低温空气分离 是一种成熟的工业制氧技术，可从大气中大量制取高纯度氧气。该工艺包括压缩环境空气、去除杂质，并在低温换热器中将空气冷却至液化点以下。然后将冷却后的空气混合物送入蒸馏塔，各组分按沸点分离。最终得到纯氧产品（通常纯度≥99.0%），以及副产品氮气和氩气。
工艺原理
低温分离的核心原理是在低温条件下进行分馏。空气组分（78% N₂、21% O₂、0.9% Ar）具有不同的沸点（N₂ -196°C、O₂ -183°C、Ar -186°C）。压缩空气被冷却至约 -170°C 至 -185°C 以使其部分液化。进料被分成液相和气相，并送入蒸馏塔。通常采用双塔级联：高压 (HP) 塔（约 5–6 bar）和低压 (LP) 塔（约 1.2–1.3 bar）。两塔通过热连接，使得一塔中冷凝的氮气为另一塔中的氧气提供再沸腾，从而最大限度地提高效率。
实际上，大部分杂质（水、二氧化碳）会在低温冷却之前从压缩空气中去除。水分和二氧化碳在低温下会冻结，因此空气在室温下会通过分子筛或冷阱来去除它们。然后，净化后的空气会通过板翅式换热器（冷箱）与返回的低温产品进行热交换，从而进行预冷。一部分高压空气会通过涡轮膨胀机进行膨胀，以提供制冷，使部分气流的温度降至约-170°C或更低。
蒸馏塔
在用于工业制氧的低温空气分离工艺中，两个蒸馏塔串联运行：一个高压塔和一个低压塔。在高压塔（绝对压力约为5-6巴）中，部分液化的进料向下流动。氮气（沸点较低）优先汽化并上升到塔顶，而富氧液体则聚集在塔底。塔顶产品是近乎纯的氮气（约99.9% N₂），其冷凝器为低压塔提供回流。塔底液体（约40-60% O₂）被泵入低压塔。
低压塔（约1.2 bar）接收来自高压塔的富氧液体。剩余的氮气在塔顶被蒸发（氮气纯度可达约99.999%），而低压塔底部则产生高纯度液氧产品（通常为95%至99.5%，具体取决于设计）。回流的液氧返回低压塔。这种双塔配置（高压冷凝器兼作低压再沸器）实现了极高的氧气回收率和纯度。
如果氩气被回收，则从低压精馏塔中部（氩气浓度最高处）的侧线抽取氩气，送入辅助氩气塔。粗氩（约97% Ar）随后经过精炼（通常通过催化加氢或高塔蒸馏）至纯度>99.99% Ar。如果氩气未被提取，则约0.9%的原料（氩气）会残留在氧气产品中。
关键流程步骤
- 压缩和净化：环境空气在多级压缩机中被压缩至约 5-7 巴（表压），并带有中间冷却装置。压缩空气经过过滤，并通过分子筛床去除水分 (H₂O) 和二氧化碳 (CO₂)。
- 热交换器（冷箱）：净化后的空气在钎焊板式热交换器（冷箱）中通过与流出的冷产品流逆流进行冷却。大型涡轮膨胀机用于降低部分空气压力，从而提供低至约-175°C的制冷。
- 高压蒸馏（HP塔）：部分液化的空气进入高压塔（约5-6巴）。富氮蒸汽从塔顶排出；富氧液体从塔底排出。
- 低压蒸馏塔（LP塔）：来自高压塔的富氧液体进入低压塔（约1.2-1.3巴）。剩余的氮气从塔顶排出；高纯度液氧在塔底生成。
- 产品处理：液氧（LOX）通常经泵送汽化后以高压气体形式输送，或以液态形式储存。氮气通过汽化液流以气体（或液氮，LIN）形式输送。氩气（如有生产）以液态或加压气体形式储存。
- Product Handling: Liquid oxygen (LOX) is typically pumped and vaporized for delivery as high-pressure gas or stored as a liquid. Nitrogen is delivered as gas (or liquid nitrogen, LIN) by vaporizing the liquid stream. Argon (if produced) is stored as liquid or pressurized gas.
