介绍
低温空气分离是目前大规模制氧的主要方法，可生产超纯氧以及氮气和氩气等副产品。空气分离装置（ASU）通过将环境空气冷却至低温并分离其成分，生产出用于工业用途的高纯度氧气。该工艺对于对氧气质量要求严格的行业至关重要。现代空气分离装置还通过热集成和先进的膨胀机来提高能源效率，从而有效控制该工艺的高能耗。本报告回顾了低温制氧工艺，讨论了性能和效率方面的考虑因素，并探讨了低温空气分离制取高纯氧的各种应用。低温空气分离仍然是目前最成熟的大批量制氧方法，尤其是在需要纯度高于 99.5% 的情况下。
低温空气分离技术
低温空气分离装置的工作原理是液化空气的分馏。该过程首先吸入环境空气并进行净化。压缩空气通过过滤器和分子筛或干燥剂床，以去除颗粒物、水分和二氧化碳（否则二氧化碳会冻结）。净化后的空气随后经过多级压缩至高压（通常为 5–8 MPa）。每级压缩后，空气在进入主低温系统之前，都会在中间冷却器或环境热交换器中进行冷却，以去除压缩产生的热量。
在冷箱内，压缩空气通过与返回的冷产品流进行逆流热交换而进一步冷却。关键的制冷步骤由涡轮膨胀机（膨胀涡轮机）完成，它将一部分高压空气膨胀至真空状态。膨胀产生的制冷量足以达到低温（约-170°C或更低）。在这些温度下，空气部分液化。然后，低温高压混合物流入高压精馏塔。在稳态运行期间，低温空气分离依靠精馏塔内平衡的回流来维持产品规格。
蒸馏塔是空分装置的核心部件。在高压塔中，氮气（沸点-196℃）和氧气（沸点-183℃）通过反复的汽化和冷凝过程进行分离。氮气由于挥发性更强，上升到塔顶并以气态产品的形式排出，而富氧液体则聚集在塔底。这种液体可以送入第二个低压塔，以进一步浓缩氧气。最终，高纯度液氧从低压塔底部排出，气态氧则可根据需要排出。
现代空分装置（ASU）还包括额外的净化和储存组件。在压缩下游，低温换热器利用产品流中的废冷量对空气进行预冷。残留的痕量杂质在冷箱前通过分子筛床去除。生成的液氧（LOX）储存在带真空夹套的保温罐中，或根据需要汽化；气态氧可以储存在高压钢瓶中，或通过管道输送。整个过程依赖于高效的板翅式换热器以及对压力和流量的精确控制。在实际应用中，工程师会根据需求，平衡回流比和处理量，以在更高的氧气纯度和更低的能耗之间取得平衡。
低温空气分离的效率和性能
由于需要冷却和液化大量空气，低温空气分离本质上是高能耗过程。从热力学角度来看，从空气中分离氧气的理想功约为每吨氧气50-60千瓦时，但实际的空气分离装置（ASU）耗电量是这个数值的数倍。一台典型的现代ASU每生产一吨氧气大约消耗400-600千瓦时的电力（约合每标准立方米氧气0.6-0.8千瓦时），尽管具体数值取决于运行压力、回收率和纯度。对于连续运行的大型装置而言，即使循环效率提高几个百分点，长期来看也能节省大量能源。低温空气分离的效率很大程度上取决于换热网络和膨胀涡轮的等熵性能。
影响整体效率的因素有很多。作为主要制冷设备的涡轮膨胀机是关键部件。更高的膨胀机等熵效率可直接降低净能耗；例如，膨胀机效率提高几个百分点，每吨氧气的耗电量大致成比例地降低。许多空分装置采用涡轮膨胀机-压缩机，其中排出的冷气体驱动额外的压缩机级并返回循环。这种能量回收设计降低了净能耗。热集成对提高效率也至关重要。例如，来自温热产品流的废冷可以预冷进入的空气，并且可以使用环境或制冷剂回路回收热量来进行压缩机中间冷却。
操作策略会进一步影响性能。通过调整塔回流比和压力，操作人员可以根据需要选择更高的处理量或更高的纯度。低温空气分离提供了一个稳定且可预测的工艺窗口，使操作人员能够微调塔压和回流比，以满足不同的纯度和产能需求。例如，降低塔回流比可以提高氧气产量并降低单位氧气的能耗，但会牺牲一定的纯度。膨胀机设计的进步不断降低低温空气分离系统的单位能耗。相反，要达到超高纯度（例如 99.9% 以上），则需要更复杂的塔内结构和更高的回流比，从而消耗更多能量。在大型连续式空分装置中，控制系统会调整这些参数，以优化目标产量的净效率。
重要的是，低温空分装置具有规模经济优势。一台日产数百至数千吨氧气的大型空分装置，由于膨胀机效率更高、相对热损失更小，其单位能耗（每吨千瓦时）通常低于多台小型装置。事实上，全球几乎所有大规模工业制氧（日产数百吨及以上）都采用低温装置，因为变压吸附（PSA）或膜分离系统在这种规模下已不再实用。与吸附式系统相比，低温空气分离在不同的生产负荷下都能保持更严格的纯度控制。对于超大产能需求，低温空气分离装置通常作为集中式工业装置建设。而变压吸附或膜分离系统通常仅用于小规模或补充供氧。
