介绍
工业氧不是一种特种化学品；它是基础设施。钢铁制造商用它来加强脱碳，气化炉用它来控制合成气化学，许多氧化路线依赖于它来获得产量和选择性。当所需的流量连续且高时——数百到数万正常立方米每小时——最成熟的路线是氧气生产的低温空气分离的技术需求仍然是稳定的，因为它的集成方法仍然是稳定的。压力比、热交换器方法、压降和色谱柱控制裕度。
对于研究人员和工厂工程师来说，低温空气分离装置 (ASU) 最好被理解为耦合系统。压缩工作、制冷产生、热回收和整流必须在环境波动、饲料质量变化和工厂故障等实际干扰下保持平衡。本文遵循从环境空气到氧气产品的物理过程，然后重点介绍效率驱动因素、操作窗口和保持Cryo应用边界的应用边界。 href="https://www.linde-engineering.com/products-and-services/process-plants/air-separation-plants" target="_blank" rel="noopener">用于氧气生产的基因空气分离工业供应的核心。
工艺模块：进气、压缩和空气净化
现代 ASU 从进气口过滤开始，并通过中冷进行多级压缩。中冷器降低排放温度，限制水分残留，并降低给定压力比的压缩机工作。压缩后，空气通过预净化装置（通常是分子筛系统），去除水蒸气和二氧化碳。此步骤至关重要：冷箱中的主热通道会结冰和二氧化碳。交换器。
在用于产氧的低温空气分离中，净化质量直接影响可靠性。工程师通常跟踪吸附器切换行为、突破裕度和压降趋势，因为预纯化装置中的微小降解可能会转化为一旦过程达到低温，就会产生巨大的风险。
用于产氧的低温空气分离中的冷箱和制冷
纯净的空气进入主热交换器，最常见的是钎焊铝板翅片交换器，通过与冷回流流的逆流交换来冷却。制冷是使用膨胀涡轮机在内部产生的。一部分高压流膨胀以产生低温气体，同时回收轴工作；这种冷流有助于关闭工厂的进料制冷，随着温度的降低，混合物成为两个冷凝和部分的制冷平衡。
此时，用于产氧的低温空气分离成为一个受控的相平衡问题。热交换器接近温度、压降和流量分布决定了可用于整流的液体量以及柱系统的稳定性在负载变化和环境波动期间保持不变。
蒸馏系统：双柱热集成
大多数工业制氧厂使用热耦合双柱方案：高压 (HP) 柱和低压 (LP) 柱通过冷凝器-再沸器连接。部分液化的进料进入 HP 柱并分离成氮富集蒸气和富氧液体。 HP 塔的氮气开销为冷凝器中的沸腾器冷凝器提供热冷凝器冷凝器。 LP 柱。这种热耦合是用于产氧的低温空气分离的一个决定性特征，因为它将制冷问题转化为内部平衡的蒸馏系统。
LP 柱进行最终整流。通过主热交换器升温后，氧气以液氧 (LOX) 或气态氧 (GOX) 的形式从底部抽取。氮气作为产品从顶部抽取，或用作废物以维持冷平衡。如果需要氩气回收，侧抽配置和专用氩气柱通常可以通过加电方案来增加复杂性；氧纯度单独目标。
氧气输送模式：GOX、LOX 和加压供应
氧气供应规范决定了设备选择和能源概况。管道 GOX 供应对于综合工业场所很常见，而 LOX 生产支持商家分销并在短时间运行故障期间提供缓冲。对于较高的输送压力，氧气可以压缩为温气体，或者 LOX 可以泵送到压力和蒸发。LOX 泵送通常会减少大压力比的能量需求，但它将注意力转移到低温泵处理的可靠性和热气泵处理性能上。
由于输送模式会改变压缩机负载、制冷平衡和操作限制，因此最好将其视为整体 ASU 工艺设计的一部分，而不是下游附加组件。
低温空气分离产氧效率
电耗主要由空气压缩。制冷是通过膨胀和冷回收产生的，但冷的“成本”仍然出现在阀门、交换器和塔内部的压力比和不可逆性中。最有用的基准指标是比功耗（千瓦时/Nm³氧气），与氧气纯度和产品压力一起解释。