性能和效率
用于制氧的低温空气分离装置（ASU）可在连续运行中实现极高的纯度和回收率。制氧产品的纯度通常≥99.0%（工业级氧气的纯度通常为99.5%或更高）。同时生产的氮气和氩气也具有很高的纯度（塔后氮气纯度约为99.9%，氩气纯度约为97%）。在优化良好的装置中，典型的氧气回收率（产品氧气与进料空气中氧气的比值）可超过90%。
用于工业制氧的低温空气分离是一项高能耗工艺：大型空分装置通常每生产一吨氧气需要消耗约 150–250 千瓦时的电力。实际能耗取决于塔压比、产品纯度和换热器效率等因素。氧气分离的理想热力学最小能耗约为每吨氧气 40–50 千瓦时，因此实际装置的运行能耗约为理论最小值的 3–5 倍。现代设计采用高效的涡轮机械和集成式换热器来最大限度地减少能量损失。
例如，用于工业制氧的低温空气分离装置设计通常采用多台膨胀涡轮机和高效板翅式换热器，以接近热力学极限。过程控制的调整可进一步提高效率：空气分离装置以稳定的满负荷运行以实现最佳经济性，并通过精细调节回流和吹扫流量来平衡纯度和功率。一些现代装置提供有限的负荷跟踪功能，以利用非高峰时段或可再生能源，但大多数装置以接近设计容量的持续运行以实现最高效率。
| 范围 | 典型值/范围 |
|---|---|
| O₂纯度（产品） | 95–99.5% (v/v) |
| N₂纯度（产品） | 99.9–99.999% (v/v) |
| 氩气纯度（粗提/最终） | ∼97% (raw) → >99.99% |
| 高压柱压力 | 约5-6巴（绝对压力） |
| 低压塔压力 | 约 1.2–1.3 巴（绝对压力） |
| 冷藏箱最低温度 | ~–185 °C |
| 每吨氧气用电量 | 约 150–250 千瓦时/吨氧气 |
| 生产能力（O₂） | 约100-3000吨/天 |
对于用于工业制氧的低温空气分离装置，典型装置的产能范围从每天几十吨到几千吨不等。当规模扩大（通常超过约200吨/天）时，空气分离装置才具有经济效益，因为规模效应可以提高热力学效率和产品回收率。对于极小规模的氧气需求（<50吨/天），通常采用变压吸附（PSA）或其他方法，因为低温装置的投资和制冷成本过高，不划算。
工业实践与趋势
在工业制氧的低温空气分离领域，主要的工业气体公司（如林德、液化空气集团、空气产品公司等）在全球范围内提供交钥匙式空分装置（ASU）。现代空分装置采用模块化冷箱，并由先进的自动化系统控制，连续运行时间通常超过98%。总体工程发展趋势包括采用更大尺寸的钎焊板式换热器、多级膨胀机以及用于压缩机的高效电机驱动装置。在低温装置中，一些系统采用并联冷箱或多条蒸馏装置来提高产能和冗余度。
人们对混合式和灵活式方法持续保持着浓厚的兴趣。例如，在液化前结合膜分离或真空压力吸附 (VPSA) 预净化可以降低压缩机的功率。此外，人们也在探索如何灵活调整空分装置的运行方式以匹配可再生能源电力的供应。然而，对于超大容量或超纯氧（≥99.5%），低温空气分离仍然是工业大宗氧气供应的默认解决方案。
优势与挑战
用于工业制氧的低温空气分离技术能够大量生产纯度极高的氧气（≥99.5%），同时还能产出高纯度氮气和氩气作为副产品。该技术成熟可靠；现代化的空气分离装置在连续运行中通常能达到≥98-99%的正常运行时间。这种可靠性、高纯度和规模优势使得低温空气分离装置成为高要求工业气体供应的理想选择。
工业制氧的低温空气分离工艺对设备和能源的需求量很大。它需要大型多级压缩机、钎焊板式换热器和涡轮膨胀机，而且耗电量很高（通常每吨氧气消耗150-250千瓦时）。资本成本也相当可观（每吨/天氧气产能需花费数百美元）。因此，低温空气分离装置在小规模（低于约50-100吨/天）或间歇运行且不配备储氧装置的情况下通常不经济。然而，对于连续高需求的氧气生产，工业制氧的低温空气分离工艺仍然是首选方案，因为其高产量、高纯度氧气的优势通常足以弥补这些成本。
结论
用于工业制氧的低温空气分离是一种成熟、高通量的空气氧气提取工艺。现代空气分离装置（ASU）首先压缩和净化空气，然后在低温下进行蒸馏，从而产生大量高纯度氧气（纯度≥99%，日产量可达数百吨）。尽管需要大量的能源和资本投入，低温空气分离装置仍然是大规模氧气供应的标杆方法。随着对超纯工业气体的需求不断增长，优化的低温分离技术在高效满足这一需求方面将继续发挥关键作用。
