介绍
深冷空分装置（空气分离装置）是大型工业生产中不可或缺的关键设备，为钢铁制造和化工生产等工艺提供大量的氧气和氮气。在钢铁厂，深冷空分装置为高炉和转炉提供高纯度氧气，并提供氮气用于惰性气体保护和吹扫。化工厂也依赖这些装置提供氧气用于氧化反应（例如气化或部分氧化），并提供氮气用于创建惰性气氛。现代深冷精馏技术使得这些气体能够大规模生产——在一些钢铁联合企业中，一台空分装置的氧气日产量可超过3000至5000吨。
这些装置的运行耗能巨大。低温空气分离装置 (ASU) 的能耗约占钢铁厂总能耗的 15% 至 20%。压缩和冷却低温精馏所需的大量空气会消耗巨大的电能——一台日产 1000 吨氧气的 ASU 通常需要持续消耗数兆瓦的电力。因此，优化精馏塔配置和操作压力对于提高效率和降低运营成本至关重要。工程师通过微调压力和精馏塔设计，旨在最大限度地减少能源消耗，同时最大限度地提高氧气/氮气的回收率和纯度。本文探讨了精馏塔设计（单塔、双塔或多塔配置）和压力优化策略如何影响大型低温空气分离装置 (ASU) 的性能。关键主题包括精馏塔设计的作用、压力选择的热力学考虑、对产品纯度和回收率的影响、能源效率权衡以及实际设计限制——所有这些都针对钢铁和化工行业中使用的大型 ASU。
低温空气分离装置中的塔器设计：单塔、双塔和多塔系统
低温空气分离装置的核心部件是精馏塔（或一组精馏塔），液化空气在此通过沸点差异被分离成各种组分。早期的空气分离装置采用的是在低压（接近大气压）下运行的单塔精馏系统。在这种单塔系统中，空气被液化后送入一个精馏塔；由于氮气挥发性更强，它会上升并作为塔顶产品被抽出，而富氧液体则聚集在塔底。然而，单塔系统难以同时获得高纯度的两种产品。如果没有外部纯氮液体的回流，塔顶的氮气中仍然会含有残余氧气（历史上通常含有5-10%的氧气），从而限制了氧气的回收率和纯度。换句话说，单塔空气分离装置只能生产中等浓度的氧气和氮气——这往往无法满足工业需求，因为工业生产通常需要高纯度氧气（≥95%）和高纯度氮气（≥99%）。
这项突破性进展源于卡尔·冯·林德于 1910 年提出的双塔（双柱）工艺。双塔空气分离装置使用两个串联的蒸馏塔，分别在不同的压力下运行——通常是一个高压塔和一个低压塔——并通过一个共用的冷凝器-再沸器连接起来。在高压塔（通常运行压力约为 5-8 巴）中，空气被分离成塔底富含氧气的液体（氧气含量约为 35-40%）和塔顶富含氮气的蒸汽。这些氮气蒸汽在共用换热器中与来自低压塔的沸腾富氧液体进行热交换，从而冷凝成液态氮。所得的液态氮作为回流液送入第二个低压塔（运行压力约为 1.0-1.3 巴）。在低压塔中，这种额外的回流液使得深度净化成为可能：在塔底获得高纯度氧气（约 99% O₂），同时从塔顶抽出高纯度氮气（约 99.9% N₂）。因此，这两个塔协同工作——高压塔进行粗分离（并提供大量的低温液态氮），低压塔将产品精炼至商业纯度。这种双塔配置彻底改变了空气分离技术，实现了同时生产高纯度氧气和高纯度氮气，且回收率高，这是单塔无法实现的。
