低温空气分离和变压吸附 (PSA) 是两种成熟的工业工艺，用于从环境空气中制取氧气和氮气。低温空气分离工艺涉及压缩空气并将其冷却至低温（约 –180 °C），以便通过蒸馏分离各组分。相比之下，PSA 工艺在高压（通常为 4-8 bar）下使用沸石或碳分子筛选择性吸附空气中的一种组分，同时让另一种组分通过；当压力降低时，被吸附的气体被释放，吸附剂得到再生。每种方法都有其独特的优势和设计权衡。
气体纯度和产品范围
低温空气分离装置 (ASU) 通常可以提供极高纯度的气体。典型的氧气纯度约为 99.5% 或更高，氮气纯度可超过 99.9%。由于空气被液化并进行分馏，该装置还能同时生产高纯度的氩气（在先进的设计中甚至可以提取稀有惰性气体）。而变压吸附 (PSA) 系统通常产生的气体纯度较低：富氧气体中氧气含量约为 90% 至 95%，或接近纯氮（高达约 99.5%），但它们无法分离氩气或其他稀有气体，因为这些气体不会被优先吸附。
生产规模和吞吐量
低温空气分离装置专为超大规模处理量而设计。商用低温装置的氧气产量通常从几百立方米/小时（Nm³/h）起步，并可扩展至数万立方米/小时，用于工业气体供应。这使得它们非常适合钢铁厂、大型化工厂和集中式气体供应网络。变压吸附（PSA）制氧机采用模块化设计，本质上适用于中小型规模的应用。单个PSA模块的产量约为10-50立方米/小时；多个模块可以并联运行以提高产能。这种模块化设计适用于医院或实验室等需要中等气体流量的应用场景。
能源消耗与效率
能源消耗差异显著。低温空气分离装置需要大量的电力用于多级压缩和制冷。现代低温空气分离装置的能耗估计约为每吨氧气150至800千瓦时（约0.2至1.1千瓦时/标准立方米氧气）。大型装置可以使用膨胀式涡轮机回收部分能量，从而提高高产量下的效率。变压吸附（PSA）系统无需深度制冷，因此在中小型规模下能耗要低得多。先进的PSA制氧机每标准立方米氧气的能耗约为0.3至0.5千瓦时。一般来说，在较低流量下，PSA系统的单位能耗较低，而低温空气分离装置只有在产量非常大的情况下，单位能耗才具有热力学上的竞争力。
操作条件（压力和温度）
这两种工艺在截然不同的条件下运行。低温空气分离装置 (ASU) 将进料空气压缩至约 6-10 巴，然后冷却至液态。蒸馏塔通常在 1-1.3 巴（低压塔）和几个巴（高压塔）的压力下运行。这需要一个坚固的冷箱来处理 -185 °C 的低温。变压吸附 (PSA) 装置则在接近环境温度的条件下运行；空气仅被压缩到吸附压力（约 4-8 巴），分离过程无需低温冷却。因此，PSA 模块无需复杂的绝缘和低温容器，从而大大简化了设备结构。
资本成本和占地面积
低温空气分离装置（ASU）的初始投资成本非常高，且占地面积大。一套完整的装置包括重型空气压缩机、多级换热器、绝缘冷箱、高大的精馏塔和低温储罐。其建造过程复杂且耗时。相比之下，变压吸附（PSA）系统可以作为集成式撬装设备提供，包含压缩机和吸附器。该设备结构紧凑，只需连接电源和管道即可运行。数据显示，PSA装置的成本通常不到同等产能低温装置的一半。PSA装置可在数周或数月内投入运行，而类似的低温装置通常需要更长的现场施工时间。
系统灵活性和运行
变压吸附（PSA）制氧机启动和关闭速度非常快（通常只需几分钟），并且支持模块化扩展。它们天生适合按需使用或间歇性使用。例如，医用级PSA制氧机可在不到10分钟内达到全压。可以配置多个PSA装置以实现负载跟随或冗余。相比之下，低温制氧装置需要较长的冷却时间（通常为12-24小时或更长时间）才能开始运行；但一旦运行稳定，它们就能持续不间断地供应气体。低温空气分离装置（ASU）不适合频繁启停或快速负载波动，但在需求稳定的情况下，它可以提供极其稳定的大流量输出。
Comparative Summary
| 范围 | 低温空气分离 | PSA（变压吸附） |
|---|---|---|
| 工艺原理 | 空气被压缩，冷却至约–180 °C，然后进行分馏，分离出O₂、N₂（并同时生产Ar）。 | 压缩空气（约 4-8 巴）流经交替运行的吸附床；一种气体被吸附，另一种气体则通过，然后释放压力以使吸附剂再生。 |
| 产品纯度（O₂/N₂） | 纯度非常高——氧气纯度高达≥99.5%，氮气纯度高达≥99.999%；同时副产氩气。 | 中等纯度——氧气含量约为 90-95%，氮气含量约为 95-99.5%；不回收氩气。 |
| 吞吐量规模 | 规模较大（氧气流量为数百至数万立方米/小时）。 | 小型到中型（每个模块的流量约为 10 Nm³/h 到几百 Nm³/h）。 |
| 能源消耗 | 总功率较高；每吨氧气约需150–800千瓦时（≈0.2–1.1千瓦时/标准立方米）。 | 在小规模应用中，能耗较低；优化后的变压吸附制氧系统能耗约为 0.3–0.5 kWh/Nm³。 |
| 运行条件 | 进料压力约为 6-10 巴；蒸馏压力约为 1-3 巴；低温温度约为 -185 °C。 | 工作压力约为 4–8 巴；环境温度（无需低温冷却）。 |
| 资本成本和占地面积 | 资本支出非常高；需要大型工厂，配备压缩机、冷箱和储罐；建设周期长。 | 降低资本支出；紧凑型模块化单元；快速部署。 |
| 灵活性 | 启动速度较慢；最适合持续大负荷运行；一旦运行起来，系统非常稳定。 | 快速启动/停止（几分钟）；易于模块化扩展；适合需求波动较大的情况。 |
下表重点比较了低温空气分离装置 (ASU) 和变压吸附 (PSA) 系统在工艺层面的差异。低温空气分离技术可在极高的流量下提供最高的纯度和多种气体生产能力，而 PSA 技术则以更简单的装置设计实现中等纯度。PSA 模块通常需要更低的投资，并且可以更快地投入使用，但其最高纯度和流量无法与低温装置媲美。实际上，当需要大规模连续供应超高纯度气体时，工程师会选择低温空气分离技术。而当需要以较低的资本和快速启动的方式进行现场或中等规模生产中等纯度气体（90-99%）时，则会选择 PSA 技术。一位专家简洁地总结道：“如果您需要超高纯度气体或同时生产氩气，请选择低温技术；如果目标是连续供应单一的中高纯度气体，则 PSA 技术更具成本效益。” 这些权衡因素确保所选技术与项目的产能、纯度和成本要求相匹配。
