深冷空分装置（ASU，Cryogenic Air Separation Units）是工业领域中用于生产高纯度氧气、氮气和氩气的核心设备。其原理是利用极低温下空气各组分的不同沸点进行分馏。此类大型装置（氧气产量 >100 吨/天）通常用于对气体纯度（如 O₂ >99.5%）或压力要求较高的场合。 参考来源：ispatguru.com；ispatguru.com。 整个 深冷空分工艺流程（process flow） 包含多个阶段：环境空气吸入与过滤、多级压缩（含中间冷却）、水分和二氧化碳去除（净化）、深度预冷、主换热、在高压塔与低压塔内的深冷精馏、可选的氩气回收，以及最终的产品处理。 本文将以技术细节为导向，逐步解析每个环节的原理与操作要点，并结合当前行业标准与工程实践进行说明。
进气和过滤
环境空气通过专用进气口被吸入系统，这些进气口通常设置在**高位或上风向**，以避免灰尘、燃烧气体等污染源的影响。 参考资料：asiaiga.org。 在实际应用中，ASU（深冷空分装置）的进气系统通常采用**粗滤与精滤串联结构**：例如旋风式或金属网**预过滤器**，再加上**滤芯式精过滤器**，以去除空气中的颗粒杂质。过滤段还会安装**防虫网**与**除雾器（demister）**，以防止昆虫或雨水进入系统。 每级过滤器均配有**差压表（ΔP gauge）**，用于监测压降并提示维护时机。 资料来源：asiaiga.org。 国际安全规范要求进气系统至少采用**两级过滤（Two-stage Filtration）**，并配备防虫网、雨雪罩及防冻保护措施，以保障**无油空气压缩机（Oil-free Compressor）**的运行安全。 在关键级别的空分装置中，进气还会配置**在线气体监测系统（如碳氢化合物分析仪）**；一旦检测到污染浓度超出安全限值，系统会自动触发联锁停机以防事故发生。 参考来源：asiaiga.org。
空气压缩与冷却
经过过滤的空气进入**主空气压缩机（MAC，Main Air Compressor）**，该设备通常为多级无油离心式压缩机。空气被压缩至所需的精馏压力，一般在 **4–10 atm（约 4–10 bar）** 范围内。 参考来源：eiga.eu。 对于大型深冷空分装置（ASU），通常采用 **3–5 级压缩结构**。每一级压缩后，空气通过**中间冷却器（intercoolers）**——通常为水冷式换热器——以去除压缩热并冷凝出部分水分，从而显著降低后续深冷设备的负荷。 资料来源：cold-facts.org；eiga.eu。 在最后一级压缩后，热的高压空气经**后冷却器（aftercoolers）**进一步冷却，通常降至接近环境温度，此时大部分液态水已被分离排出。为防止气流发生喘振（surge），系统通过**进口导叶（IGV）**与**回流阀**实现流量的精确控制。 关键点：压缩机是整个 ASU 系统中**能耗最高的核心设备**。因此，优化其**等熵效率**与**中间冷却性能**对于提升整厂运行效率至关重要。 （参考来源：cold-facts.org；eiga.eu)
空气净化和预冷
在进行深度冷却之前，压缩空气中的微量可凝结物（H₂O、CO₂、碳氢化合物）必须被彻底去除，否则会在深冷换热器中冻结并造成堵塞。工业上通常采用两种净化方案：前端吸附（Front-End Adsorption） 或 REVEX（反向换热器系统，Reversing Heat Exchanger）。 在 **吸附净化方案** 中，热的高压空气首先进入装填有**分子筛（Molecular Sieve）**和**活性氧化铝（Al₂O₃）**的吸附塔，用以去除水分和二氧化碳。 这些吸附塔交替运行：一塔处于吸附状态，另一塔则以干燥氮气（Dry N₂）进行再生，从而实现连续净化。处理后的空气被称为 **洁净干燥空气（CDA, Clean Dry Air）**，并保持原有的工作压力。 资料来源：cold-facts.org；cold-facts.org。 另一种方案——**REVEX 系统**——则直接利用深冷换热器本体进行净化：通过交替切换“湿气通道”和“干气通道”，利用冷端温差实现冷凝与除湿。虽然结构紧凑，但通常噪音较高，且对微量碳氢物的去除效果有限。 参考来源：cold-facts.org。 无论采用哪种净化方式，目标都是确保进入冷箱（Cold Box）的空气 **无油、无水、无 CO₂**，为后续深冷精馏提供安全、稳定的原料气源。