与其他分离方法的比较
低温空分装置可与其他制氧技术进行比较，例如变压吸附（PSA）、真空变压吸附（VPSA）和膜分离。每种方法在纯度、能耗、资本成本和规模方面各有优势：
| 方法 | O₂纯度 | 能量强度 | 生产规模 | 相对成本 |
|---|---|---|---|---|
| 低温空气单元 | 非常高（≥99.5%） | 高（≈420–560 千瓦时/吨） | 非常大（日产量数百至数千吨） | 高的 |
| PSA（吸附） | 中等（90-95%） | 中等（≈300–450 千瓦时/吨） | 小型至中型企业（≤500吨/天） | 低的 |
| VPSA | 中高（93-96%） | 较低（≈210–320 千瓦时/吨） | 中等（≈100–1000 TPD） | 中等的 |
| 膜分离 | 低至中等（≈30–50% O₂） | 低（中等浓缩度下≈100千瓦时/吨） | 小（几十 TPD） | 低的 |
表格：氧气发生方法的典型纯度、能耗、规模和成本比较。
表中，TPD表示每日氧气吨数。
变压吸附 (PSA) 系统利用吸附床（沸石或分子筛）从压缩空气中捕获氮气。首先对其中一个吸附床加压，使氮气吸附在吸附材料上，氧气则通过；然后对吸附床进行减压，释放氮气。PSA 装置结构相对简单，启动迅速，因此非常适合小规模或模块化氧气生产（日产量可达数百吨），纯度约为 90-95%。真空泵吸附 (VPSA) 在解吸过程中增加了一个真空步骤，与 PSA 相比，提高了产量和纯度，使其能够实现中等规模的运行（日产量可达约 1000 吨），氧气纯度可达 90% 以上。
膜组件利用透气性聚合物薄膜在无需制冷的情况下分离氧气和氮气。它们投资成本低、结构紧凑，但每一级通常只能将氧气浓度提高到30%至50%左右。要获得更高的纯度，则需要多级分离或混合系统，这在实际应用中并不现实。因此，膜组件主要用于低流量、低至中等纯度的氧气（或用于制氮）。虽然单位氧气的能耗可能较低，但它们无法达到低温或变压吸附（PSA）工艺的高纯度。
相比之下，低温空分装置（ASU）可实现最高的氧气纯度和最大的产能。它们通常生产纯度高于99.5%的氧气，并且可以在同一装置中同时生产其他产品（超纯氮、液氩等）。其缺点是低温装置需要大量的资本投资（大型冷箱、压缩机和膨胀机），并且单位氧气的能耗更高。然而，当需求量超过每天几百吨时，由于规模效应，低温装置的单位效率更高，单位成本也更低。在大型设施（例如钢铁厂或化工厂）中，中央空分装置通常处理大量的氧气和氮气需求，而变压吸附（PSA）装置则可用于满足较小的现场需求或作为备用装置。总之，低温空气分离可获得极高的纯度，但能耗和资本支出更高；而变压吸附/变压真空吸附（PSA/VPSA）和膜分离技术则以更高的纯度为代价，换取了灵活性、更低的成本以及在小规模生产中的适用性。
Applications of Cryogenic Oxygen
低温制氧因其高纯度和大量供应，在许多行业和应用中不可或缺。主要应用领域包括：
- 医疗保健：医用级氧气（纯度≥99.5%）对患者护理至关重要。医院和诊所依靠低温氧气为呼吸机、麻醉以及手术和重症监护中的生命支持提供氧气。医疗机构通过管道网络或液氧罐车运输大量氧气。便携式氧气瓶（用于救护车和野战医院）也从这些低温氧气源进行充装。近期全球健康挑战凸显了可靠的大规模氧气供应的必要性。这些需求凸显了氧气在医学领域的关键应用，涵盖从慢性病护理到紧急救援的各个方面。
- 航空航天与国防：液氧 (LOX) 是火箭推进剂的首选氧化剂。航天运载火箭和弹道导弹使用液氧与燃料（液氢、煤油等）混合，以获得起飞所需的高推力。国家航天计划和私人发射服务提供商依赖空分装置 (ASU) 来生产和储存所需纯度和可靠性的液氧。在航空和载人航天领域，飞机和航天器携带液态或气态氧用于座舱增压和紧急呼吸系统。高性能军用喷气式飞机和潜艇也依靠储存的氧气来维持生命。低温空气分离技术满足了这些推进和生命维持需求。
