低温空气分离是一种工业过程，通过将大气冷却至极低温度并蒸馏液态空气来分离其主要成分。该方法利用了空气中各成分沸点不同的特性。通过将空气在低温（低于约-180°C）下液化并送入蒸馏塔，该过程可以高效地生产大量高纯度的氧气、氮气和氩气。低温空气分离装置（ASU）是现代工业气体生产的主力军，为从钢铁制造、石油炼制到电子制造和医疗保健等各个行业提供关键气体。由于该技术能够从单一进料流中高效、大规模地生产多种工业气体，因此，在对氧气和氮气持续需求至关重要的领域，低温空气分离已成为主流解决方案。
低温空气分离原理
低温空气分离的原理很简单：将空气冷却至液化，然后利用分馏技术，根据各组分沸点的差异将其分离成不同的组分。在实际装置设计中，低温空气分离工艺的布置旨在使每个压缩、换热和蒸馏步骤都能尽可能地保留制冷量，从而降低装置的单位能耗。在常压下，氮气的沸点约为-196℃，氧气约为-183℃，氩气约为-186℃。这些不同的沸点（见表1）意味着，当空气液化并沸腾时，氮气会首先汽化，氧气最后汽化，氩气则介于两者之间。通过控制温度和压力，空气分离装置（ASU）可以在不同的蒸发或冷凝阶段收集每种气体。
表1：1个大气压下干燥空气主要成分的沸点
| 成分 | 空气中约占体积的百分比 | 沸点（摄氏度） |
|---|---|---|
| 氮（N₂） | ~78% | –196 °C |
| 氧气 (O₂) | ~21% | –183 °C |
| 氩气（Ar） | ~0.9% | –186 °C |
在典型的空气分离装置（ASU）中，空气首先被转化为液态混合物，然后进行蒸馏。在蒸馏塔内，反复的蒸发和冷凝循环使上升的蒸汽中富集氮气，下降的液体中富集氧气。氩气的沸点介于氧气和氮气之间，它从蒸馏系统的中间级抽出，通常送至单独的氩气提纯塔。这种多级蒸馏装置可生产出近乎纯氧（通常纯度为99.5%或更高）、纯氮（电子应用纯度高达99.999%）和氩气（通常纯度为99.9%或更高）。
为了实现这些分离，低温空气分离装置要经历几个关键的工艺阶段：
- 空气压缩——环境空气经过过滤和压缩，压力升高（通常在6-10巴左右）。压缩空气不仅会减小其体积，还会提高饱和温度，从而使空气更容易冷凝成液体。
- 净化 – 压缩空气通过净化系统，去除水蒸气、二氧化碳以及任何碳氢化合物或其他污染物。通常，会交替使用一对分子筛吸附器：一个吸附床捕获水分和二氧化碳，而另一个吸附床则进行再生。这一步骤至关重要，可以防止冷区结冰或干冰，并避免将易燃杂质引入富氧环境。
- 冷却和液化 – 洁净的加压空气通过热交换器和膨胀制冷冷却至低温。首先，空气在多通道热交换器（通常是钎焊铝板翅式热交换器）中与输出产品流进行热交换，从而进行预冷。为了实现液化，一部分空气（或单独的循环气体）通过涡轮膨胀机进行膨胀。膨胀涡轮机显著降低气体温度（同时做功），产生温度通常接近-180°C的富含液体的低温空气流。
- 分馏——低温液化空气进入分馏塔系统。大多数空分装置采用双塔设计：高压塔和低压塔堆叠在一起，并通过换热器（冷凝器/再沸器）连接。在高压塔中，空气开始分离：氧气聚集在塔底的液体中，氮气则聚集在塔顶的蒸汽中。来自高压塔底部的富氧液体随后被送入低压塔进行进一步提纯。在那里，它在接近大气压的压力下进行蒸馏，得到几乎纯氧的塔底液体和纯氮气。氩气通常从低压塔中氩气浓度最高的中间塔盘中抽出，并送至专用的氩气蒸馏塔以生产高纯度氩气。通过这种级联蒸馏过程，各种气体被分离到所需的纯度。
- 产品收集 – 分离后的气体从塔中取出并作为产品输送。氮气和氧气流经热交换器升温至环境温度，然后以所需压力输送至管道或现场用户。如果需要液态产品，部分或全部输出将以液态形式储存在隔热低温储罐中。氩气经提纯后，通常以液态储存或压缩后用于充装气瓶。现代低温空气分离装置通常连续运行，产品储存装置可作为缓冲，以应对需求波动或在维护期间提供备用氧气/氮气。
低温空气单元的主要组成部分
大型低温空气分离装置由多个集成组件构成，每个组件在工艺过程中都发挥着特定的作用：
- 进气和压缩系统：该系统包括进气过滤器和多级空气压缩机（带中间冷却器），用于将进气压力提升至所需水平（蒸馏系统压力约为 6-8 巴）。压缩机为整个过程提供驱动力，通常也是装置能耗的主要来源。