空气在完成净化后，会经过进一步的预冷（pre-cooling）过程，可利用冷却水或外部制冷剂进行换热，使空气温度进一步降低，为进入主深冷换热器做好准备。 然而，在多数现代化深冷空分装置（ASU）中，这一阶段的最终冷却通常完全在**冷箱（Cold Box）**内完成，利用来自产品气流的逆流换热实现能量回收（详见下文）。 在预冷阶段结束时，空气仍保持气态，但已通过中间冷却器和净化系统释放出大量热量，从而实现了最大化的焓值回收（enthalpy recovery），为后续的深冷换热与精馏过程奠定能效基础。
主低温换热器（“冷箱”）
净化后的高压空气被引入**冷箱（Cold Box）**，这是一个高效绝热的密封结构，内部安装着全部深冷设备。 空气首先进入**主换热器（Main Heat Exchanger）**，该装置为多流道的**钎焊铝板翅式换热器（Brazed Aluminum Plate-Fin Type）**。在这里，进入的空气与来自产品端（氧气、氮气）的低温气体**逆流换热**，空气被逐级冷却至接近液化温度。 现代空分装置（ASU）通常在一个壳体中设置两段换热区，即“**热端（Warm End）**”与“**冷端（Cold End）**”。 在热端，压缩空气与高压产品气（如高压氮）进行热交换；在冷端，则通过与温度最低的返回气体流（如低压氮、氧）换热，使空气温度降至接近其液化点。 参考来源：cold-facts.org。 经过主换热器全负荷换热后，空气温度约为 **–160 °C**，此时已接近其在该压力下的沸点。此时，大部分空气成为**两相流（液–气混合物）**，准备进入后续的**精馏塔（Distillation Columns）**进行分离。 资料来源：cold-facts.org。
若系统配备膨胀透平机（Turbo-expander 或 Expansion Turbine），通常会被集成在冷箱内部，用于提供**附加制冷量。 在所谓的改良克劳德循环（Modified Claude Cycle）中，一部分高压空气经由膨胀机进行绝热膨胀（Isentropic Expansion），在此过程中释放大量冷量，从而大幅降低气体温度。 资料来源：cold-facts.org。 这种额外的制冷不仅能够弥补系统热泄漏（Heat Leaks），还可通过同时降低换热器热端与冷端的温差（Temperature Approach），显著提升整体系统效率。 参考来源：cold-facts.org。
高压和低压蒸馏塔
核心的分离过程在两座串联布置的精馏塔中完成（有时称为双塔结构（Double-Column Design））。 其中，高压塔（HP, High-Pressure Column）（通常运行压力约为 4–6 bar）接收来自主换热器底部的低温部分液化空气。 参考资料：cold-facts.org。 在塔内，上升的蒸汽与下降的液体不断进行多级接触，实现分馏过程。 挥发性较高的氮气倾向于汽化并上升，而液体部分则逐渐富集氧气与氩气。 在稳定工况下，高压塔塔顶可获得几乎纯净的氮气。 该氮气随后被送入再沸器/冷凝器（Reboiler/Condenser）**进行冷凝，为高压塔与低压塔同时提供回流液；冷凝得到的液氮回流至塔顶作为回流物。 高压塔底部（塔釜）所收集的液体为富氧且含氩的混合物（约含 30–40% O₂）cold-facts.org。 其中一部分液体被泵送并经节流降压后进入低压塔（LP, Low-Pressure Column），而来自高压塔塔顶的稀氮液体也可同时作为低压塔的回流液引入。
