) 仅在需求量足够大时才会回收氩气。回收的氩气纯度约为 98%–99.99%。许多空分装置的目标是达到约 99.9% 的氩气纯度；高端装置的纯度可超过 99.99%。由于输送氩气的管道很少，氩气通常以液态形式输送。设计良好的带有氩气塔的空分装置可以回收 80%–90% 的进料氩气。如果氩气没有被收集，它会以约 0.5%–1% 的浓度随氮气排放排出。
除此之外，大型多产品空分装置可能以极低的速率同时产生痕量稀有气体（氖、氪、氙），但这需要额外的塔器，而且属于专门的设备。氦气并非从空气中提取，也不是低温空分装置的产物。
设计考量与权衡
设计大型ASU涉及诸多权衡取舍：
- 纯度与回收率：提高产品纯度通常会降低回收率并增加能耗。例如，将氧气纯度提高到 99% 以上需要额外的回流和更多能源，并且会牺牲一部分氧气收率。工程师需要在纯度要求和运行成本之间取得平衡。
- 塔压：较高的高压塔压可以降低单位产量所需的压缩机功率，但需要更多的制冷量（更高的回流比）才能实现分离。较低的压力会增大塔间温差，使冷箱设计更具挑战性。典型的高压塔压约为 5.5–6.5 bar，低压塔压约为 1.2–1.4 bar。
- 设备设计：板翅式换热器因其结构紧凑、效率高而备受青睐，但对制造精度和钎焊纯度要求较高。塔器可采用规整填料（以降低压降）或筛板。材料必须与氧气环境兼容（不锈钢或铜镍合金），以避免着火风险。
- 安全：空分装置处理高压易燃（氧气）流。所有含氧设备必须清除碳氢化合物，阀门/仪表必须使用与氧气相容的润滑剂或进行氧气清洗。泄压系统和气体分析仪可防止过压和痕量杂质。冷箱内意外冻结的二氧化碳或水蒸气会导致堵塞或压力骤升，因此分子筛床必须设计合理。
- 产能调节与灵活性：许多应用需要可变的生产速率。现代空分装置采用可变入口导叶、负载控制策略，有时还采用并联压缩装置，以高效处理部分负荷。控制系统监测换热器曲线、塔压和产品纯度，以保持平衡。
创新：智能控制、能量回收和模块化工厂
近期发展使得空分装置（ASU）的效率更高、安全性更高、部署速度更快：
- 智能控制系统：先进过程控制 (APC) 和模型预测控制 (MPC) 算法在空分装置 (ASU) 中得到越来越广泛的应用，以优化运行。这些控制系统能够实时调节流量、压力和温度，从而最大限度地提高效率或在无需操作员干预的情况下提升产量。在线分析仪和数字孪生技术可实现预测性维护（预测塔结垢或压缩机问题）。一些空分装置配备了集成式控制面板，用于监控能耗（以千瓦时/吨为基准），并允许对吹扫/回流流量进行微调，以最大限度地减少浪费。
- 能量回收：低温空分装置的固有制冷主要由汽轮膨胀机提供，但其他策略可以提高效率。例如，一些电厂利用空分装置产生的冷量来支持其他地方的液化天然气再气化或氧气液化。反之，压缩机产生的废热可以送入有机朗肯循环（ORC）发电。在热电联产方案中，空分装置的冷量可以用作“热能储存”，以进行季节性能源转换。新的架构甚至探索了可逆过程，使空分装置在用电低谷时段兼作液气储能装置。总而言之，一流的空分装置现在包括废热锅炉、高效电机和驱动器以及精细调校的压缩机中间冷却系统，以降低总能耗。
- 模块化紧凑型装置：供应商现在提供预制模块化空分装置 (ASU)，并以标准化包装形式交付。这些冷箱、塔器、压缩机和控制撬装设备在异地组装和测试，然后运送到现场进行快速连接。模块化空分装置可大幅缩短建设时间和降低成本。例如，林德的 NOVON™ 和 SPECTRA™ 产品线分别是用于氧气和高纯氮气的工厂预制模块。处理能力从几千立方米/小时到几万立方米/小时不等。集装箱式或撬装式装置能够以最少的现场工作量提供中小流量。同样，板翅式换热器设计和塔器安装技术的进步使得占地面积更加紧凑。这些模块化空分装置尤其适用于偏远地区项目或作为现有设施的“即插即用”升级方案。
其他技术创新包括改进的热交换器材料（允许更冷的进给），智能安全装置（例如光纤泄漏传感器），以及工艺集成（例如利用其他操作产生的废弃二氧化碳作为制冷）。