- 预净化单元 (PPU)：位于压缩机下游的预净化单元用于净化空气。它通常包含双层分子筛床，交替吸收高压空气中的杂质（水、二氧化碳和痕量碳氢化合物）。如果没有这种净化，水分会在冷箱中冻结成冰，二氧化碳会冻结成干冰，从而堵塞设备；而碳氢化合物则会在富氧环境中积聚，造成爆炸隐患。压缩机组、预净化单元和冷箱的合理匹配对于高效的低温空气分离至关重要，因为不必要的压降或温度损失会直接增加运行成本。
- 低温换热器 净化后的加压空气被送入低温换热器，在换热器中与返回的低温产品气体（氧气、氮气、氩气）进行碰撞，逐渐冷却。最常见的设计是铝合金板翅式换热器，它结构紧凑，却拥有较大的表面积。空气离开换热器冷端时，温度仅比其液化点高几度。
- 膨胀涡轮机（制冷）：为了产生所需的制冷量，采用了一台涡轮膨胀机（膨胀涡轮机）。在该装置中，一部分冷却的加压气体膨胀至较低压力，将压力能转化为冷量。膨胀使气体温度显著降低，从而使大部分气体冷凝成液体。膨胀机提取的能量通常用于驱动空分装置内的交流发电机或增压压缩机，从而回收能量以抵消部分电力负荷。
- 蒸馏塔（冷箱）：低温空气分离装置 (ASU) 的核心是位于大型隔热冷箱内的蒸馏系统。通常，高压塔位于低压塔之上，两者热耦合（高压塔的冷凝器用作低压塔的再沸器）。多个内部塔盘或填料使上升的蒸汽和下降的液体充分接触，从而通过分馏分离氮气、氧气和氩气。由于氩气的沸点接近氧气，因此可以集成一个氩气侧塔来提取高纯度氩气。
- 产品储存与输送：分离后，产品气体离开冷箱。用于气态用途的氧气和氮气通过主换热器重新加热至环境温度，然后加压输送（例如，氧气可能以约 5-10 bar 的压力输送到钢铁厂的管道）。氩气可以压缩用于钢瓶充装或其他用途。在许多工厂中，一部分输出以液态形式（液氧、液氮、液氩）储存在现场的低温储罐中。这些液体作为备用供应，使工厂能够应对需求波动（例如，在需求低谷期生产额外的液体，在需求高峰期或空分装置停机时将其汽化成气体）。
工业应用
低温空气分离在众多行业中发挥着至关重要的作用，可提供大量的工业气体：
- 钢铁及金属：钢铁生产商依赖空分装置（ASU）提供的大量氧气，用于诸如碱性氧气转炉（用于脱碳炼铁）和富氧燃烧器等工艺。氮气用于炼钢过程中的吹扫和保护，氩气则注入熔融钢中以搅拌和去除杂质。这些气体也用于金属切割和焊接作业，其中氧气促进燃烧，氩气则保护高温金属免受空气污染。
- 化工和炼油：许多化学工艺依赖于低温空气分离来获取原料气体。例如，氨的生产需要氮气（与氢气结合生成氨），通常由空分装置 (ASU) 提供。炼油厂和石化厂使用氧气进行煤或重油残渣的气化以及氧化工艺（例如部分氧化反应）。高纯氧气还可以提高焚烧炉和锅炉的燃烧效率。
- 能源与环境：在发电领域，尤其是在整体煤气化联合循环（IGCC）电厂或富氧燃烧系统中，低温空气分离技术以可控的方式提供燃料燃烧所需的氧气，从而实现碳捕获。不断发展的清洁能源领域也使用空气分离装置（ASU）；例如，通过气化或某些化学链式反应大规模制氢需要氧气。
- 电子和半导体制造：超高纯氮气（纯度为 99.999%，即“五个九”）对于在半导体制造中营造惰性气氛至关重要，可防止芯片生产过程中发生氧化和污染。同样，来自空气分离装置的氩气也用于硅晶体生长等工艺，以及电子产品和特种材料制造中的溅射工艺。
- 医疗保健和医用气体： 医院和医疗机构依赖于稳定的医用氧气供应。大型低温空气分离装置生产液氧，液氧被运送到医院，然后在现场汽化，为患者提供呼吸氧气。空气分离装置还为医疗器械制造提供气态氮，并为冷冻保存和医学研究提供液氮。
- 食品和饮料： 食品工业利用空气分离产生的氮气进行食品包装（以置换氧气并延长保质期），并利用液氮对食品进行速冻。
效率和能源考量
低温空气分离是一个高能耗过程。由于需要压缩大量空气并产生低温制冷，空气分离装置（ASU）消耗大量电力。事实上，驱动空气压缩机和冷却设备的电动机通常使ASU成为工厂综合体中最大的电力消耗设备之一。一个典型的现代化ASU生产一吨氧气（并同时生产氮气和氩气）可能需要消耗约200-250千瓦时的电力，这比理论最小分离功（氧气约为50千瓦时/吨）高出数倍。更高的产品纯度或生产液态产品会进一步增加单位能耗。例如，将气体液化（而不是以常温气体形式供应）会使每单位产品的能源需求大致增加一倍，因为需要额外的制冷。
