用于制氧的低温空气分离装置是工业领域用于大规模生产高纯度氧气的关键设备。它通过在极低温度下对空气进行蒸馏，根据氧气、氮气和其他气体的沸点差异将其分离。与变压吸附（PSA）或膜式制氧机（适用于小批量或低纯度氧气生产）不同，低温空气分离装置能够以钢铁、化工和能源等行业所需的大规模产量生产纯度高达99.9%的氧气。本文探讨了低温分离过程（压缩、净化、冷却和蒸馏）、实现99.9%氧气纯度的关键设计考虑因素、典型的性能指标以及这些装置如何集成到工业系统中。本文仅重点介绍用于制氧的低温空气分离装置，不涉及PSA或膜式系统。
低温空分装置的工艺流程
现代低温空气分离制氧装置采用一系列工艺流程，从大气空气中提取氧气（以及氮气和氩气等副产品）：
- 空气压缩：环境空气经过过滤后，使用带中间冷却器的多级压缩机将其压缩至约 5-8 巴。这可以提高空气密度，并为后续的高效冷却和液化做好准备。
- 净化：压缩空气通过分子筛净化器去除水分、二氧化碳和碳氢化合物。去除这些杂质对于防止低温设备中形成冰或固体二氧化碳至关重要。
- 冷却和液化：洁净干燥的空气随后在换热器中被冷却至超低温（约-185°C）。制冷循环（通常使用涡轮膨胀机）提供冷能，使大部分空气冷凝成液体。
- 低温精馏：液化空气进入精馏系统，通常采用双塔式结构。在高压塔中，富氧液体聚集在底部，而富氮蒸汽上升到顶部。这些氮气在低压塔的冷凝器-再沸器中冷凝，同时使低压塔中的氧气沸腾，从而实现近乎完全的分离。最终，氧气以液态形式浓缩在低压塔底部，而纯氮气则从高压塔顶部排出。
- 产品提取：氧气从低压塔底部抽出，纯度约为 99.5%（气态或液态）。为了达到 99.9% 的纯度，需要添加一个脱氩装置（侧塔）去除氩气杂质，从而获得纯度为 99.9% 的氧气流。氮气从低压塔顶部抽出，纯度约为 99.9%。两种气体都通过换热器加热至环境温度，然后输送到最终用途。氧气产品可以直接以低压输送到管道，也可以压缩用于高压应用，或以液态形式储存。氮气副产品通常用于现场惰性气体保护或吹扫，或液化储存。
低温空气分离装置一旦启动，即可通过自动化控制系统实现连续运行（24小时/7天），以保持稳定的产量和纯度。由于空气分离装置的启动和冷却过程耗能巨大，因此这些装置的设计目标是实现长期稳定运行，尽量减少停机次数，从而确保为下游工艺提供可靠的氧气供应。
热力学原理和效率
低温分离过程利用了空气各组分沸点不同的特性。通过将空气冷却至约-190°C，氧气（沸点-183°C）液化，而氮气（沸点-196°C）仍保持气态，从而可以通过蒸馏进行分离。该过程中耗能最大的部分是产生所需的低温。在用于制氧的低温空气分离装置中，大型压缩机首先对空气进行加压，然后在低温条件下通过膨胀（在涡轮机中）使气流冷却。现代空气分离装置使用涡轮膨胀机而不是简单的焦耳-汤姆逊阀来回收膨胀过程中产生的功，从而提高了整体效率。
高效的热交换至关重要：进入的空气在逆流换热器中被流出的产品和废气预冷，因此浪费的制冷能量极少。即便如此，空气分离仍然是一项耗能巨大的过程。由于规模经济和更有效的热集成，大型装置的单位能耗（每立方米氧气消耗的千瓦时）通常优于小型装置。最先进的设备每生产一立方米氧气可能只需消耗约 0.3 千瓦时的电能，而较小或较旧的设备则可能需要 0.5-0.6 千瓦时/立方米。热力循环设计和设备的持续改进（例如高效压缩机、冷箱绝缘）旨在进一步降低能源成本。
总而言之，用于制氧的低温空气分离装置的效率在很大程度上取决于有效的热集成和最佳的热力学设计。
设计目标：氧气纯度达到 99.9%
设计用于生产纯度为 99.9% 氧气的低温空气分离装置需要采取一些超出标准配置的额外措施。如果没有这些特殊措施，典型的低温空气分离装置只能生产纯度约为 99.5% 的氧气，其余部分主要为氩气。为了达到 99.9% 的纯度，需要加装一个氩气侧塔。该侧塔从主精馏塔中抽取富含氩气的侧流，并将氩气与氧气分离。最终得到高纯度的氩气产品（如果市场有需求，通常会收集起来）以及几乎不含氩气的氧气流，该氧气流返回主塔。通过去除氩气，氧气产品的纯度可以提高到 99.9%。
