低温空气分离是工业规模生产氧气的主要技术。低温空气分离如何为工业应用生产氧气可以通过了解其关键步骤来理解。简而言之，首先将环境空气吸入、压缩并净化。然后将其冷却至低温，直至液化，最后通过蒸馏分离成氧气、氮气和其他气体。这个过程在被称为空气分离装置（ASU）的大型设施中进行，可生产高纯度氧气（通常约为 99.5%），同时还可生产氮气和氩气等副产品。钢铁制造、石化和能源等行业都依赖低温空气分离装置来获得持续的氧气供应。虽然存在其他技术，例如变压吸附 (PSA) 或膜分离，可用于小规模或低纯度氧气需求，但由于其效率高且能够生产多种气体，低温蒸馏仍然是高产量、高纯度氧气的首选方法。
低温空气分离的工作原理
为了理解低温空气分离技术如何为工业应用生产氧气，最好将整个过程分解成一系列阶段。每个阶段在以所需的纯度和产量从空气中提取氧气方面都起着至关重要的作用：
- 空气压缩：环境空气被吸入空分装置，并通过带中间冷却器的多级压缩机压缩至中等压力（通常约为 5-10 巴）。压缩空气会提高其压力和密度，从而使后续的冷却和液化过程更加高效。在此阶段，部分热量通过中间冷却器散失，水蒸气也开始凝结。
- 空气净化：压缩空气随后进行净化，以去除水分（水蒸气）、二氧化碳和碳氢化合物等杂质。必须去除这些污染物，以防止在后续低温阶段形成冰或固体二氧化碳。净化通常是通过让空气通过分子筛吸附器或干燥器来完成的，这些吸附器或干燥器可以吸附水和二氧化碳。清洁干燥的空气可确保下游低温设备在运行过程中不会结冰或积垢。
- 低温冷却（制冷）：接下来，干燥洁净的空气通过热交换系统（通常称为“冷箱”）被冷却到极低的温度。空气流经一系列再生式热交换器，在那里被流出的低温产品流冷却。一部分空气可以通过涡轮膨胀机（一种通过气体膨胀冷却来提供制冷的涡轮机）或焦耳-汤姆逊膨胀阀进行膨胀。这种冷却过程使空气温度降至低温（约-180°C或更低），导致大部分空气冷凝成液体。最终得到的是富含液氧和液氮的混合物，温度约为氮气（-196°C）和氧气（-183°C）的沸点。
- 分馏：液化后的冷空气被送入分馏系统，用于分离氧气和氮气（如果需要，还可以分离氩气）。在典型的大型空气分离装置（ASU）中，这一过程在两个相连的精馏塔中进行。高压塔（压力约为 5-6 巴）接收进料；混合物沸腾时，沸点较低的氮气变成蒸汽上升到塔顶，而富含氧气的液体则聚集在塔底。然后，这种富氧液体被输送到第二个低压塔（压力接近 1 个大气压）。在低压塔中，它在较低的压力下沸腾，使高纯度液氧聚集在塔底，纯氮气则上升到塔顶。两个塔之间设置了一个内部冷凝器-再沸器，用于促进热交换：低压塔中沸腾的富氧液体为高压塔中的氮气冷凝提供回流冷却。通过这种双塔分馏过程，氧气被浓缩到所需的纯度。如果需要生产氩气，则从低压塔（氩气浓度最高的地方）抽取一部分流体送入第三个塔，以提取氩气（纯度约为 98-99%），剩余的氧气则返回到系统中。
- 产品收集和输送：分离出的氧气从低压塔底部抽出，通常为纯度约为 99.5%–99.9% 的低温液体。同样，高纯度氮气从低压塔或高压塔顶部取出。然后，氧气（以及产生的任何液态氩）通过换热器泵送并汽化，使其恢复到环境温度。最后，产品被输送到最终使用地点：气态氧可以通过管道输送到附近的工艺流程，或压缩到气瓶中；而液态氧则储存在绝缘储罐中，以备后续使用或运输。整个系统采用高度绝缘设计，以维持低温，现代空分装置采用自动化控制系统，可连续运行，并将输出指标保持在目标范围内。