低压塔（LP Column，运行压力约为 1 bar）接收来自高压塔（HP Column）的进料，用于完成最终的气体纯化过程。 在低压塔内，向下流动的富氧/富氩液体被上升的蒸汽不断汽提，从而在塔底获得**几乎纯净的氧气**，而塔顶则产生**废氮气**。 参考来源：cold-facts.org。 低压塔底部即为**液氧（LOX）**的汇集点。高纯度液氧从塔底抽出： * 在“**液态泵送型（Pumped-LOX）**”设计中，液氧可作为液体产品输出； * 在“**气相型（Gas-phase）**”设计中，液氧会被部分汽化并通过主换热器（Main Exchanger）加热，生成高纯度气态氧（Gaseous O₂）。 资料来源：cold-facts.org。 低压塔塔顶则产生低纯度氮气（通常含少量 O₂，约几个百分比），该气体首先用于对回流液进行**深度冷却（Sub-cooling）**，随后在主换热器中被加热回温。 任何残余的冷废氮气会被**排放（Vented）**或用于系统的**吹扫与吸附剂再生（Purge/Regeneration）**。
下表总结了这两列的主要规格：
| 范围 | 高压柱（HPC） | 低压柱（LPC） |
|---|---|---|
| 工作压力 | ~4–6 bar (4–10 atm)eiga.eu | 约 1–1.5 bar（接近常压）jalonzeolite.com |
| 塔顶产品（Top Product） | 高纯氮气（High-purity N₂ gas）cold-facts.org | 低纯度氮气（废气）cold-facts.org |
| 底部产物 | 富氧/氩液体（供给低压）cold-facts.org | 高纯度液态氧cold-facts.org |
| 氩气提取 | 无专门抽取（氩气保留在塔底） | 富氩侧线抽取（送入氩塔）cold-facts.org |
<div style="”text-align:center”">*Table: Typical HP vs LP column parameters in a cryogenic ASU* (argon ~1% of air; see text and sources)</div>
氩气回收
由于氩的沸点与氧非常接近，许多空分装置（ASU）都配备有氩气回收单元。 在低压塔（LP塔）中部，氩气在精馏过程中逐渐富集，通常在此位置抽取出一股约含30%氩的富氩液体cold-facts.org。 这股粗氩液流将被送入一座独立的专用精馏塔，以生产高纯氩气。在现代空分装置中，氩塔通常与低压塔并列布置，并一同集成在冷箱内。 回收的氩气可作为液体或气体产品输出。若无需回收氩气，则低压塔中部液体将继续在主塔中进行常规分离。 相关操作规范指出，若需回收氩气，侧线抽取必须在合适塔板上洁净取出，并进行专门处理，以避免产品被污染eiga.eucold-facts.org。
产品提取与储存
最终产品——氧气、氮气和氩气——从深冷系统中以低温气体或液体的形式输出。通常，纯气体会通过主换热器与进入系统的空气进行逆流换热，从而回收冷量并被加热至常温eiga.eu。 气体产品（GOX、GAN）随后会输送至用户系统，或在需要高压时进行进一步压缩。 液体产品（LOX、LIN、LAR）则可储存在深冷贮槽中，或通过泵送方式输送至管道网络。现代空分装置可根据需求灵活配置气体或液体输出；若需大量生产液态氧/氮，则必须提供额外的制冷能力（通常由氮膨胀液化单元实现）eiga.eu。 例如，一台典型的空分装置可同时将液氧输送至储罐，并加热、压缩氧气作为气态产品输出。为防止杂质（如碳氢化合物）积聚，系统通常会从塔底持续放出少量液氧以实现净化cold-facts.org。 在所有情况下，液体产品均储存在绝热贮槽中，而气体产品则可在中压条件下储存或直接输送至管网。
