低温空气分离是将大气中的空气冷却至低温，并利用分馏技术将其分离成主要成分（氧气、氮气和氩气）的过程。该过程利用各成分沸点的差异，使每种成分都能在其特征温度下被分离出来。最终可获得高纯度产品：根据分馏级数的不同，空气分离装置通常可以实现氧气和氮气纯度在 99.0% 至 99.999% 之间的产品。
大型低温空分装置（ASU）连续运行，将空气压缩至 5–10 bar，并采用多级制冷技术将温度降至 -180°C 以下。这些系统每天可生产数百吨氧气、氮气和氩气，服务于从钢铁制造到半导体和医疗保健等众多行业。与替代方法相比，低温空气分离是超纯气体批量生产的首选方法，因为它能够同时提供大流量和高纯度气体。压缩、低温冷却和分馏技术的结合，使现代空分装置能够在不影响气体质量的前提下，满足工业气体供应的高需求。
低温空气分离原理
低温空气分离的核心原理是对液化空气进行分馏。首先将环境空气压缩至高压（通常为5-10巴表压）以提高效率。利用吸附器（例如分子筛）去除水蒸气、二氧化碳和碳氢化合物等杂质，以防止低温设备中结冰。净化后的空气随后进入集成式换热器，与流出的冷产品气流进行逆流换热，从而逐渐冷却。这种逆流换热使空气温度降至接近氧气和氮气的液化点，通常低于-150°C。
当压缩空气冷却到低于氮气沸点（-196°C）但高于氧气沸点（-183°C）时，会发生部分液化。形成富氧液体，而剩余气体则富含氮气。这种温度降低是利用焦耳-汤姆逊效应和膨胀涡轮实现的。现代空分装置通常采用涡轮膨胀机：这些装置膨胀一部分高压空气或氮气，在提供所需制冷的同时回收能量。这样，膨胀涡轮既能将气体冷却到低温，又能辅助驱动压缩机，从而提高整体能源效率。总之，低温空气分离利用高压和极低温下空气的热力学性质，通过沸点实现分离。
现代化的工业低温空气分离装置。这类装置利用多级压缩机、热交换器和高耸的蒸馏塔，将空气分离成氧气、氮气和氩气。主蒸馏塔的高度通常超过数十米，这反映了实现高纯度分离所需的理论级数。
低温空气分离 工艺
典型的低温空气分离装置 (ASU) 可分为几个阶段。首先，环境空气经过滤器吸入，然后由多级压缩机压缩至约 5–10 bar。压缩机各级之间的中间冷却器用于去除压缩产生的热量。高压空气随后通过分子筛床，去除其中的 H₂O、CO₂ 和碳氢化合物。去除这些杂质对于防止冷段结冰以及确保最终的氧气和氮气产品符合纯度要求至关重要。
接下来，经过净化的高压空气进入主低温换热器（通常是板翅式换热器）。在换热器中，温暖的压缩空气与冷的物料流（液氧、液氮等）和冷的废气逆流冷却。到此步骤结束时，空气温度已从接近环境温度降至约-150°C，部分氧气液化。剩余的气体（此时富含氮气）主要以气态形式存在。
低温的、部分液态的空气混合物随后在低温条件下送入蒸馏塔。在高压（HP）蒸馏塔（工作压力约为6-8巴）中，液-汽混合物根据沸点进行分离。沸点较低的氮气倾向于以蒸汽形式从塔顶排出，而富氧液体则积聚在塔底。高压塔使用冷凝器或再沸器来回收热量并辅助分离：通常，膨胀的富氧气流提供冷却，使部分氮气冷凝。高压塔的塔顶产品是高纯度氮气（如有需要），塔底物流是富氧液体，用于下一阶段的进料。
低温的、部分液态的空气混合物随后在低温条件下送入蒸馏塔。在高压（HP）蒸馏塔（工作压力约为6-8巴）中，液-汽混合物根据沸点进行分离。沸点较低的氮气倾向于以蒸汽形式从塔顶排出，而富氧液体则积聚在塔底。高压塔使用冷凝器或再沸器来回收热量并辅助分离：通常，膨胀的富氧气流提供冷却，使部分氮气冷凝。高压塔的塔顶产品是高纯度氮气（如有需要），塔底物流是富氧液体，用于下一阶段的进料。
下表总结了主要工艺阶段，包括大致的压力、温度范围和功能：
| 阶段/组件 | 压力（巴） | 温度范围（摄氏度） | 功能/描述 |
|---|---|---|---|
| 进气与过滤 | ~1（环境） | ~15–25（环境） | 过滤进入空气中的灰尘和湿气 |
| 多级压缩和中冷 | 5–10（规格） | 40–100（压缩后） | 提高气压；中冷器去除压缩热 |
| 纯化（分子筛） | 5–10（规格） | ~15–25（环境） | 去除水、二氧化碳和微量杂质，以保护低温设备 |
