通过多级换热器 (MHE) 中的热回收换热和膨胀式涡轮机的制冷作用，空气分离装置将工艺空气冷却至低温状态。此时，大部分空气处于液相（通常是液氧、液氮和富含液态氩的组分的混合物）。至此，低温精馏的条件已经具备，空气将在冷箱中完成分离，最终得到纯氧和纯氮。
冷箱中的低温精馏
深冷空分装置的核心是冷箱，这是一个绝缘的低温精馏系统，氧气和氮气（以及氩气）的实际分离过程就在这里进行。冷箱通常包含两个主要的精馏塔，如前所述——一个高压塔和一个低压塔——它们以双塔结构排列。这些精馏塔采用塔盘或规整填料结构，并安装在一个高大的绝缘外壳（即“冷箱”）内，以最大限度地减少热量损失。整个冷箱通常填充珍珠岩绝缘材料或保持真空状态，以维持低温环境。
以下是蒸馏过程的实际运作方式：进入的高压空气（经主换热器和膨胀机冷却后部分液化）被送入高压塔的底部。当这种进料混合物与高压塔内上升的蒸汽和下降的液体接触时，氮气（挥发性更强的组分）倾向于向上移动，而氧气（挥发性较弱的组分）则浓缩在向下流动的液体中。高压塔的运行压力约为 5-6 巴，这意味着其内部温度比 1 巴时的温度略高（气体的沸点随压力升高而升高）。例如，在 6 巴的压力下，氮气可能在 -170°C 或更高的温度下冷凝。高压塔产生两个输出流：（1）底部富含氧气的液体（通常含 35-40% 的氧气，其余为氮气和氩气），以及（2）顶部几乎纯净的氮气（通常含 99% 以上的氮气，含有少量氧气杂质）。在某些空分装置设计中，一部分高压氮气可以直接从高压塔顶部抽出作为产品流（尤其是在需要高压氮气产品的情况下）。否则——在大多数大型空分装置中——顶部的氮气蒸汽会被输送到冷箱内的下一个工艺步骤。
来自高压塔顶部的富氮蒸汽被引入位于低压塔底部的主冷凝器/再沸器单元。该换热器（通常为热虹吸式再沸器）通过与低压塔中的沸腾液氧进行热交换，使高压氮气冷凝。在此过程中，它使低压塔底部的富氧液体沸腾，从而在低压塔中产生向上流动的蒸汽。冷凝后的氮气（此时为低压塔压力下的液态）用作两个塔的回流液：一部分液氮返回高压塔顶部作为回流液，以维持高压塔的分离；另一部分则送至低压塔顶部，作为低压塔的回流液。这种布置有效地将两个塔耦合起来：高压塔为低压塔提供回流液和冷却能力，而低压塔的沸腾则为高压塔的蒸汽冷凝提供热负荷。
现在，在低压塔（操作压力约为 1.0–1.3 bar）中，氧气和氮气的分离过程得到进一步完善。低压塔的进料包括来自高压塔的节流后的富氧液体（从低压塔的中间段引入）以及塔顶的液氮回流。当这些流体分别向下和向上流动时，低压塔的作用是从富氧液体中脱除剩余的氮气，并从上升的蒸汽中脱除氧气。在低压塔顶部，流出的是高纯度气态氮——通常只含有几个 ppm 的氧气。这种低温气态氮气产品被抽出，并通过主换热器进行加热（从而得到最终的气态氮产品流）。在低压塔底部，几乎纯净的液氧聚集在再沸器底部。这种液氧的纯度通常约为 99.5%（如果氩气没有被完全提取，则氩气是主要的杂质）。它被抽出作为粗液氧产品。如果需要高压气态氧作为最终产品，则需要对塔底的液氧进行加压和汽化（详见下一节）。如果需要低压液氧，则可以直接将其输送到储罐。
低压精馏塔也会产生一股废气流——并非所有氮气都会转化为产品，尤其是在工厂主要设计用于生产氧气的情况下。这种废气（主要成分是氮气，含有微量氩气/氧气）通常从低压精馏塔的上部抽出。其中一部分可在内部使用（例如，加热后用作PPU吸附器的再生气体）。其余部分最终作为富含氮气的废气排放到大气中。由于废气在低压精馏塔中膨胀至接近环境压力，然后在主换热器中被加热，因此它提供了冷却作用，并以接近环境温度的状态离开空分装置。