- 环境与水处理：高纯氧用于加速生物废水处理和污染控制。市政和工业污水处理厂采用富氧曝气工艺，以促进有机废物的微生物分解，从而减少反应器体积并缩短处理时间。纯氧可注入地下水或土壤，以支持污染物的生物修复。在污染控制方面，氧气用于烟气处理和垃圾焚烧，以提高燃烧效率并产生高浓度二氧化碳流（有利于碳捕获）。氧气还用于生产臭氧（由O₂生成），以对水中的污染物进行高级氧化。这些环境应用均受益于纯氧的稳定供应。
- 化学和石油化工行业：许多化学合成反应需要氧气作为原料或氧化剂。例如，环氧乙烷、环氧丙烷、甲醇、乙酸和硝酸的生产过程中的氧化反应需要高纯度氧气才能高效进行。炼油厂和石油化工厂在工艺加热器和炉膛中使用富氧燃烧，以获得更高的火焰温度并降低燃料消耗。大型加工联合体通常会在现场集成空分装置（ASU）：例如，氨厂可以从空分装置中提取氧气（以及伴随产生的氩气）来支持下游氧化反应。在所有这些情况下，空分装置提供的高纯度、连续供应的氧气都能提高产率和安全性。
- 制造和金属加工： 除了钢铁制造之外，其他制造工艺也需要氧气。在玻璃和陶瓷熔炉中，氧气燃烧可以提高炉温并降低燃料消耗，从而提高产量。氧气也用于焊接和切割炬中，以产生更热的火焰和更干净的切口。纸浆和造纸厂采用氧气脱木素作为氯漂白的替代方法，在提高纸浆白度的同时减少有害废水的排放。这些高产量工艺通常消耗大量的氧气，而低温设备可以持续且经济高效地供应氧气。
- 食品饮料行业：氧气在食品加工和生物技术领域有着独特的应用。啤酒厂和发酵设施会注入氧气，以最大限度地提高酵母或细菌的生长速度，从而提高产量。气调包装利用可控的氧气浓度来保持肉类的色泽。虽然液氮更常用于冷冻，但液氧也可用于特殊的低温冷冻工艺，或通过与二氧化碳源反应来制备干冰（固态二氧化碳）。食品行业非常重视气调装置（ASU）为这些工艺提供的可控且纯净的氧气供应。
- 新兴能源与技术应用：低温制氧技术与清洁能源和先进技术的联系日益紧密。在氢气生产（尤其是碳捕获氢气生产）中，空气分离装置（ASU）为自热重整器和部分氧化反应器提供氧气。煤、生物质或废弃物气化为合成气需要纯氧，以避免合成气被氮气稀释。在发电研究中，富氧燃烧（在纯氧中燃烧燃料）被研究作为一种产生近乎纯净的二氧化碳废气以进行捕集的方法。新型储能概念，例如液气储能，依赖于空气气体的分离和再液化，而纯氧在这些循环中发挥着重要作用。甚至像电化学制造和人工光合作用这样的新兴领域也可能依赖于来自空气分离装置的高纯度氧气。新兴的清洁能源项目越来越依赖低温空气分离来为气化、富氧燃烧和氢气生产提供氧气。
- 其他应用：众多特殊用途都依赖于低温氧气的纯度。潜艇和水下生活舱使用储存的液氧作为长期呼吸气体。医学研究实验室使用氧气进行细胞培养和分析仪器操作。环境传感和工业安全系统使用纯氧校准氧气传感器。即使是使用臭氧或纯氧进行清洁的电子制造厂，也可能间接（通过臭氧发生器）使用ASU的氧气。简而言之，低温装置几乎为所有主要的氧气依赖工艺提供氧气。
上述每项应用都充分利用了低温氧气的核心优势：极高的纯度、高产能和持续供应。对可靠性或精度要求极高的行业依赖于尽可能纯净的氧气。需求量巨大的行业则利用大型空气分离装置的规模经济效应来降低氧气成本。随着技术的进步，新的应用层出不穷——例如，未来的深空栖息地和先进的生命维持系统可能需要现场制取低温氧气。总而言之，低温空气分离技术为所有这些行业的氧气供应链提供了坚实的基础。
结论
低温空气分离仍然是工业制氧的基石。这项成熟的技术能够提供最高纯度（通常>99.5%）的氧气，并且产量远超任何传统方法。尽管低温空气分离本身能耗较高，但现代低温空气分离装置（ASU）通过先进的涡轮膨胀机、热回收和优化的控制系统，显著提高了效率。因此，大型低温装置单位产量的氧气产量高于小型系统，使其成为大宗氧气供应的首选。设备和工艺的不断改进正在稳步提升整体效率，并不断缩小与理论极限之间的差距。
低温氧气的应用范围远远超出传统行业。从拯救生命的医疗和精密制造，到太空探索和下一代能源系统，高纯氧都是至关重要的推动因素。在所有这些领域，低温空气分离装置都能满足最严苛的氧气需求。随着全球需求的增长和新型氧气相关技术的涌现，低温空气分离将继续发挥关键作用。实际上，低温装置几乎支撑着工业和科研领域所有主要的耗氧应用。这些趋势表明，在未来几十年里，低温氧气生产仍将是满足全球多样化氧气需求的关键所在。