如今的大型工业空分装置（ASU）都基于双塔核心结构，并通常会增加用于分离氩气或其他稀有气体的附加塔。氩气存在于空气中（约占0.9%），其沸点（-185.8°C）介于氧气（-183°C）和氮气（-196°C）之间。在双塔工艺中，氩气会在低压塔的中间阶段富集（因为它既不会随顶部的氮气排出，也不会完全随底部的氧气排出）。为了捕集氩气并防止其稀释氧气产品，需要从低压塔中部引出一股侧流进入第三个塔——氩气精馏塔。这个氩气塔在低压下运行，并以富含氩气的蒸汽（通常包含来自主塔的约10% O₂和90% Ar）为原料。通过进一步精馏，它可以产出粗液态氩（可在后续的纯化器中精制至≥99.999%），并将富氧流返回主塔。加入氩气塔可以去除氩气并将其作为单独的产品回收，从而生产高纯度氧气（≈99.5% O₂或更高），同时回收有价值的氩气。一些大型空分装置甚至包含三个以上的塔——例如，额外的塔用于捕集氖/氦或生产额外的液态产品——但典型的多塔工业空分装置包括一个高压塔、一个低压塔和一个（或两个）用于分离氩气的附加塔。具体的塔配置根据所需产品和纯度进行定制：例如，钢铁厂的空分装置通常包含一个氩气塔，用于为冶金工艺提供氩气；而专门生产气态氮气的空分装置可能省略氩气回收，并采用更简单的双塔循环。无论具体配置如何，多个塔在不同压力下的相互作用对于实现低温空气分离的高纯度和高能效至关重要。
压力优化：热力学方面的考虑
精馏塔的操作压力是空分装置设计的关键因素，因为它直接影响分离的热力学过程和所需的能量。精馏的原理是利用氮气和氧气沸点的差异——而这种差异是与压力相关的。较低的塔压会增加氮气/氧气混合物的相对挥发度，这意味着氮气和氧气在较低压力下更容易“分离”（气液平衡在每个阶段都更有利于气相和液相之间较大的组成差异）。这往往会减少给定分离所需的理论级数。然而，低压操作也意味着需要非常低的温度才能使气体液化和沸腾。例如，在1个大气压下，氮气的沸点为-196°C，氧气的沸点为-183°C；除非有内部制冷源，否则在如此低的温度下提供回流是很困难的。在单塔式空分装置中，没有方便的低温液体来源，这就是为什么单塔式装置在历史上无法实现高纯度分离的原因——它们缺乏足够的制冷和回流来推动分离过程。
使用多个压力级别（例如经典的双塔设计）本质上是一种优化这种热力学权衡的方法。在较高压力下运行第一塔会提高氮气的冷凝温度（例如，在约 6 bar 的压力下，氮气会在约 –170 °C 而非 –196 °C 的温度下冷凝）。这种较高的温度使得高压塔中的氮气蒸汽能够被低压塔中沸腾的氧气冷凝。另一方面，低压塔受益于接近大气压操作带来的分离效率提升——氧气和氮气在约 1 bar 的压力下具有更大的相对挥发度，因此可以用更少的级数实现更高的纯度。本质上，高压塔牺牲了一些分离的便捷性（由于压力较高且沸点接近），以便为低压塔提供必要的冷回流，然后低压塔在最佳低压条件下完成分离。最终结果是，与任何单塔方案相比，这种工艺的能效要高得多，因为用于压缩空气的功被重新用于提供冷却（通过氮气冷凝），而不是被浪费掉。
对于给定的产品产量，存在一个最佳操作压力范围，可以使总功耗（主要包括空气压缩机负荷和膨胀机/再沸器负荷）最小化。如果高压塔的压力设置过低，高压氮气冷凝和低压氧气沸腾之间的温差会变得太小，不足以驱动塔间冷凝器中的热传递——此时系统需要从外部来源（例如，通过膨胀涡轮机分流更多空气）提供额外的制冷量才能实现足够的液化。这会带来额外的能量损失，并且还会导致在低温生产过程中浪费更多的氧气（因为任何膨胀/排放的气流都会带走一部分氧气）。相反，如果高压设置过高，主空气压缩机需要比热力学分离所需的功耗大得多。超过某个临界点后，提高压力对分离效果的提升很小，但由于压缩比的提高，功耗会急剧增加。在实践中，设计人员会确定一个最佳高压操作点来平衡这些影响。