| 主低温换热器 | 5–10（规格）→ 1.3（绝对值） | 环境温度至约-150 | 逆流式热交换器冷却并部分液化压缩空气 |
| 膨胀（透平膨胀机/JT 阀） | 5–10（规格）→ 1–1.3（绝对值） | ~–150 to –170 | 通过膨胀一部分高压空气来提供额外的制冷效果 |
| 高压蒸馏塔 | ~6–8 (gauge) | 顶部约 -195；底部约 -130 | 将氮气（上层气体）与富氧液体（下层）分离 |
| 低压蒸馏塔 | 1–1.3 (abs) | 顶部约 -196；底部约 -183 | 生产高纯度氧气（底部液体）和氮气（顶部气体） |
| 氩气回收（辅助柱） | ~1–2 (abs) | ~–190（液体抽取） | 从富氧气流中提取和提纯氩气 |
| 产品升温和储存 | 周围的 | 周围的 | 将产品气体加热至环境温度以便输送 |
每个阶段都经过精确控制，以维持所需的温度和压力梯度。空分装置的效率取决于最大限度地减少温差（使用高效的板翅式换热器）并尽可能多地回收冷能。例如，氧气和氮气产品流通常提供初始冷却所需的冷量，而膨胀涡轮机则提供额外的冷却，以达到最低的分离温度。
低温空气分离的工业应用
低温空气分离技术通过提供大量高纯度气体，为众多工业和医疗应用奠定了基础。其主要应用包括：
- 钢铁冶金：来自空分装置的氧气用于碱性氧气转炉（BOF）和电弧炉，以促进铁中碳的燃烧。高纯氮气和氩气为金属热处理和焊接提供惰性气氛，从而提高钢材质量。
- 化工和石油化工：纯氧对于环氧乙烷或甲醇生产等工艺以及原料气化至关重要。在氨合成（哈伯法）中，高纯氮气作为反应物，惰性氮气用于系统吹扫和压力维持。
- 能源与环境：空分装置为发电厂和垃圾焚烧炉中的富氧燃烧提供氧气，从而实现更清洁的燃烧并减少氮氧化物排放。氮气用于石油和天然气作业中的管道吹扫、油藏增压和储罐安全保护。大容量氧气还用于煤和生物质气化以生产合成气。
- 医疗保健和生命科学：医用级氧气（由空气供应装置 (ASU) 生产）供应给世界各地的医院和诊所。液氧和液氮用于低温储存（例如生物样本的冷冻保存）以及作为磁共振成像仪或超导设备的冷却剂。医院依靠院内空气供应装置或批量供应来满足对氧疗的持续需求。
- 电子与半导体：半导体制造需要超高纯度的氮气和氩气用于芯片生产。低温空气分离装置 (ASU) 可生产不含污染物（例如，水分和碳氢化合物含量低于 1 ppb）的这些气体，从而确保晶圆加工和等离子刻蚀所需的洁净环境。
- 食品饮料行业：虽然二氧化碳通常通过其他低温工艺供应，但来自空分装置的氮气被广泛用于食品包装、低温冷冻以及作为食品饮料加工中的保护性气氛。惰性氮气气氛可以延长包装食品的保质期并防止氧化。
- 航空航天与国防：液氧是火箭推进系统的主要氧化剂。大型发射设施依靠空分装置（ASU）供应液氧和气态氧。低温氮用于飞机燃料箱惰化和导弹系统。空分装置通过生产极冷、纯净的气体，为许多需要可靠低温供应的航空航天应用提供了支持。
这些应用充分利用了低温空分装置（ASU）持续可靠的输出。低温空气分离技术的通用性也使其能够集成到工业综合体中：例如，钢铁厂和化工厂通常会在厂内安装空分装置，以避免长距离运输大量气体。在大型工业环境中，空分装置产生的废氮气可以回收利用，用于工厂吹扫或额外的制冷，从而提高整体效率。诸如改进的隔热性能、混合制冷剂预冷和优化的控制系统等技术进步，不断提升空分装置的性能并降低能耗。
结论
它是目前大规模生产高纯度氧气、氮气和氩气的主要工业方法。尽管现代工厂采用了最先进的设备，但低温空气分离的热力学原理——压缩、低温冷却和分馏——与林德公司1895年首次开发该工艺时并无二致。成功的空气分离装置设计需要精确匹配塔和换热器之间的压力和温度，并将膨胀制冷与高效换热相结合。
随着工业气体需求的增长，低温工艺技术也在不断发展。工程师们采用日益复杂的循环配置（例如混合制冷剂回路或涡轮驱动压缩机）和先进材料，以提高产能和能源效率。无论规模大小，低温空气分离始终是一项关键的使能技术：它能够可靠地供应高纯度气体，为冶金、化工、医疗保健、电子等行业的关键运行提供支持，从而满足全球经济中重工业和先进应用的需求。