低温空气分离装置的典型运行参数
低温制氧装置的设计旨在满足特定需求，但其运行参数通常都在一定的范围内。下表列出了中大型低温空气分离装置生产工业氧气的典型运行参数：
| 范围 | 典型值/范围 |
|---|---|
| 氧气纯度（体积） | 约 99.5%（在许多情况下可以达到 99.9%） |
| 氧气生产率 | 每天数百吨至数千吨（吨/天） |
| 主气源压力 | 约 6 巴（膨胀前通常在 5-10 巴范围内） |
| 单位功耗 | 每立方米氧气约消耗 0.3–0.6 千瓦时电量（每吨氧气约消耗 250–500 千瓦时电量） |
表格：低温空气分离装置的典型纯度、产能、压力和能耗。实际值会因装置规模和设计而异。
大型现代化空气分离装置（ASU）在其规模下展现出极高的能源效率——例如，一座日产1000吨氧气的工厂可能消耗约20兆瓦的电力。实际上，为了最大限度地提高效率，低温空气分离装置通常会24小时不间断运行，因为冷却和重启这些装置非常耗时。工程师会优化压力水平和换热器配置等参数，以降低每单位氧气的能耗，如表中所示的具体功耗数据所示。根据工业应用的需求，输送的氧气可以是接近环境温度的气态氧，也可以是液态氧。
Industrial Applications of Cryogenic Oxygen
低温空气分离技术之所以能够如此广泛地用于工业应用中生产氧气，原因之一是许多行业都依赖于大量的氧气和氮气。一些主要的商业应用包括：
- 钢铁和金属生产：钢铁行业是空分装置生产的氧气最大的单一消费方。高炉和碱性氧气转炉使用高纯度氧气来富集鼓风空气或对熔融铁水进行脱碳，从而显著提高生产效率。低温空分装置生产的氧气可以提高炼钢过程中的火焰温度，加快反应速度。其他金属加工工艺，例如铜冶炼、焊接和切割作业，也需要工业规模的氧气供应。
- 石化、化工和炼油：炼油厂和化工厂通常需要氧气用于部分氧化、煤或重烃气化以及合成燃料或化学品等工艺。例如，天然气制液体燃料（GTL）工厂和氨/化肥生产厂可能会使用氧气进行气化，以生产合成气。在熔炉和蒸汽锅炉中使用富氧燃烧有助于提高能源效率并减少排放。低温空气分离装置（ASU）副产的高纯度氮气对于这些设施中的储罐惰性化、反应器净化以及易燃液体覆盖也至关重要。
- 能源与环境：高纯度氧气越来越多地应用于能源领域，例如整体煤气化联合循环（IGCC）发电厂和用于碳捕集的富氧燃烧技术。在废水处理方面，可以注入氧气来加速生物过程，或生成臭氧进行水消毒。这些应用都受益于低温空气分离装置提供的可靠、按需供应的氧气。
- 玻璃和水泥行业：玻璃制造商使用富氧燃烧炉，以获得比空气燃料燃烧更高的火焰温度，从而提高熔化效率和产品质量，同时降低氮氧化物排放。水泥窑也可以通过富氧燃烧来提高产量。低温液氧通常以液态形式供应到这些工厂，并根据需要进行气化。
- 医疗保健和实验室：医院和医疗机构所需的大量氧气通常通过低温空气分离（在大型工厂）生产，并以液氧形式用槽罐车运输。医院随后储存并汽化液氧供患者使用（例如用于呼吸机和麻醉）。虽然医疗保健领域也会使用现场制氧机（例如变压吸附系统）来满足少量需求，但低温生产能够确保区域医疗氧气供应具有高纯度和高可靠性。研究实验室和生物医学机构同样依赖于低温生产商提供的超高纯度气体。
这些示例说明了低温空气分离技术如何为需要可靠大规模供应的工业应用生产氧气。在每种情况下，高纯度氧气（以及副产品氮气或氩气）的供应使得一些工艺得以实现，而如果使用空气或纯度较低的氧气源，这些工艺的效率会降低，甚至根本无法实现。