对于配备氩气回收系统的装置，会从低压塔中氩气浓度最高的位置（通常是液相氧气浓度约为10-12%的位置，此时氩气浓度约为80%，因为氩气会在该位置富集）抽取富含氩气的蒸汽侧流。该气流被送入一个较小的氩气精馏塔（位于冷箱内），该塔在低压下运行。氩气精馏塔顶部产出粗氩（约98%氩气，约2%氧气），底部产出液氧（液氧返回主低压塔）。如果需要纯氩产品，则可以对粗氩进行后续净化处理（如前所述）。氩气生产是一个重要的设计选项，但会增加系统的复杂性；如果不需要氩气，则氩气会留在氧气产品中。在许多空分装置中，回收氩气既可以提高氧气纯度，又可以获得一种有价值的副产品。
总而言之，冷箱中的精馏系统——包括双塔（高压塔和低压塔）以及可选的氩气塔——是用于将冷却后的空气分离成氧气和氮气的地方。这些塔的设计（直径、高度、内部结构）是空分装置工程的关键部分，确保达到所需的纯度和回收率。这些塔在稳定状态下连续运行，其性能通过回流比、进料条件和热集成进行控制。分离完成后，下一步是将产品以所需状态（气态或液态）输送到储存设施或管道中。
产品预热和交付
蒸馏后，分离出的氧气和氮气产品在低温下获得，需要以所需的条件输送到最终用户。在典型的低温空气分离装置中，产品氧气和氮气从冷箱中取出，并通过主换热器（或专用产品汽化器）加热至环境温度。这不仅可以回收宝贵的冷能（如前所述），还可以确保气体以温暖干燥的状态输送，适合管道输送和工艺使用（大多数应用使用接近环境温度的气体产品，但填充液体储罐除外）。当O₂和N₂气流离开主换热器时，它们的温度已接近环境温度（约20°C），并将冷能传递给了进入的空气。
产品的输送压力取决于用户的需求。如果客户需要低压气体（例如，某些工艺可以使用略高于大气压的氧气），则可以直接从低压塔出口输送气体。然而，在许多工业应用中，氧气和氮气需要达到几个巴的压力（例如，通过管道输送到钢铁厂或化工厂时，压力为 5-10 巴）。为此，有两种设计方案：
- 对于氧气：通常，在低压精馏塔底部收集的液氧会通过低温液体泵加压，然后通过热交换器蒸发。这种方法效率很高，因为泵送液体所需的能量远低于压缩气体所需的能量。液氧可以被泵送到所需的输送压力（如果需要，甚至可以达到几十巴），然后通过与较热的流体进行热交换而汽化（通常是在主换热器中与进料空气进行热交换，或在单独的汽化器单元中进行）。最终，高压气态氧被输送到产品管道。如果只需要低压气态氧，则可以将液氧通过重力输送到再沸器，并在低压精馏塔的压力下沸腾汽化，然后根据需要使用鼓风机或压缩机进行增压。但在现代大型空分装置中，泵送和汽化是生产高压氧气的首选方法。
- 对于氮气：气态氮气在低压塔顶部产生，压力接近 1 巴。如果需要中等压力（例如 5-6 巴）的气态氮气，一种便捷的方法是从高压塔侧流提取氮气——高压塔顶部的气体压力约为 6 巴，纯度很高，因此冷却后可以直接作为产品输送。一些空分装置（ASU）就是采用这种方式从高压塔提供产品氮气（并进行适当冷却至环境温度）。或者，可以将低压塔产生的氮气经产品压缩机压缩至所需压力后输送。如果需要更高压力的氮气或需要液态氮产品，可以将冷箱中部分冷凝的液态氮进行过冷处理并输送到储罐，或者像处理氧气一样进行泵送和汽化。
