低温制氧是一种工业流程，通过在极低温度下将空气液化，然后进行蒸馏，从而将氧气从空气中分离出来。空气中氧气含量约为21%（其余大部分为氮气和氩气），对于许多工业用途来说，这种浓度太低。钢铁制造、石油化工生产、能源发电和医疗保健等大型工业都需要大量高纯度氧气。为了满足这一需求，各行业采用空气分离装置（ASU）进行低温制氧，以获得约99%的氧气纯度，并保持持续可靠的供应。
低温制氧原理
低温制氧的原理是利用空气中各组分沸点不同的特性进行分馏。氮气、氧气和氩气分别在不同的温度下液化（氮气约为-196°C，氧气约为-183°C，氩气约为-186°C）。通过将空气冷却到这些低温，可以将其分离成不同的组分：沸点最低的氮气汽化并上升到蒸馏塔顶部，而沸点较高的氧气则以液态形式留在底部。沸点介于两者之间的氩气则聚集在蒸馏塔的中部，如果需要高纯度氩气，可以将其抽出送至氩气净化装置。
要达到这些超低温需要大量的制冷。现代空气分离装置采用高效的板翅式换热器和膨胀涡轮机（涡轮膨胀机），利用焦耳-汤姆逊效应产生所需的低温，同时还能回收部分能量。所有低温设备都安装在隔热的“冷箱”内，以最大限度地减少环境热量传入。通过这种方法，低温空气分离技术可以生产纯度超过99%的氧气，同时还能获得高纯度的氮气和氩气作为副产品。
低温制氧工艺流程步骤
工业低温空气分离过程包括从空气进气到氧气输出的几个关键步骤。该过程的简化概述如下：
- 空气压缩和净化：环境空气被压缩至约 6 巴。中间冷却器会去除压缩产生的热量，并冷凝掉大部分水蒸气。然后，加压空气通过分子筛床，吸附剩余的水分、二氧化碳和碳氢化合物，防止这些杂质在后续阶段冻结。
- 低温冷却和液化：干燥、纯净的空气在钎焊铝制换热器中与回流的冷气流进行热交换，被冷却至约-180°C。为了实现完全液化，一部分空气通过涡轮膨胀机膨胀，产生制冷效应，从而使大部分空气液化。
- 分馏：液化空气流入双塔式精馏系统（高压塔和低压塔）。在这些塔中，各组分根据沸点进行分离：氮气（沸点最低）以气态形式聚集在塔顶，而氧气（沸点较高）则以液态形式留在塔底。低压塔底部可获得纯度约为 99% 的液氧，塔顶则可获得接近纯净的氮气。氩气聚集在中间位置；如有需要，可从中间位置抽取富含氩气的侧流，送至小型氩气精馏装置进行提纯。
- 产品提取和储存：氧气从低压塔底部提取，通常以液氧（LOX）的形式抽出，并泵送至所需的输送压力。然后，液氧在换热器中气化，以向管道或工艺流程供应气态氧。此外，液氧也可以储存在绝缘低温储罐中，以备后续使用或运输。从塔顶提取的氮气以气态或液态形式储存或输送，而氩气（如果生产）也同样储存或输送用于工业用途。
效率和规模方面的考虑
低温制氧技术在生产大量高纯度氧气方面非常有效，但同时也非常耗能。实际上，现代低温空气分离装置每生产一吨氧气大约需要消耗 300 至 600 千瓦时的电力，是理论最小值的数倍，而更高的纯度或压力要求会使能耗接近该范围的上限。
由于规模经济效应，大型工厂通常更节能，因此当氧气需求量超过每天几百吨时，通常会选择低温空气分离装置（ASU）。而需求量较小的用户通常会采用非低温方法，因为对于低需求量而言，建造大型低温工厂可能并不划算。
以下总结了中型工业低温制氧装置的典型性能参数：
| 范围 | 典型值 |
|---|---|
| 氧气输出能力 | 每条生产线每小时约1000立方米（相当于每天约35吨氧气） |
| 氧气纯度 | 95%–99.5%（99.5%为典型工业级） |
| 输送压力 | 5–20 巴（适用于气态氧气产品） |
| 具体能源消耗 | 每 Nm³ O2 约 0.4–0.6 kWh（约 350–550 kWh/吨） |
| 氩气联产 | 约5%的氧气产量（如果回收氩气）。 |
例如，一家日产约40吨纯度约为99%的氧气的工厂，每吨氧气可能消耗约450千瓦时电量。规模更大的工厂（日产量数百吨）的单位能耗处于较低水平，而规模较小的装置则处于较高水平。尽管电力需求很高，但空气分离装置（ASU）能够持续运行，可靠性极佳，从而确保稳定的氧气供应。
工业应用及优势
低温制氧技术是许多行业氧气供应的基础，因为它能够批量生产高纯度气体。主要应用包括：
- 冶金和炼钢：高炉和碱性氧气转炉需要消耗大量氧气来促进燃烧和精炼熔融铁水。低温氧气可以为这些工艺提供稳定、高纯度的氧气供应，从而提高炉子的效率和产量。
- 化工和石油化工：炼油厂和化工厂使用氧气进行部分氧化和气化等工艺。低温分离装置可提供这些大规模反应所需的高纯度氧气和流量。
- 能源和环境技术：氧气用于发电和垃圾焚烧过程中的富氧燃烧，并作为火箭发射系统中的氧化剂。只有低温制氧技术才能经济高效地供应这些应用所需的巨量氧气。
- 医疗保健和医用气体供应：医院依靠大批量氧气（通常由低温工厂以液氧形式供应）用于医疗用途。低温生产工艺符合严格的医用级纯度标准（约 99.5% 的氧气），并确保为患者护理提供不间断的供应。
除了氧气之外，低温空气分离装置还能同时生产高纯度氮气和氩气，这两种气体也各有重要的用途（氮气用于惰性气氛，氩气用于焊接和特种冶金中的保护气）。这种联产方式使得大型空气分离装置对于需要使用所有这些气体的工厂来说非常经济高效。现代化的工厂也高度自动化，并采取了相应的安全措施来应对氧气的反应性，从而确保设备可靠安全地运行。
结论
在工业空气分离领域，低温制氧仍然是大规模生产超高纯度氧气的首选方法。通过将空气液化并分离其组分，空气分离装置可以大规模生产氧气（以及氮气和氩气），以满足各行各业的需求。尽管该过程耗能较高，但热交换器和能量回收技术的不断进步正在提高其效率。这项核心技术经过数十年的实践证明可靠，确保在需要大量高纯度氧气时，低温空气分离仍然是不可或缺的。
