低温空气分离是目前工业上生产高纯度氧气、氮气和氩气的主要方法，其原理是将大气中的空气液化并蒸馏。在此过程中，首先将环境空气（约含78% N₂、21% O₂和1% Ar）压缩和净化，然后冷却至低温温度，使其组分冷凝。分馏利用各组分沸点的差异——氮气沸点为-196°C，氧气沸点为-183°C（氩气沸点为-186°C）——来实现分离。现代空气分离装置（ASU）通常使用带有中间冷却器的多级涡轮压缩机将空气压缩至约5-10巴。杂质（水分、二氧化碳、碳氢化合物）在接近环境温度下通过分子筛床去除，以防止在冷箱内结冰。净化后的空气随后进入多流低温换热器，通过与回流产品进行热交换以及通过涡轮膨胀机或焦耳-汤姆逊阀膨胀，逐步冷却（通常使用板翅式换热器）。部分进料在膨胀机中膨胀，以产生达到约-170°C所需的制冷量。
液化后，低温的液气混合物被送入蒸馏塔。在一个典型的双塔空分装置（ASU）中，高压（HP）塔的工作压力约为5-6巴，低压（LP）塔的工作压力约为1.2-1.4巴。在高压塔中，上升的氮气从塔顶排出，富氧液体则聚集在塔底。高压塔顶部的氮气部分冷凝（通常通过与低压塔相连的内部冷凝器/再沸器）并作为回流返回，而富氧液体则被送入低压塔。在低压塔中，该液体沸腾，在塔底富集氧气，并在塔顶产生额外的氮气。如果需要回收氩气（氩气的沸点介于氧气和氮气之间），可以将富氧液体的侧线输送到第三个氩气塔。该氩气塔可生产纯度约为 98%–99% 的氩气，剩余的氧气则返回到低压塔。
典型产品的纯度非常高：低温空分装置通常可实现氧气纯度在 99.5% 至 99.9% 范围内，氮气纯度可达 99.9% 或更高。（例如，大型工厂中来自低压塔的液氧纯度约为 99.8% 至 99.9%。）当需要电子元件或特种气体时，可通过增加级数来获得更高的纯度（99.999% 以上）。所有产品流——气态氮、气态（或液态）氧以及可能的液化氩——在使用前均需在换热器中加热至环境温度。
| 运行参数 | 典型值/范围 |
|---|---|
| 进料空气成分（干） | N₂ ~78%, O₂ ~21%, Ar ~1% |
| 压缩后的进气压力 | ~5–10 bar (gauge) |
| 高压柱压 | ~5.0–6.0 bar (abs) |
| 低压柱压 | 约 1.2–1.4 巴（绝对压力） |
| N₂沸点（1 atm下） | –196 °C |
| O₂沸点（1 atm下） | –183 °C |
| 塔顶温度（N₂冷凝） | ~-185°C 至 -193°C（工作压力下） |
| 柱底温度（O₂沸腾） | 约 -180°C（氧气沸点附近） |
| 氧气产品纯度 | 95–99.9% (typ. 99.5–99.9%) |
| 氮产品纯度 | 约99.5%–99.999%（通常为99.9%以上） |
| 氩产品纯度（如果回收） | 单列纯度约为 98–99%，多列纯度可达 99.9%。 |
| 单位能耗 | 约 250–500 千瓦时/吨氧气（现代工厂） |
| 典型工厂氧气容量 | 日产量50-5000吨（单列火车；详见正文） |
低温空气分离的能效。低温蒸馏本质上是高能耗工艺：从空气中分离氧气的理想可逆功仅为每吨氧气约51千瓦时，但实际的空气分离装置（ASU）的能耗约为其5-10倍。现代大型ASU通常每标准立方米氧气消耗约0.3-0.4千瓦时（约250-300千瓦时/吨）。较小或较旧的装置能耗可能高达每标准立方米氧气0.5-0.6千瓦时（约400-500千瓦时/吨）。一座日产1000吨氧气的工厂通常需要消耗约20-25兆瓦的电力。这些能量消耗在压缩机、冷却（通过膨胀机和热损失）以及产品流的内部压缩上。设备设计——包括多流板翅式换热器、高效涡轮膨胀机和塔填料——旨在最大限度地降低制冷负荷和压降。例如，与传统塔盘相比，在塔中使用规整填料可以显著降低压降和能耗。内部液体泵（“低温泵”）通常用于增压氧气或氮气以提升产品压力，从而回收部分能量并辅助塔回流。尽管进行了优化，但整体能量效率仍然不高：典型的空分装置 (ASU) 的运行效率仅为理论理想值（51 kWh/吨）的 10% 至 20% 左右。