这个压力通常刚好足以确保在高压塔中氮气能够充分冷凝（冷凝器中只有很小的温差），而不会更高。对于许多大型低温空分装置，这个最佳高压通常在 6-8 bar 左右（低压塔的压力约为 1.1-1.3 bar）。在这个范围内，生产氧气/氮气的总比能耗接近最小值。例如，研究表明，在高压侧以大约 0.75 MPa（≈7.5 bar）和低压侧以约 0.11 MPa（≈1.1 bar）的压力运行双塔空分装置可以获得非常低的㶲损失——这基本上证实了传统设计在压力选择方面接近热力学上的“最佳点”。
压力优化曲线这一概念通常通过绘制空分装置的功耗与高压塔操作压力之间的关系图来直观地展现。这条曲线通常呈U形：在极低的压力下，功耗很高（内部回流不足会导致制冷浪费和产品损失）；然后，功耗在中等压力下降至最低点；在高压下，功耗又会再次升高（由于压缩机功耗过高）。双塔结构的出现正是源于这种优化逻辑——人们发现，任何单一压力下的单塔设计都无法同时实现高纯度和低能耗。通过将空气分离过程分配到两个不同的压力水平，早期的设计者找到了一种更接近理想分离功耗的方法。简而言之，塔的压力选择和塔的结构配置是相互关联的：选择合适的压力可以实现有效的热集成和分离，这也推动了空分装置从单塔向多塔结构的演变。如今，即使现代装置采用了更先进的循环和设备，压力调节仍然是空分装置设计的关键环节。
对氧气和氮气回收率及纯度的影响
最佳的塔柱配置和压力最终取决于它们对产品回收率和纯度的影响。低温空气分离装置 (ASU) 的设计目标通常是在满足严格的纯度要求的同时，尽可能多地从进气中回收氧气和氮气。从单塔操作到双塔操作的转变带来了氧气回收率的巨大提升。在单塔 ASU 中，相当一部分氧气不可避免地会随富氮顶气流出（因为如果没有足够的冷凝回流，塔顶蒸汽会含有相当量的 O₂）。这可能使氧气回收率限制在 90% 左右甚至更低。相比之下，设计良好的双塔 ASU 几乎可以捕获进气中的所有氧气。高压塔的冷凝回流将大部分氧气从氮气流中分离出来，然后低压塔进一步去除剩余的氧气，最终得到通常含有 99.9% N₂ 和微量 O₂ 的废氮气流。现代大型 ASU 的总氧气回收率通常超过 98-99%。实际上，这意味着进气中的几乎每一个氧分子最终都会进入产品氧气流。
多塔式设计也能提高产品纯度。对于氮气而言，引入第二个塔意味着低压塔顶部的产品纯度极高——通常高于 99.9% 的 N₂（足以满足工业甚至电子级应用的需求）。这与单塔系统的产物形成鲜明对比，单塔系统产生的氮气纯度可能只有 90% 到 95%，因为它含有相当量的氧气。在氧气方面，不进行氩气提取的基本双塔式空分装置可以生产纯度约为 95% 到 97% 的 O₂。这里的限制因素在于氩气：由于氩气的沸点介于 O₂ 和 N₂ 之间，它在双塔系统中无法被分离，因此会残留在富氧液体中。在不去除氩气的双塔循环系统中，低压塔底部的产品是含有少量氩气的氧气（通常约为 93% 到 95% 的 O₂，其余为 Ar 和少量 N₂）。对于许多钢铁和化工工艺而言，这种 95% 的 O₂ 是可以接受的——事实上，一些“节能型”空分装置设计会故意降低氧气产品的纯度（90% 到 95%）以降低功耗，前提是下游工艺能够容忍氩气的存在。