许多大型空气分离装置可以生产气态和液态产品。例如，它们可以通过管道连续供应气态氧，同时生产液态氧、液态氮（和液态氩），并将其储存在低温储罐中。这些液态产品可以通过绝缘槽罐车运输到异地客户。空气分离装置可以通过增加回流液量并将其送入储罐而不是返回到精馏塔，从而有效地将一部分产物液化，以此来生产更多的液态产品。这种灵活性是设计的另一个重要方面——平衡气体产量和液体产量——操作人员会根据需求进行调整。
重要的是，在最终交付之前，气态产品会经过质量控制环节。分析仪会监测氧气纯度（以确保氧气符合规格，例如 99.5% 或其他要求）和微量污染物。氮气产品会分析残余氧含量（高纯度氮气通常要求氧含量低于几个 ppm）。产品流通常也会进行计量，然后根据需要输送到管道或灌装到气瓶/液体容器中。
典型性能和操作条件
现代低温空气分离装置规模庞大、效率极高，可连续运行，每天生产数千吨产品。表 1 总结了大型工业低温空气分离装置生产氧气和氮气的一些典型性能参数。
表1：低温空气分离装置（ASU）产生的氧气和氮气的典型纯度、压力和温度特性
| 范围 | 氧气 (O₂) | 氮气 (N₂) |
|---|---|---|
| 产品纯度（体积百分比） | 约99.5%（高纯度） | 约 99.999%（超高） |
| 输送压力（气体） | 约 5-6 巴（典型的管道供气压力） | 约 5-6 巴（典型的管道供气压力） |
| 在1个大气压下的沸点（°C） | –183 °C | –196 °C |
如上所示，低温空气分离装置（ASU）通常生产体积纯度约为 99.5% 的氧气（剩余的 0.5% 主要为氩气，氮气含量仅为百万分之几）。双塔式空气分离装置生产的氮气纯度可达 99.999%，这意味着氮气中的氧含量极低（仅为百万分之几）。气态产品的输送压力通常比大气压高几个巴——例如，通过管道输送给工业用户时，压力通常约为 5 巴。在装置内部，工艺过程涉及高压（空气被压缩至约 6 巴，高压塔在此压力下运行）和低压（低压塔的压力约为 1.2 巴）。低温范围大致从环境温度降至 –185°C（在高压塔和主换热器中），氮气顶部温度低至 –196°C。这些极低的温度需要使用特殊的材料，并且冷箱需要良好的绝缘。
低温空气分离装置是能耗密集型系统，这主要是由于空气压缩和制冷所需的能量消耗。一台设计精良的大型空气分离装置每生产一立方米氧气大约需要消耗 0.3-0.6 千瓦时电力（这相当于每吨氧气消耗约 200-400 千瓦时）。由于规模经济以及更高效的涡轮机和换热器，单位产品能耗往往会随着装置规模的增大而降低。尽管耗电量较高，但低温空气分离通常是生产大量氧气和氮气最经济的方法；在大规模生产条件下，单位质量产品的能耗非常低，而且其高纯度和高可靠性使其在重工业应用中具有显著优势。
设计注意事项和工艺工程方面
从工艺工程的角度来看，低温空气分离装置需要进行精心的设计权衡，以满足性能、效率和安全要求。一些关键的设计和操作注意事项包括：
- 能源效率：由于压缩和制冷是耗电的主要环节，现代空分装置的设计旨在最大限度地实现热量集成，并尽可能多地回收冷能。主换热器采用极小的温差设计，最大限度地减少冷量损失。膨胀机用于回收功（通常用于驱动循环中的压缩机）。循环配置（例如，是从高压塔提取产品还是泵送液态产品）的选择基于最大限度地降低所需产品组合和压力下的总能耗。工程技术的进步不断提高压缩机效率（例如，空气压缩机级的空气动力学优化）和换热器性能，从而逐步降低每单位气体生产所需的千瓦时电量。一些大型工厂还与电力系统集成——例如，利用膨胀机产生的能量为工厂的电网供电或运行辅助设备。