工业应用
低温空气分离装置广泛应用于需要大量连续气体消耗的场合。低温空气分离装置服务于众多行业：
- 冶金：空分装置 (ASU) 氧气的最大用途之一是在钢铁和铁合金厂。碱性氧气炼钢需要大量纯度约为 99% 的氧气 (O₂) 来支持高强度氧气鼓风。有色金属精炼也使用氧气 (O₂) 和氮气 (N₂)（用于惰性气体保护）。定制的低纯度氧气空分装置（纯度约为 90-97%）直接部署在高炉上，以提高效率。
- 石油天然气和石化行业：空气分离装置为部分氧化反应（环氧乙烷、合成气、加氢）提供氧气，并为反应器和管道的惰性气体保护或吹扫提供氮气。例如，环氧乙烷装置通常配备现场空气分离装置，可生产纯度为 98%–99.5% 的氧气。大型天然气处理联合装置也安装空气分离装置，为重整装置提供高纯度氧气，并为提高石油采收率 (EOR) 或管道惰性气体保护提供氮气。
- 电子和半导体行业：这些行业需要超高纯度气体。配备额外蒸馏级的空分装置 (ASU) 可为半导体晶圆制造提供纯度超过 99.999% 的氮气 (N₂) 和氧气 (O₂)（有时也包括氩气 (Ar)）。通过严格的上游提纯，确保碳氢化合物和水分含量为零 ppm。
- 医疗和实验室：医用氧气厂（通常位于医院综合体或区域配送中心）使用中等规模（每日数百吨氧气）的低温空气分离装置 (ASU) 来供应瓶装或管道输送的氧气。由于医用氧气必须符合药典标准（通常为 93%–95%，但低温装置可以轻松超过此标准），空气分离装置可确保持续供应高纯度氧气。
- 食品饮料行业：气调装置 (ASU) 提供的液氮广泛用于食品冷冻和包装（气调包装）。在发酵罐和储罐中采用氮气覆盖也很常见。小型模块化氮气气调装置现在已成为大型啤酒厂或食品厂的标准配置。
- 化学品制造：许多化学品（例如硝酸、化肥）都依赖于氮气或氧气。空分装置 (ASU) 提供氨合成所需的大量氮气（尽管这些氮气通常来自空气的部分氧化，但有些工艺直接使用空气分离）。特种化学品则使用高纯度氧气/氩气混合气进行溶剂汽提或保护等工艺。
- 能源与环境：空分装置在新兴能源系统中发挥着重要作用。空分装置产生的氧气是富氧燃烧和碳捕集方案的关键。氮气可用作燃气轮机的稀释剂或用于气化。氩气甚至用于太阳能光伏制造和照明。在垃圾焚烧发电厂中，空分装置产生的氧气可以改善燃烧；在沼气提纯过程中，氮气用于管道增压。此外，将空分装置与液化天然气接收站集成（使用冷液化天然气进行制冷）是一个活跃的研究领域，可以提高整个工厂的效率。
在这些行业中，空分装置可能由工业气体公司（如林德、液化空气集团、空气产品公司、普莱克斯、梅塞尔等）所有，也可能由大型用户自建。现代空分装置通常是大型工业园区（如钢铁厂、炼油厂、化工园区）的一部分，通过管道网络为多个装置供气。
结论
低温空气分离装置是满足大量氧气、氮气和氩气工业气体供应的关键。通过利用低温制冷和蒸馏技术，它们能够以其他技术无法比拟的规模生产高纯度气体。其原理可以追溯到一个多世纪前林德和液化空气集团的早期研究，但如今的装置效率更高，控制也更加精准。关键的设计选择——塔结构、运行压力、换热器效率——决定了装置的性能和成本。近年来，自动化（智能控制）、能源集成（膨胀机、余热回收）和模块化结构方面的创新提高了空气分离装置的灵活性和经济性。无论是为炼钢炉、化学反应器还是半导体制造厂提供支持，现代低温空气分离装置都在不断发展，致力于实现更清洁的生产、更高的效率和更快的项目交付周期。
持续的研究重点在于进一步降低能耗（通过新型制冷循环或混合系统）、优化运行的数字化以及与可再生能源和储能系统的集成。对于工程师和研究人员而言，随着工业气体需求的增长和对低碳工艺的推动力度加大，理解空气分离装置的基本原理并紧跟这些进展至关重要。因此，低温空气分离装置将继续在全球工业转型中发挥关键作用。
总体而言，低温空气分离装置仍然是一项成熟而充满活力的技术，它融合了工艺工程、热力学和控制技术，是世界工业基础设施的重要使能技术。