为了生产超高纯度氧气（通常为 99.5% O₂ 或更高），并同时捕集氩气，空分装置（ASU）会像前面所述的那样增加专用的氩气精馏塔。通过提取氩气，主低压精馏塔可以提供几乎不含氩气的液氧，然后将其蒸发，得到纯度为 99.5% 至 99.8% 的氧气产品。（剩余的 0.2% 至 0.5% 主要为氩气，以及微量的氮气。）但这样做也有弊端，即增加氩气精馏塔及其冷凝器/再沸器会略微增加装置的复杂性和能耗。氩气精馏塔中会发生额外的沸腾和冷凝过程，这需要消耗制冷量，并可能略微降低整体氧气回收率（因为少量 O₂ 可能会损失在富含氩气的废气流中）。尽管如此，生产纯度高于 99.5% 的氧气通常是必不可少的（例如，在通过碱性氧气转炉进行炼钢时），而且氩气副产品也具有经济价值。一台优化良好的配备氩气精馏塔的空分装置可以回收空气中 70% 或更多的氩气作为产品，同时仍能提供纯度为 99.5% 的氧气。通常认为，为了获得更高的产品价值和氧气纯度，为回收氩气而付出的能源成本是值得的。总之，压力优化型多塔式空分装置可以实现空气中氧气的近乎完全回收，并生产高纯度产品。设计人员可以根据需求权衡纯度和能耗——例如，如果 95% 的 O₂ 纯度就足够，则可以牺牲几个百分点的 O₂ 纯度来节省能源——但大多数为燃烧或化学反应器供应氧气的大型装置都力求达到最高纯度，并会配置必要的精馏塔以实现这一目标。
能源效率权衡与优化
在大型低温空气分离装置（ASU）中，能源效率至关重要——即使是几个百分点的改进，也能在ASU的整个运行寿命期间节省大量的电力。因此，必须仔细管理塔压、装置配置和能耗之间的关系。如上所述，将高压塔压力提升到最佳水平，与压力过低的情况相比，可以显著降低制冷负荷。另一方面，如果压力超过最佳水平，压缩机将消耗额外的电力，而分离效果却提升不大。操作人员必须权衡这些因素，以最大限度地降低低温空气分离装置的单位能耗。
从整体来看，一台最先进的低温空气分离装置（ASU）每生产一公斤氧气（纯度约为 95%–99%）可能消耗约 0.20–0.25 千瓦时的电能。这相当于每生产一吨氧气消耗约 200–250 千瓦时电能。换句话说，一座日产 3000 吨氧气的工厂每天可能消耗约 250–300 兆瓦时的电能。具体数值取决于产品纯度和输送压力：例如，生产 99.9% 纯度的氧气比生产 95% 纯度的氧气需要更多的回流和再沸腾能量，因此纯度越高，所需的电能就越多。同样，如果氧气必须在高压下输送（例如，用于气化炉的压力为 30 巴），则需要额外的能量来压缩或泵送产品。
关键：低压运行（例如本例中的 5 巴）会略微降低氧气回收率，并且需要更多的制冷，从而增加每吨氧气的能耗——因为高压塔无法提供足够的冷凝能力，必须通过膨胀机或其他方式产生额外的冷量。优化的约 8 巴工况可实现几乎完全的氧气回收，且只需极少的额外制冷，从而实现最低的比能耗。极高的压力（10 巴）并不能提高回收率或纯度（因为它们已经达到最大值），反而会迫使压缩机更加努力地工作，从而增加比能耗。这体现了经典的压力权衡：压力过低或过高都会带来不利影响，而中间压力可以使能耗降至最低。
从以上分析可以看出，“更高的压力”并不总是对效率有利——存在一个最佳压力点。ASU（空气分离装置）的设计人员致力于在该最佳点运行。他们不仅通过选择合适的塔压来实现这一点，还通过利用高效的工艺设备和循环配置来实现。如今的低温空气分离装置使用涡轮膨胀机（低温涡轮机）而不是简单的焦耳-汤姆逊阀来产生制冷，因为膨胀式涡轮机可以从膨胀气体中回收能量，从而降低净功耗。此外，ASU中的换热网络经过精心设计，使其尽可能接近温度交叉点，从而最大限度地减少能量损失。主换热器和多流冷凝器/再沸器单元的设计具有较小的温差（夹点），因此很少有压缩能量以不可用的热量形式耗散掉。