- 产品压力与功耗的权衡：一个重要的设计决策是如何提供所需的产品压力。在较高压力下运行整个空分装置（例如，采用 8-10 bar 的循环压力而不是约 6 bar）可以直接从精馏塔获得较高压力的气体，从而可能避免使用产品压缩机或液体泵。然而，在较高压力下运行会显著增加压缩机功耗，进而增加能耗。另一方面，采用低压循环（接近 5 bar）并通过液体泵提升产品压力通常更高效，但需要使用低温泵和汽化器。工程师必须根据所需的输出压力评估最经济的方法：对于中等压力，泵送液氧和液氮通常更节能；对于极高压力或某些特定配置，可能需要使用多级产品压缩机。最佳循环方案应根据产品需求量身定制，以最大限度地降低初始投资和运营成本。
- 安全与材料：低温空气分离装置（ASU）处理大量高纯度浓缩氧气——富氧环境如果存在任何有机物或火花，就会造成火灾和爆炸危险。因此，ASU 的设计特别注重材料选择和清洁度。所有用于氧气服务的设备（冷箱内部件、管道、阀门）均采用与高纯度氧气兼容的材料（通常为不锈钢、铝、铜合金）制成，并经过彻底清洁，以去除任何残留的碳氢化合物、油污或其他可燃物。通常会安装碳氢化合物监测系统，以检测液氧槽中碳氢化合物的积聚情况，因为液氧中的可燃碳氢化合物会造成严重危险。如果读数接近不安全限值，装置将启动预防措施（例如控制排放或升温）以去除污染物。此外，氩气侧流有助于限制主塔中的碳氢化合物浓度（因为大多数碳氢化合物比氧气更易挥发，并且倾向于在氩气聚集的地方积聚）。压力释放和控制系统也至关重要——冷箱和换热器均由安全阀保护，分离塔也配备了防止超压或温度过高的系统。
- 操作灵活性和控制：现代低温空气分离装置配备了先进的控制系统，使其能够在一定程度上调整氧气/氮气（以及氩气）的生产速率和比例。通过调节空气流量、涡轮膨胀流量和回流比等参数，操作人员可以根据当前需求或效率优化装置运行。例如，如果氧气需求下降，空气分离装置可以转而生产更多液态产品进行储存，或者通过降低压缩机负荷来降低功耗（但需在一定范围内，因为空气分离装置更适合稳定运行）。自动化系统可确保对塔压、液位和纯度分析仪进行精确控制，从而使装置安全高效地运行。空气分离装置的启动和关闭程序复杂且经过精心设计，因为必须控制热应力和水分进入；大型装置通常会储备备用液态产品，以帮助管理过渡阶段或在产能提升期间为客户供货。
- 规模和模块化设计：空气分离装置的设计容量范围广泛——从每天生产几十吨氧气的小型装置（通常是橇装式成套设备）到每天生产超过4000吨氧气的巨型联合装置。在大型装置中，为了提高产能或增强冗余性，可能会使用多个冷箱和并联流程。规模扩大并非简单的线性过程；工程师必须考虑诸如塔径限制、最佳空气压缩机选型以及大型设备的运输限制等因素。通常，为了便于建造和操作，超大型空气分离装置会采用多个相同的流程单元。模块化冷箱结构也很常见：蒸馏塔和换热器在工厂内组装到一个大型矩形冷箱中，然后运输到现场，并与压缩机和公用设施连接。