一个关键的运行要点是：**能耗会随着目标纯度的提高而显著上升**。 公开数据显示，深冷空分装置在生产氧气时的能耗通常约为 **200–400 kWh/吨O₂**tewincryo.com；若氧气纯度约为 90%，能耗可低至 **150 kWh/吨**，而在超高纯度条件下则可能高达 **800 kWh/吨**thundersaidenergy.com。 表 1 展示了不同氧气纯度下能耗变化的趋势。 在实际运行中，主换热器的温差（进出口最小温差）以及高、低压塔的运行压力会根据产品要求进行优化调整，以实现效率最大化。 在换热器中尽量减小温差、实现良好的热耦合，是降低压缩机负荷、提升系统能效的关键设计目标cold-facts.orgispatguru.com。
| O₂ Purity (vol%) | Energy (kWh per tonne O₂) |
|---|---|
| ~90% | ~150–200 |
| ~95% | ~200–300 |
| ~99% | ~300–400 |
| ~99.5% | ~350–450 |
<div style="”text-align:center”">*Table: Illustrative oxygen production power vs. O₂ purity. Higher purity demands more energy:contentReference[oaicite:43]{index=43}:contentReference[oaicite:44]{index=44}.*</div>
安全注意事项
深冷空分装置在运行中必须严格遵守安全规范。 **氧气危害：** 富氧环境极易助燃，因此所有与氧气接触的材料和润滑剂必须具有相容性（如金属部件需彻底脱脂清洗），并符合相关设计标准asiaiga.org。空气压缩机、阀门及管路等氧气回路设备均需防护或进行惰性气体置换。 **污染风险：** 空气中若含有水分或碳氢化合物，会在深冷条件下冻结或发生反应。特别是若水分滞留在铝填料中，可能与铝反应生成氢气（Al/H₂O反应），从而形成爆炸性混合气eiga.eu。因此，空分系统必须实现**100%去除CO₂和H₂O**eiga.eu，并持续监测碳氢杂质含量。 **压力防护：** 所有冷端容器及塔体均装有安全泄压装置（PRD），以防止管道堵塞或负压情况发生；同时配备膨胀罐与爆破片等安全保护措施。 **低温危害：** 极低温会造成冻伤与窒息风险，封闭区域内可能形成富氧气氛。正如安全文献所指出的：“深冷温度、氮气与氧气均存在安全隐患；空气中若混入油类或碳氢化合物，可能与氧气自燃。” 因此，空分装置通常配备**碳氢检测仪、氧浓度分析仪与流速控制系统**，并严格执行惰化与置换操作cold-facts.org。例如，操作员会持续从低压塔液氧汇底部放出少量液氧，以防止碳氢物质积聚引发爆炸cold-facts.org。 **监测与联锁停机：** 现代空分设备装有实时传感器，可监控O₂/N₂浓度及微量杂质。当系统检测到危险状况（如碳氢浓度或氧浓度异常升高）时，控制逻辑会自动触发停机保护asiaiga.orgcold-facts.org。
总体而言，空分装置（ASU）的安全运行依赖于**严格的监测、吸附器与换热器的高质量维护**，以及对相关**深冷设备规范的全面遵守**。 操作人员必须遵循行业标准与安全指南（如 **EIGA/CGA** 的相关建议），涵盖设备材料选择、绝热防护、紧急泄压设计及**锁定/挂牌（Lock-out/Tag-out）**操作程序，确保系统在全生命周期内安全、可靠、可控。
深冷空分是一项复杂且高度工程化的工艺。 从空气预处理、精馏分离到最终产品的提取与储运，每一个环节都必须精准控制，以在保证气体纯度和产量的同时，最大限度地降低能耗。 通过遵循行业最佳实践与技术标准（如空气过滤、净化及设备设计规范），空分装置（ASU）能够实现长期稳定运行，持续输出符合要求纯度与压力的氧气、氮气及氩气产品。 凭借高效的热集成设计与严谨的安全控制体系，深冷空分装置已成为现代化工、冶金及医用气体生产领域的核心技术之一。