根据所需的产品压力，还可以采取一些策略性的设计方案来降低能耗。例如，如果下游工艺需要高压氧气（例如，用于富氧燃烧系统或气化炉的30-60巴压力），那么在如此高的压力下进行整个蒸馏过程将非常低效。因此，一种常用的技术是在空分装置中以约1巴的压力生产液氧，然后使用低温液体泵将液氧加压至所需的高压，之后再将其汽化成气态。泵送液体所需的能量仅为压缩气体所需能量的一小部分——这种“内部压缩”方法可以显著降低高压氧气供应的总功耗。另一种方法（对气态产品进行外部压缩）仅在需要中等压力或作为备用系统时使用，因为它的效率要低得多。通过集成液氧泵并将核心蒸馏过程保持在最佳低压状态，现代空分装置可以在不牺牲热力学效率的情况下满足高压输送的要求。
总而言之，低温空气分离装置（ASU）实现高能效的关键在于合理优化压力和配置。从添加氩气塔到选择膨胀机的数量，每一个设计决策都会对其整体能量平衡产生影响，因此都需要进行评估。最佳设计方案会在工艺流程中尽可能多地回收和再利用冷量，并避免任何不必要的压缩。持续不断的创新，例如塔间更广泛的热集成（例如内部热集成精馏塔）和改进的膨胀机技术，正在不断推动效率接近理论极限。尽管如此，即使是目前使用的标准双塔式空气分离装置设计，也是数十年来不断改进的结果，其目标是尽可能接近理论上的最小分离功。
实际设计限制和针对具体情况的优化
虽然塔柱配置和压力优化的原理提供了一个通用框架，但实际应用必须考虑实际限制，并根据具体用例进行调整。低温空气分离装置 (ASU) 的设计不能脱离实际；机械限制、安全性和操作灵活性等因素都会对上述理论理想构成制约。一个重要的限制是机械方面的：精馏塔是压力容器，因此更高的操作压力需要更厚的容器壁（以承受内部压力），从而导致更高的材料成本和制造难度。当压力超过约 8-10 巴时，用钢材建造大直径塔柱将变得不切实际或极其昂贵。此外，空气组分在高压下会接近其临界点（N₂ 的临界点约为 34 巴，O₂ 约为 50 巴），而精馏过程依赖于将蒸汽冷凝成液体。如果试图在接近或高于混合物临界压力的条件下运行精馏塔，液相和气相之间的区别就会消失，分离过程也会失效。因此，ASU 绝不会在极端压力下运行——如果需要非常高的产品压力，设计会采用上述液体泵送或对产品进行二次压缩，而不是将整个冷箱置于高压下。在低压方面，塔柱压力不能远低于大气压；对空气进行真空精馏会大大增加体积流量（由于密度低），并可能导致空气泄漏，更不用说还需要更低的温度，而这超出了实际制冷能力的限制。因此，我们讨论的典型操作压力（高压塔约为 5-8 巴，低压塔约为 1 巴）也符合实际工程限制。
影响设计的另一个因素是特定的行业和工艺要求。例如，钢铁厂通常需要接近大气压的氧气（用于以略高于大气压的压力吹入熔炉），但需求量巨大，而且他们通常还需要氩气作为冶金的副产品。因此，用于钢铁厂的空分装置（ASU）的设计目标是实现极高的氧气产量、高纯度和氩气回收，但不一定需要高输送压力。由于钢铁生产是连续的，这些装置通常针对满负荷或接近满负荷的连续稳定运行进行优化。事实上，许多钢铁厂以恒定速率运行其空分装置，并在需求较低的时期生产过剩的液氧或液氮——因为大幅度调节低温空分装置的运行速度既缓慢又低效。（低温空分装置的最小负荷通常约为设计产能的50-60%；低于此值，塔系统可能会变得不稳定，可能导致塔内液体全部排出并导致装置停机。）为了应对氧气需求的瞬时峰值（例如，高炉鼓风或转炉加料期间），钢铁厂的空分装置通常会配备缓冲储存系统：在需求较低时，多余的氧气被液化并储存在储罐中，以便在需求激增时进行气化并供应。因此，钢铁厂空分装置的优化重点在于高可靠性、最大氧气产量和基本负荷下的效率，并包含氩气回收功能——而快速调节生产速率的能力则不那么重要（所需的灵活性通常由液体备用系统提供）。