总之，低温空气分离装置仍然是生产高纯度、大规模氧气和氮气的尖端技术。它们是高度集成化工艺的典范：结合压缩、低温制冷和多塔精馏，实现高效分离。本文讨论的工艺——压缩空气、净化空气、通过换热器和膨胀机冷却至低温，并在双塔系统中进行精馏——能够生产出无数工业运营所需的氧气和氮气。虽然该工艺耗能较高，但换热器设计、旋转机械效率和过程控制方面的持续创新正在不断提高这些装置的性能。同样，对安全性和可靠性的重视使得现代空气分离装置极其可靠，通常可以运行多年，停机时间极少。对于工艺工程师和设计师而言，低温空气分离装置是一个引人入胜的系统，它融合了热力学、流体动力学和实际操作方面的诸多考量。随着全球对工业气体需求的增长以及新兴应用的出现（例如用于清洁燃烧的氧气或用于电子和食品保鲜的大规模氮气），低温空气分离装置将继续发挥关键作用——高效安全地提供先进工业所需的氧气和氮气，满足其产量和纯度要求。
此外，膨胀后的冷气体为整个过程提供必要的制冷：膨胀后的气流可以注入冷箱，帮助液化进入的空气，或用于在换热器中提供冷却。通过使用膨胀式涡轮机而不是简单的焦耳-汤姆逊节流阀，空气分离装置可以以更少的熵增达到低温，从而获得更低的温度流体并产生额外的有用功。
通过多级换热器 (MHE) 中的热回收换热和膨胀式涡轮机的制冷作用，空气分离装置将工艺空气冷却至低温状态。此时，大部分空气处于液相（通常是液氧、液氮和富含液态氩的组分的混合物）。至此，低温精馏的条件已经具备，空气将在冷箱中完成分离，最终得到纯氧和纯氮。
冷箱中的低温精馏
深冷空分装置的核心是冷箱，这是一个绝缘的低温精馏系统，氧气和氮气（以及氩气）的实际分离过程就在这里进行。冷箱通常包含两个主要的精馏塔，如前所述——一个高压塔和一个低压塔——它们以双塔结构排列。这些精馏塔采用塔盘或规整填料结构，并安装在一个高大的绝缘外壳（即“冷箱”）内，以最大限度地减少热量损失。整个冷箱通常填充珍珠岩绝缘材料或保持真空状态，以维持低温环境。
以下是蒸馏过程的实际运作方式：进入的高压空气（经主换热器和膨胀机冷却后部分液化）被送入高压塔的底部。当这种进料混合物与高压塔内上升的蒸汽和下降的液体接触时，氮气（挥发性更强的组分）倾向于向上移动，而氧气（挥发性较弱的组分）则浓缩在向下流动的液体中。高压塔的运行压力约为 5-6 巴，这意味着其内部温度比 1 巴时的温度略高（气体的沸点随压力升高而升高）。例如，在 6 巴的压力下，氮气可能在 -170°C 或更高的温度下冷凝。高压塔产生两个输出流：（1）底部富含氧气的液体（通常含 35-40% 的氧气，其余为氮气和氩气），以及（2）顶部几乎纯净的氮气（通常含 99% 以上的氮气，含有少量氧气杂质）。在某些空分装置设计中，一部分高压氮气可以直接从高压塔顶部抽出作为产品流（尤其是在需要高压氮气产品的情况下）。否则——在大多数大型空分装置中——顶部的氮气蒸汽会被输送到冷箱内的下一个工艺步骤。
来自高压塔顶部的富氮蒸汽被引入位于低压塔底部的主冷凝器/再沸器单元。该换热器（通常为热虹吸式再沸器）通过与低压塔中的沸腾液氧进行热交换，使高压氮气冷凝。在此过程中，它使低压塔底部的富氧液体沸腾，从而在低压塔中产生向上流动的蒸汽。冷凝后的氮气（此时为低压塔压力下的液态）用作两个塔的回流液：一部分液氮返回高压塔顶部作为回流液，以维持高压塔的分离；另一部分则送至低压塔顶部，作为低压塔的回流液。这种布置有效地将两个塔耦合起来：高压塔为低压塔提供回流液和冷却能力，而低压塔的沸腾则为高压塔的蒸汽冷凝提供热负荷。