在实践中，效率的提高来自可测量的工程杠杆：压缩机多向性效率和分级、膨胀机等熵效率、主热交换器接近温度和冷箱压降。柱压是一个战略选择：增加高压柱压力增强冷凝器-再沸器驱动力，但提高压缩机工作；降低液化石油气柱压力可以改善水头流量平衡，但会增加这些季节性的竞争压力降效应。和特定位点的瞬变。
分析产氧低温空气分离的一种实用方法是将性能分为三层：(1) 压缩功率、(2) 冷箱损耗（压降加交换器方法）和 (3) 分离占空比（回流和塔效率）。由于限制转移到其他地方，仅一层的改进通常会带来有限的净效益。
典型操作窗口
下表总结了工业设计、调试目标和性能筛选中常用的代表性范围。实际值随容量、环境条件以及氮气和氩气是否作为有价值产品共同生产而变化。
表 1. 工业低温氧 ASU 的代表性工作范围
| 范围 | 典型范围 | 备注 |
|---|---|---|
| 氧气纯度（体积％） | 99.5–99.8 | 通过设计权衡可以实现更高的纯度 |
| 氧气容量 | 500–120,000 Nm³/h | 较大的单位通常显示出较低的比功率 |
| 单位功率（kWh/Nm³ O₂） | 0.38–0.55 | 取决于产品压力和副产品 |
| 高压柱压力 | 5.0–6.5 bar(a) | 选择热耦合与压缩机工作 |
| 低压塔压力 | 1.1–1.4 bar(a) | 受压降和退出点影响 |
| 主热交换器ΔTmin | 1.5–4.0 K | 较低的 ΔT 可以提高效率，但会增加交换器的尺寸 |
| 扩展器等熵效率 | 75–88% | 对操作点和维护敏感 |
| 典型的年度正常运行时间 | 8,000–8,500 h | 基本负载 ASU 的目标是高可用性 |
这些数字并不是理论上的最佳案例；它们反映了精心设计和维护良好的工厂在持续服务中可以维持的情况。它们还阐明了为什么长期监控很重要：性能漂移通常是由逐渐结垢、阀门泄漏、吸附剂老化或仪器偏差驱动的，而不是由严重的故障造成的。
可操作性、安全性和长期稳定性
低温氧系统对污染很敏感。微量碳氢化合物或润滑剂气溶胶可以集中在富氧区域，因此空气质量管理、过滤和预净化性能监测不是可选的。从操作角度来看，稳定性是通过保守的启动和冷却程序实现的，塔中的严格液位和压力控制，以及对异常温度或杂质信号的明确限制。
关闭行为是另一个实际限制。在低负载下，色谱柱接近洪水或哭泣极限，交换器分配不当变得更有可能。调整良好的控制系统优先考虑分离裕度，而不是积极的能量修剪，因为保持纯度的强制回流可以无声地增加功率。这些现实有助于解释为什么许多站点运营低温空气分离对氧气的分离是最强的稳定生产状态接近其设计点。
应用以及为什么低温仍然在规模上占主导地位
炼钢仍然是旗舰应用，但低温氧在气化、合成燃料、有色冶金和大氧化化学中同样重要。在这些系统中，氧气质量一致性和供应稳定性减少了下游变化——通常比标称纯度的微小变化更能提高工厂经济性。
该技术还提供了系统级优势。联合生产的氮气可用于惰化、覆盖或吹扫服务，液体储存可以缓冲短期中断。对于许多集成站点来说，这些集成优势强化了低温空气分离用于氧气生产即使替代氧技术在狭窄的资本成本比较中看起来很有吸引力。
结论
低温分离仍然是高流量、高可靠性供氧的参考方法。工艺链——压缩、预纯化、热交换、膨胀制冷和双柱蒸馏——创建了多个效率杠杆，但性能取决于这些杠杆在长时间运行期间的集成和控制程度。当根据比功率、可操作性、正常运行时间和集成价值进行评估时，持续生产大型工业氧气系统的实用基准。