高纯度设计的另一个关键方面是彻底的前端净化和安全保障。空气进料中的任何痕量碳氢化合物或乙炔都必须通过分子筛去除，因为它们会在液氧中积聚，并在氧气纯度达到99.9%时构成爆炸危险。该装置配备了分析仪，可连续监测氧气纯度和痕量污染物。一旦装置调试完毕，操作参数（例如回流比和进料条件）将受到严格控制，以确保氧气纯度始终保持在99.9%。本质上，实现“三个九”的纯度需要增强的精馏装置（用于去除氩气）和严格的操作控制，以避免产品受到任何污染。
简而言之，用于生产纯度为99.9%氧气的低温空气分离装置，其结构必然比用于生产纯度较低氧气的装置更为复杂。
性能指标和典型范围
下表总结了低温空气分离装置的典型性能特征：
| 范围 | 典型范围 |
|---|---|
| 氧气产品纯度 | 99.5% – 99.9%（高纯度氧气） |
| 生产能力 | 氧气产量：约1000至超过100000标准立方米/小时（每台设备） |
| 单位功耗 | 每 Nm³ O2 约 0.3 – 0.6 kWh |
| 工作压力（空气供应） | 蒸馏压力约为 5-7 巴 |
表1：低温空气分离装置生产氧气的典型性能。
实际上，大型设施中的低温空气分离制氧装置每小时可供应数万立方米的氧气，而小型装置则可满足较低的需求。如图所示，低温空气分离装置能够提供几乎纯净的氧气。它们的产能范围也非常广泛：小型装置（例如用于医院）的产量约为几百立方米/小时，而石化或钢铁联合企业的大型装置的氧气产量可超过10万立方米/小时。就能源消耗而言，规模越大效率越高——大型低温空气分离制氧装置的比功率可以达到较低水平（约0.3千瓦时/立方米），而小型装置的比功率可能约为0.6千瓦时/立方米。电力消耗是运营成本的主要因素，因此运营商会持续努力将其降至最低。约6巴的空气进料压力是一种设计上的折衷方案，既可以实现有效的液化和精馏，又可以避免过高的压缩功耗。
集成到工业系统中
低温空气分离装置（ASU）通常与它们所服务的工业设施紧密集成。例如，在钢铁厂中，现场的低温空气分离制氧装置为高炉和碱性氧气转炉提供氧气，而副产品氮气则用于吹扫、净化或惰性气体保护。在化工厂和炼油厂中，ASU为气化炉或氧化器等工艺流程提供氧气。这种集成还可以扩展到资源共享：一些基于气化技术的发电厂会将燃气轮机的压缩空气输送到ASU，而不是使用单独的压缩机，从而节省能源。作为回报，ASU产生的低温高纯度氮气流可以注入燃气轮机，以提高功率输出并降低氮氧化物排放。这种共生式的配置可以提高整体效率。
从运行角度来看，集成意味着空分装置必须可靠地满足其所服务工艺流程的需求。这些装置通常配备备用系统（例如液氧储存罐和汽化器），以应对瞬时峰值需求或供应中断。作为大型工业生态系统的一部分，空分装置确保关键气体能够按需供应，并达到所需的纯度。这种现场生产方式减少了对气瓶或储罐运输的需求，从而提高了大型用户的安全性和经济性。这种高度集成使得用于制氧的低温空气分离装置成为现代工业综合体中不可或缺的设施。
结论
低温空气分离技术仍然是工业领域大批量、高纯度氧气供应的决定性技术。其低温精馏工艺可提供纯度高达99.9%的氧气，并可根据大型钢铁厂、化工厂和发电厂的需求进行规模化生产。尽管该技术耗能较高，但其效率一直在不断提高，压缩机、换热器和膨胀机的性能也得到了持续优化。同样重要的是，现代控制系统和设计改进使这些空分装置能够以极高的可靠性运行，并与其他工厂运营系统无缝集成。在如今工艺流程对氧气需求越来越高（且效率和纯度至关重要）的时代，低温空气分离装置仍然是一种行之有效的解决方案。用于制氧的低温空气分离装置将继续在工业气体供应中发挥核心作用，它将低温物理学与先进的工程技术相结合，以满足未来的氧气需求。