现在，在低压塔（操作压力约为 1.0–1.3 bar）中，氧气和氮气的分离过程得到进一步完善。低压塔的进料包括来自高压塔的节流后的富氧液体（从低压塔的中间段引入）以及塔顶的液氮回流。当这些流体分别向下和向上流动时，低压塔的作用是从富氧液体中脱除剩余的氮气，并从上升的蒸汽中脱除氧气。在低压塔顶部，流出的是高纯度气态氮——通常只含有几个 ppm 的氧气。这种低温气态氮气产品被抽出，并通过主换热器进行加热（从而得到最终的气态氮产品流）。在低压塔底部，几乎纯净的液氧聚集在再沸器底部。这种液氧的纯度通常约为 99.5%（如果氩气没有被完全提取，则氩气是主要的杂质）。它被抽出作为粗液氧产品。如果需要高压气态氧作为最终产品，则需要对塔底的液氧进行加压和汽化（详见下一节）。如果需要低压液氧，则可以直接将其输送到储罐。
低压精馏塔也会产生一股废气流——并非所有氮气都会转化为产品，尤其是在工厂主要设计用于生产氧气的情况下。这种废气（主要成分是氮气，含有微量氩气/氧气）通常从低压精馏塔的上部抽出。其中一部分可在内部使用（例如，加热后用作PPU吸附器的再生气体）。其余部分最终作为富含氮气的废气排放到大气中。由于废气在低压精馏塔中膨胀至接近环境压力，然后在主换热器中被加热，因此它提供了冷却作用，并以接近环境温度的状态离开空分装置。
对于配备氩气回收系统的装置，会从低压塔中氩气浓度最高的位置（通常是液相氧气浓度约为10-12%的位置，此时氩气浓度约为80%，因为氩气会在该位置富集）抽取富含氩气的蒸汽侧流。该气流被送入一个较小的氩气精馏塔（位于冷箱内），该塔在低压下运行。氩气精馏塔顶部产出粗氩（约98%氩气，约2%氧气），底部产出液氧（液氧返回主低压塔）。如果需要纯氩产品，则可以对粗氩进行后续净化处理（如前所述）。氩气生产是一个重要的设计选项，但会增加系统的复杂性；如果不需要氩气，则氩气会留在氧气产品中。在许多空分装置中，回收氩气既可以提高氧气纯度，又可以获得一种有价值的副产品。
总而言之，冷箱中的精馏系统——包括双塔（高压塔和低压塔）以及可选的氩气塔——是用于将冷却后的空气分离成氧气和氮气的地方。这些塔的设计（直径、高度、内部结构）是空分装置工程的关键部分，确保达到所需的纯度和回收率。这些塔在稳定状态下连续运行，其性能通过回流比、进料条件和热集成进行控制。分离完成后，下一步是将产品以所需状态（气态或液态）输送到储存设施或管道中。
产品预热和交付
蒸馏后，分离出的氧气和氮气产品在低温下获得，需要以所需的条件输送到最终用户。在典型的低温空气分离装置中，产品氧气和氮气从冷箱中取出，并通过主换热器（或专用产品汽化器）加热至环境温度。这不仅可以回收宝贵的冷能（如前所述），还可以确保气体以温暖干燥的状态输送，适合管道输送和工艺使用（大多数应用使用接近环境温度的气体产品，但填充液体储罐除外）。当O₂和N₂气流离开主换热器时，它们的温度已接近环境温度（约20°C），并将冷能传递给了进入的空气。
产品的输送压力取决于用户的需求。如果客户需要低压气体（例如，某些工艺可以使用略高于大气压的氧气），则可以直接从低压塔出口输送气体。然而，在许多工业应用中，氧气和氮气需要达到几个巴的压力（例如，通过管道输送到钢铁厂或化工厂时，压力为 5-10 巴）。为此，有两种设计方案：