相比之下，化工厂或气化设施可能需要中压或高压氧气来供给反应器（例如，氨厂的重整器、环氧乙烷反应器或IGCC气化炉）。如前所述，空分装置（ASU）可以通过先生产低压液氧，然后将其泵送到所需压力，或者在必要时集成氧气压缩机来满足这些需求。这些设施也可能重视集成性和响应速度。例如，在一些气液转化或发电联合装置中，空分装置与燃气轮机集成在一起——燃气轮机的空气压缩机可以为空分装置提供部分进料空气，而空分装置产生的氮气则用于燃气轮机进气稀释或其他用途。这种集成设计可以提高整体工艺效率，但需要空分装置的设计能够与其他系统紧密耦合（这会影响操作压力和控制策略等方面的选择）。针对具体情况的优化还包括确定生产多少种产品以及生产哪些类型的产品。一些空分装置除了生产气态产品外，还设计用于生产液态产品（液氧、液氮、液氩），这为备用供应或对外销售提供了灵活性。增加液化能力会增加能耗，因此是否这样做取决于可靠性和业务需求。总之，为化工厂服务的空分装置可能会为了满足该工厂独特的压力和灵活性要求而增加一些复杂性（额外的压缩机、泵以及与其他装置的集成），而为钢铁厂服务的空分装置则可能尽可能保持简单，但会以大规模建造以提高效率。
最后，还有一些影响所有行业空分装置设计的运行和安全方面的限制。空气在进入冷箱之前必须进行彻底净化——必须去除水分、二氧化碳和碳氢化合物，使其含量降至百万分之一的水平，以防止结冰或发生危险反应。在低温富氧环境中，容易发生危险的快速氧化；因此，必须严格选择结构材料（例如不锈钢、铝合金）并制定严格的清洁标准，以避免火源。这些因素会带来一些限制（例如，需要吸附式预净化装置，这意味着空气进料压力通常至少为 5-6 巴，以确保高效净化和足够的处理量）。虽然这些因素不会直接决定塔的结构或内部压力，但它们构成了空分装置必须在其范围内进行优化的边界条件。即使在热力学上看起来很理想的设计，也必须根据实际限制进行验证，例如“我们能否制造出这种塔？”或“如果发生故障，我们是否有足够的安全裕度？”
总而言之，为特定应用设计低温空气分离装置（ASU）需要将通用的热力学原理与实际情况相结合。其基本目标始终不变——以最低的能耗实现最高的回收率和纯度——但具体的解决方案（例如塔的数量、操作压力、辅助系统和控制策略）会因应用场景的不同而有所差异，例如钢铁厂的大型制氧装置与化工厂的小型高压空气分离装置的设计方案就会有所不同。通过理解热力学原理与实际限制因素之间的相互作用，工程师可以对塔体和压力进行优化配置，使其最适合每种应用场景，从而确保每台低温空气分离装置都能可靠、安全地提供所需的性能。
结论
低温空气分离装置（ASU）将继续是大规模生产工业气体的主力设备。优化的塔体配置和精心选择的操作压力相结合，使这些装置能够以不断提高的能源效率实现高产品纯度和高回收率。随着需求的增长和工艺的演进（例如，对低碳炼钢或更高效的化工生产的需求），ASU技术也在同步发展——但其核心原理保持不变。通过掌握热力学和工程限制之间的相互作用，设计人员可以确保低温空气分离装置提供可靠、节能的性能，以满足任何大规模应用的特定需求。