低温空气分离设计原则 低温空气分离装置 (ASU) 是一个高度集成的系统。其关键部件包括多级压缩机、分离罐/直接接触式冷却器、双冷箱换热器和双精馏塔（必要时可加氩气塔）。工程师必须平衡压力水平、回流比和换热器接近温度，以在满足纯度和回收率目标的同时，最大限度地降低能耗。较高的塔压可以提高处理量和回收率，但会增加压缩功；而较低的压力则可以减少制冷需求。高效的换热器设计（通常采用钎焊铝板翅式换热器）至关重要；冷热流体之间的温差通常仅为 1-2 K。隔热层和真空夹套管道可防止热量进入。材料选择强调使用耐氧脆的高合金钢和密封性良好的密封件，以处理低温液体。安全至关重要：所有暴露于富氧流体的部件都必须清洁且兼容，以避免火灾隐患。仪器和控制系统监测成分和温度；先进的控制策略通过调节回流比和进料比例，实现平稳的启动/停机和负荷跟踪。模块化设计在大型工厂中很常见：多个并行的“生产线”（例如，两个日处理量1000吨的装置，而不是一个日处理量2000吨的装置）提供了冗余性和运行灵活性。
低温空分装置 (ASU) 有多种配置。小型（日产氧气量约 50–200 吨）撬装式装置可采用单塔设计（带内部回流冷凝器），但大型装置几乎都采用双塔单元。典型的双塔空分装置（不含氩气塔）从低压塔底部供应氧气（液态或泵送液态，纯度约 99.5–99.9%），从高压塔顶部供应氮气（气态，纯度 >99.9%）。如果需要回收氩气，则第三塔可使氩气纯度达到约 98–99%，通常通过第四塔进一步提高至 99.9%。现代创新技术包括使用并联膨胀级、能量回收涡轮机和低对数平均温差 (LMTD) 的热集成来提高效率。夹点分析和迭代流程图优化有助于工程师在确保稳定运行的同时，接近热力学极限。
工业应用：主要产出物——高纯氧气和氮气——在重工业中发挥着至关重要的作用。在美国钢铁行业，低温氧气喷射器取代高炉和碱性氧气转炉中的空气，提高了火焰温度，加速了反应，并降低了燃料消耗。来自空分装置的氮气用于惰性气体保护、吹扫和二次冶金工艺。石油化工和炼油厂依靠空分装置的氧气进行部分氧化、气化和炉内燃烧，从而提高效率并降低排放。高纯度（99.9%以上）空分装置氮气用于覆盖反应器、管道加压，并满足氨合成或液化天然气生产对超高纯度氮气的需求。玻璃和电子行业需要超纯净的氮气和氩气；例如，半导体制造厂使用低温空分装置为晶圆加工提供99.999%的氮气，并为光刻和等离子刻蚀提供稀有气体（氩气、氪气、氙气）。医疗和环境应用（例如实验室级 O₂、水处理充氧）也从大型空分装置获取氧气。
总而言之，用于工业制氧和制氮的低温空气分离工艺是一项成熟而精密的工艺。它利用简单的热力学原理，通过高度工程化的工艺流程，在低温下对空气进行压缩、净化、冷却和蒸馏。设计人员必须集成多级压缩、高效换热器和多塔蒸馏装置，以最大限度地提高纯度和回收率，同时最大限度地降低能耗。典型的操作压力（约6巴和1.3巴）和温度（-196°C至-183°C）取决于气体的沸点。最终产品纯度极高（通常≥99.5% O₂，≥99.9% N₂），能够满足钢铁、化工和电子等行业的严格要求。尽管低温空气分离工艺的能耗较高（每吨O₂需要数百千瓦时），但它对于大规模气体供应仍然不可或缺。热交换器设计、控制策略和集成（例如将空分装置与可再生能源相结合）的不断进步，持续提高这一基本过程的效率和灵活性。