多年来，工程技术的进步不断提升了该工艺的能源效率。大型低温空气分离装置通常比小型装置更节能，这得益于规模经济和更先进的循环设计。诸如更优化的换热器设计（实现更小的温差）、在蒸馏过程中使用规整填料代替塔盘（降低压降并提高分离效率）以及更高效的涡轮膨胀机等工艺改进，都有助于降低能耗。此外，现代空分装置采用先进的过程控制系统和优化算法来最大限度地减少能耗——实时调整塔的操作条件和压缩机负荷，以在满足需求的同时最大限度地降低能耗。与其他工艺的集成也能提高效率；例如，可以利用附近系统或燃气轮机的废热来再生PPU吸附器或为蒸馏塔提供部分再沸热，从而降低空分装置的独立能耗。
挑战与发展
尽管低温空气分离技术已经成熟可靠，但它仍然面临一些挑战，并且仍在不断发展：
- 高能耗：电力消耗是空分装置 (ASU) 的主要运行成本。对电力的依赖意味着生产成本和碳足迹与能源直接相关。在能源成本不断上涨和可持续发展日益受到重视的时代，降低空气分离的能耗强度面临着巨大压力。目前，人们正在研究循环优化和降低能耗的新技术，但任何新方法都必须克服气体分离的基本热力学限制。
- 资本投资与规模：低温空分装置是复杂的大型设备，需要大量的资本投入。它们只有在大规模生产（日产量数百至数千吨）时才具有经济效益。由于需要重型设备（压缩机、换热器、蒸馏塔）和庞大的制冷基础设施，项目周期较长，且需要专门的工程设计。这也使得将该技术缩小规模以应用于小型或模块化应用变得困难——尽管纯度较低，但对于小批量生产，通常会选择吸附（PSA）或膜分离等替代方案，因为在小规模生产中，完整的低温装置并不经济。
- 运行严谨性： 这些装置通常设计为长期连续运行（两次大修之间通常间隔数年），不适合频繁启停。低温空气分离工艺从热启动到冷却并开始生产合格产品可能需要数小时。因此，操作人员力求保持空分装置稳定运行。低温装置难以应对需求的突然变化，否则会造成效率损失。这种灵活性不足在与氧气需求量可变的工艺或电力价格可能波动的电网（例如，由于可再生能源输入量的变化）集成时会带来挑战。
- 安全注意事项： 处理极冷液体和高纯度氧气需要严格的安全措施。设备材料必须在 -200°C 下保持韧性，以避免脆性断裂。工厂内部富氧环境（尤其是在蒸馏塔的下部及其相关管道中）会导致有机物剧烈燃烧；因此，所有润滑剂、密封件和结构材料均经过精心挑选，适用于氧气环境，并严格排除碳氢化合物污染物。氮气虽然惰性，但如果泄漏到工作区域，会取代空气中的氧气，从而造成窒息风险。 ASU 的设计包含多层安全系统，需要训练有素的操作人员遵循严格的规程来管理这些危险。
- 氩气回收的复杂性：在空气分离中，回收氩气是次要目标（因为空气中氩气的含量较低），但这样做会增加复杂性。由于氩气的沸点与氧气的沸点仅相差几度，因此获得高纯度氩气需要额外的蒸馏步骤和对塔内条件的精确控制。氩气侧塔会增加能源消耗和设备数量，因此操作人员必须权衡氩气生产的价值与增加的成本。尽管如此，氩气是一种重要的工业气体，大多数大型空分装置 (ASU) 的设计都旨在高效地提取氩气。
- 新兴技术 虽然低温蒸馏目前在大规模空气分离领域仍无可匹敌，但其他方法也正在探索之中。先进的膜分离和变压吸附系统可以满足小规模需求，或在小规模下以较低的能耗生产中等纯度的O₂/N₂，但它们目前还无法满足大型用户对低温装置的产量和纯度要求。另一个发展领域是离子传输膜（ITM），它利用高温下的陶瓷材料通过离子扩散产生氧气；目前正在研究将其与发电厂集成，以更高效地为燃烧或气化提供氧气。如果这些技术成熟，未来的空气分离技术可能会在某些特定领域补充或部分取代低温方法。与此同时，低温空分装置（ASU）设计的不断改进——从更高效的压缩机和膨胀机到自动化和人工智能驱动的优化——确保了这项拥有百年历史的工艺始终保持领先地位。
结论
低温空气分离是工业领域的一项基础技术，能够大规模生产氧气、氮气、氩气以及其他支撑现代制造业、医疗保健和能源行业的必要气体。其核心原理是低温空气蒸馏，已被证明高效且可扩展，使得低温空气分离装置成为大容量、高纯度气体供应的标准配置。持续的创新旨在应对其面临的挑战——特别是能耗和运行灵活性——以确保低温空气分离在未来更加注重节能的时代继续满足先进工业流程的需求。总之，该工艺仍然是不可或缺的核心技术，其发展很可能会融合新的效率提升技术（并可能与其他新兴技术相结合），但其可靠地供应大量工业气体的能力将使其在未来数年内继续在许多关键领域发挥核心作用。
