低温空气分离装置 (ASU) 用于生产高纯度氧气、氮气和氩气，广泛应用于钢铁制造、石油化工和电力等领域。其核心原理很简单：压缩空气，冷却空气，然后让不同的组分根据沸点分离。但在实际工厂中，要使该工艺可靠地大规模运行，仅仅依靠冷却和蒸馏是不够的。其中一个至关重要的步骤——尽管在工程领域之外往往被忽视——是空气净化。这一步骤在空气进入低温阶段之前去除水分、二氧化碳和痕量碳氢化合物，从而保护设备并确保系统的长期稳定性。
1. 空气的组成及杂质带来的挑战
大气空气中大约含有 78% 的氮气和 21% 的氧气，同时还有少量的氩气、二氧化碳（CO₂）、水蒸气和微量烃类。在深冷空分过程中，水分和 CO₂ 是必须去除的主要杂质。当温度降到大约 −150 °C 以下时，它们会凝固——形成霜层或干冰，堵塞换热器内部的狭窄通道，并干扰冷箱中的温度控制。即使浓度非常低，仅为几百万分之一（ppm），也可能开始冻结并逐渐积聚，降低换热效率，增加压降，最终导致运行不稳定。为避免这些问题，进气在进入深冷系统前会经过净化处理，去除水分和 CO₂，使系统在长期运行中保持清洁、高效与安全。 （cryogenic air separation）
2. 净化系统的目的和原理
该净化系统在空气流进入主换热器和蒸馏塔之前，去除其中的水分和二氧化碳。其工作原理是吸附，利用填充有沸石和活性氧化铝分子筛的容器来吸附这些杂质，防止下游设备结霜。（低温空气分离）
压缩后的工艺空气先经过后冷却器和预过滤器，去除油、冷凝水和细颗粒物，然后进入双塔分子筛装置。运行中，一个分子筛床在压力下吸附水蒸气和二氧化碳，另一个分子筛床则由一股加热干燥的吹扫空气进行再生。两个分子筛床按固定时间周期交替运行，确保向冷箱持续输送洁净、干燥且不含二氧化碳的空气。（低温空气分离）
这一循环过程确保：
- 出口露点≤−60℃
- 二氧化碳浓度≤1ppm
- 向冷藏箱供应稳定、干燥、无污染的空气
3. 净化单元的典型配置
现代空分装置采用双床再生净化系统，该系统由以下部分组成：
- 吸附容器：填充活性氧化铝（用于去除水分）和分子筛（用于去除二氧化碳）
- 切换阀：用于在吸附和再生之间交替切换气流
- 电加热器或蒸汽加热器：用于在再生过程中提高吹扫气体的温度。
- PLC控制系统：用于控制时间顺序、监控温度和记录运行周期
在大型工厂中，该系统通常采用撬装式设计，旨在最大限度地减少压降并便于维护。一些先进的空分装置集成了预冷单元或烃类捕集器，从而提高了效率和安全性。（cryogenic air separation）
4. 净化不充分的后果
如果空气净化不彻底，残留的二氧化碳或水分会在进入冷箱时结冰。霜和干冰的积聚会使流道变窄，并扰乱主换热器内的传热分布。随着压降的增加，膨胀机和蒸馏塔会偏离其设计工况，导致机械应力增加和运行不稳定。
如果冷箱内开始结冰或形成固态二氧化碳，且未能及时纠正，主换热器内的流道可能会受阻。随着压降增大，传热效率下降，蒸馏塔的热平衡逐渐丧失。此时，操作人员必须停机，以便进行可控升温并清除冻结物。这种计划外停机不仅会消耗储存的制冷能量，还会扰乱塔内平衡，延长恢复时间并延迟产品交付。在连续生产设施中，一次结冰事件就可能造成巨大的能源浪费和可观的经济损失。
5. 再生与维护
分子筛会因灰尘污染或再生不完全而随时间推移降低吸附能力。定期监测出口露点和二氧化碳浓度对于及早发现性能下降至关重要。典型的维护工作包括：
- 验证再生温度（通常为 150–250 °C）
- 检查阀门密封性和切换顺序
- 根据空气质量，每2-3年更换或重新激活筛网材料。
现代空气分离装置 (ASU) 采用远程 PLC 监控，使操作人员能够实时跟踪吸附和再生状态。一些系统甚至采用节能再生技术，可将吹扫气体消耗量降低 10% 至 20%。
6. 与低温工艺的集成
离开净化单元后，工艺空气进入主换热器，在进入高压塔之前，其温度被逐步冷却至略高于液化温度。上游去除水分和二氧化碳可防止固体沉积在换热器的冷通道内，从而使工艺气流和回流气流之间的温差保持在较小范围内。维持这一较小的温差对于换热器和蒸馏塔之间的有效热耦合至关重要，它能确保冷箱内稳定的相态行为，并最大限度地降低空分装置的整体能耗。
从本质上讲，净化装置的作用是：
- 热交换器效率
- 冷藏箱清洁度
- 蒸馏稳定性
- 压缩机和膨胀机的长期可靠性
如果没有它，整个 ASU 将容易受到不可预测的停机和性能下降的影响。
7. 分子筛：纯化过程的核心
分子筛通常由沸石13X或NaX制成，其结构为刚性铝硅酸盐骨架，内部包含一系列尺寸精确的微孔。这种结构使其具有极高的内表面积，并对水蒸气和二氧化碳等极性分子具有很强的选择性。当压缩空气流经分子筛床层时，这些污染物通过物理吸附作用被捕获在孔隙结构中，而主要成分——氮气和氧气——则以极小的阻力通过。在再生过程中，加热的干燥吹扫空气流经反应器，将吸附的气体解吸，使分子筛恢复到正常工作状态。（Cryogenic air separation）
主要优势包括：
- 高吸附选择性
- 热稳定性和机械稳定性
- 通过重复循环实现可重复使用
- 紧凑的系统尺寸
这些特性使得分子筛非常适合满足低温空分装置的严格要求。
8. 技术发展趋势
随着人们对能源效率的需求日益增长，现代净化装置主要关注以下方面：
- 通过优化容器几何形状来降低压降设计
- 智能阀门排序可降低开关损耗
- 结合预冷和净化功能的混合吸附式制冷系统
- 先进吸附剂（例如 LiX、CaA 或复合沸石）具有更高的吸附容量和更快的再生速度。
在数字化工厂中，预测控制算法监测吸附饱和度，并自动调整再生时间以延长筛网寿命。
9. 结论
在深冷空分装置中，净化系统是压缩机组与冷箱之间的重要运行桥梁。通过从进气中去除水分、二氧化碳和微量烃类，净化单元可以防止换热器内结霜，并保持深冷系统所需的温度梯度，从而确保运行稳定。除了杂质控制外，净化系统还能稳定装置的热平衡，并在启动、再生或产品负荷波动时保护下游设备免受瞬时冲击。其典型结构采用双塔分子筛系统，能够通过自动切换塔流和受控热再生方式实现连续运行。对于工艺工程师而言，优化吸附效率、吹扫条件和循环时间，是实现低比功耗、稳定氧氮纯度、维持装置长期平稳运行的关键所在。
Keywords: cryogenic air separation, purification unit, molecular sieve, CO₂ removal, moisture removal, air separation unit (ASU), oxygen and nitrogen production, cryogenic distillation