- 对于氧气：通常，在低压精馏塔底部收集的液氧会通过低温液体泵加压，然后通过热交换器蒸发。这种方法效率很高，因为泵送液体所需的能量远低于压缩气体所需的能量。液氧可以被泵送到所需的输送压力（如果需要，甚至可以达到几十巴），然后通过与较热的流体进行热交换而汽化（通常是在主换热器中与进料空气进行热交换，或在单独的汽化器单元中进行）。最终，高压气态氧被输送到产品管道。如果只需要低压气态氧，则可以将液氧通过重力输送到再沸器，并在低压精馏塔的压力下沸腾汽化，然后根据需要使用鼓风机或压缩机进行增压。但在现代大型空分装置中，泵送和汽化是生产高压氧气的首选方法。
- 对于氮气：气态氮气在低压塔顶部产生，压力接近 1 巴。如果需要中等压力（例如 5-6 巴）的气态氮气，一种便捷的方法是从高压塔侧流提取氮气——高压塔顶部的气体压力约为 6 巴，纯度很高，因此冷却后可以直接作为产品输送。一些空分装置（ASU）就是采用这种方式从高压塔提供产品氮气（并进行适当冷却至环境温度）。或者，可以将低压塔产生的氮气经产品压缩机压缩至所需压力后输送。如果需要更高压力的氮气或需要液态氮产品，可以将冷箱中部分冷凝的液态氮进行过冷处理并输送到储罐，或者像处理氧气一样进行泵送和汽化。
许多大型空气分离装置可以生产气态和液态产品。例如，它们可以通过管道连续供应气态氧，同时生产液态氧、液态氮（和液态氩），并将其储存在低温储罐中。这些液态产品可以通过绝缘槽罐车运输到异地客户。空气分离装置可以通过增加回流液量并将其送入储罐而不是返回到精馏塔，从而有效地将一部分产物液化，以此来生产更多的液态产品。这种灵活性是设计的另一个重要方面——平衡气体产量和液体产量——操作人员会根据需求进行调整。
重要的是，在最终交付之前，气态产品会经过质量控制环节。分析仪会监测氧气纯度（以确保氧气符合规格，例如 99.5% 或其他要求）和微量污染物。氮气产品会分析残余氧含量（高纯度氮气通常要求氧含量低于几个 ppm）。产品流通常也会进行计量，然后根据需要输送到管道或灌装到气瓶/液体容器中。
典型性能和操作条件
现代低温空气分离装置规模庞大、效率极高，可连续运行，每天生产数千吨产品。表 1 总结了大型工业低温空气分离装置生产氧气和氮气的一些典型性能参数。
表1：低温空气分离装置（ASU）产生的氧气和氮气的典型纯度、压力和温度特性
| 范围 | 氧气 (O₂) | 氮气 (N₂) |
|---|---|---|
| 产品纯度（体积百分比） | 约99.5%（高纯度） | 约 99.999%（超高） |
| 输送压力（气体） | 约 5-6 巴（典型的管道供气压力） | 约 5-6 巴（典型的管道供气压力） |
| 在1个大气压下的沸点（°C） | –183 °C | –196 °C |
如上所示，低温空气分离装置（ASU）通常生产体积纯度约为 99.5% 的氧气（剩余的 0.5% 主要为氩气，氮气含量仅为百万分之几）。双塔式空气分离装置生产的氮气纯度可达 99.999%，这意味着氮气中的氧含量极低（仅为百万分之几）。气态产品的输送压力通常比大气压高几个巴——例如，通过管道输送给工业用户时，压力通常约为 5 巴。在装置内部，工艺过程涉及高压（空气被压缩至约 6 巴，高压塔在此压力下运行）和低压（低压塔的压力约为 1.2 巴）。低温范围大致从环境温度降至 –185°C（在高压塔和主换热器中），氮气顶部温度低至 –196°C。这些极低的温度需要使用特殊的材料，并且冷箱需要良好的绝缘。