低温分离法相对于其他方法的优势
鉴于上述用途，有必要探讨为什么工业界选择低温空气分离技术而不是其他制氧方法。将低温空气分离技术如何生产用于工业应用的氧气与替代技术进行比较时，低温空气分离装置的优势就显而易见了：
- 高纯度和多种产品：低温精馏技术可以稳定生产纯度高达99.5%至99.9%的氧气，高于大多数非低温方法。例如，变压吸附（PSA）系统通常只能生产纯度约为90%至95%的氧气（其余成分为氩气和氮气），难以达到某些工艺所需的超高纯度。低温空分装置还可以同时生产高纯度氮气（99.9%或更高）和氩气，而PSA或膜分离装置则难以实现这一点。对于需要氧气、氩气或高纯度氮气的行业来说，低温空分装置是唯一全面的解决方案。
- 大规模生产效率：对于大规模氧气需求（每天数百或数千吨），低温空气分离装置（ASU）的经济性远胜于其他方案。它们具有规模经济效应——大型低温装置的单位氧气能耗（每单位O₂的千瓦时）通常低于多个小型变压吸附（PSA）装置生产相同产量所需的能耗。对于较小的产能（例如每天几吨或仅供应单个设施），通常更倾向于采用其他方法，因为它们的初始成本较低，但在产量较高时，这些方法会变得效率低下或不切实际。相比之下，低温空气分离装置可以轻松地从一个中央工厂为整个工业园区或多个用户提供氧气。
- 液氧及其储存能力：低温制氧技术可以直接生产液氧，并可将其储存在大型储罐中进行批量运输。这对于备用供应和分销物流而言是一个显著优势——空分装置生产的液氧可以通过槽罐车运送到没有自有制氧设备的场所。非低温制氧设备（例如变压吸附或膜分离设备）只能输出接近环境温度的气体，无法轻松实现液氧储存。生产液氧的能力也意味着低温空分装置可以通过调用液氧储备来应对高峰需求，即使压缩机或生产线暂时停机，也能继续供应氧气。
- 可靠性和持续运行：工业低温空分装置专为每周七天、每天24小时连续运行而设计，具有极高的运行时间（通常可靠性超过99%）。它们是坚固耐用的系统，配备备用单元或并行生产线，并且通过精心规划的维护，可以运行多年。而变压吸附（PSA）装置虽然结构更简单，但可能需要更频繁的循环操作、吸附剂维护，并且在需要更换之前的使用寿命也更短。在考虑如何通过低温空气分离技术为工业应用生产氧气时，如果供气中断会导致生产停顿（例如在钢铁厂或大型化工厂），那么低温空分装置久经考验的可靠性就成为一个决定性因素。
另一方面，需要注意的是，低温空气分离装置的初始投资成本和电力消耗都很高，因此对于小规模需求或对纯度要求不高的应用，变压吸附（PSA）、真空变压吸附（VPSA）或膜分离系统等技术可能更具成本效益。这些方法具有启动/停止速度快、小型装置能耗低的优点。然而，如果需要兼顾高纯度、大产量和副产品生产的灵活性，低温空气分离技术则无可匹敌。这解释了低温空气分离技术如何生产用于工业应用的氧气，从而满足现代工业最严苛的要求。
结论
低温空气分离技术已被证明是工业生产氧气和其他气体的关键技术。它利用超低温和蒸馏技术，能够大规模供应极高纯度的氧气——这是其他技术无法比拟的。从提高炼钢高炉效率到实现发电厂的清洁燃烧，低温空气分离技术如何为工业应用生产氧气是许多工业流程进步的基础。这项技术在能源效率和工厂设计方面不断发展，但其核心原理始终不变：将空气冷却至液化状态，然后分离其组成成分。总之，低温空气分离是一项基础性工艺，确保各行各业在需要高性能应用时，都能随时随地获得所需的氧气。