低温空气分离装置是能耗密集型系统，这主要是由于空气压缩和制冷所需的能量消耗。一台设计精良的大型空气分离装置每生产一立方米氧气大约需要消耗 0.3-0.6 千瓦时电力（这相当于每吨氧气消耗约 200-400 千瓦时）。由于规模经济以及更高效的涡轮机和换热器，单位产品能耗往往会随着装置规模的增大而降低。尽管耗电量较高，但低温空气分离通常是生产大量氧气和氮气最经济的方法；在大规模生产条件下，单位质量产品的能耗非常低，而且其高纯度和高可靠性使其在重工业应用中具有显著优势。
设计注意事项和工艺工程方面
从工艺工程的角度来看，低温空气分离装置需要进行精心的设计权衡，以满足性能、效率和安全要求。一些关键的设计和操作注意事项包括：
- 能源效率：由于压缩和制冷是耗电的主要环节，现代空分装置的设计旨在最大限度地实现热量集成，并尽可能多地回收冷能。主换热器采用极小的温差设计，最大限度地减少冷量损失。膨胀机用于回收功（通常用于驱动循环中的压缩机）。循环配置（例如，是从高压塔提取产品还是泵送液态产品）的选择基于最大限度地降低所需产品组合和压力下的总能耗。工程技术的进步不断提高压缩机效率（例如，空气压缩机级的空气动力学优化）和换热器性能，从而逐步降低每单位气体生产所需的千瓦时电量。一些大型工厂还与电力系统集成——例如，利用膨胀机产生的能量为工厂的电网供电或运行辅助设备。
- 产品压力与功耗的权衡：一个重要的设计决策是如何提供所需的产品压力。在较高压力下运行整个空分装置（例如，采用 8-10 bar 的循环压力而不是约 6 bar）可以直接从精馏塔获得较高压力的气体，从而可能避免使用产品压缩机或液体泵。然而，在较高压力下运行会显著增加压缩机功耗，进而增加能耗。另一方面，采用低压循环（接近 5 bar）并通过液体泵提升产品压力通常更高效，但需要使用低温泵和汽化器。工程师必须根据所需的输出压力评估最经济的方法：对于中等压力，泵送液氧和液氮通常更节能；对于极高压力或某些特定配置，可能需要使用多级产品压缩机。最佳循环方案应根据产品需求量身定制，以最大限度地降低初始投资和运营成本。
- 安全与材料：低温空气分离装置（ASU）处理大量高纯度浓缩氧气——富氧环境如果存在任何有机物或火花，就会造成火灾和爆炸危险。因此，ASU 的设计特别注重材料选择和清洁度。所有用于氧气服务的设备（冷箱内部件、管道、阀门）均采用与高纯度氧气兼容的材料（通常为不锈钢、铝、铜合金）制成，并经过彻底清洁，以去除任何残留的碳氢化合物、油污或其他可燃物。通常会安装碳氢化合物监测系统，以检测液氧槽中碳氢化合物的积聚情况，因为液氧中的可燃碳氢化合物会造成严重危险。如果读数接近不安全限值，装置将启动预防措施（例如控制排放或升温）以去除污染物。此外，氩气侧流有助于限制主塔中的碳氢化合物浓度（因为大多数碳氢化合物比氧气更易挥发，并且倾向于在氩气聚集的地方积聚）。压力释放和控制系统也至关重要——冷箱和换热器均由安全阀保护，分离塔也配备了防止超压或温度过高的系统。
- 操作灵活性和控制：现代低温空气分离装置配备了先进的控制系统，使其能够在一定程度上调整氧气/氮气（以及氩气）的生产速率和比例。通过调节空气流量、涡轮膨胀流量和回流比等参数，操作人员可以根据当前需求或效率优化装置运行。例如，如果氧气需求下降，空气分离装置可以转而生产更多液态产品进行储存，或者通过降低压缩机负荷来降低功耗（但需在一定范围内，因为空气分离装置更适合稳定运行）。自动化系统可确保对塔压、液位和纯度分析仪进行精确控制，从而使装置安全高效地运行。空气分离装置的启动和关闭程序复杂且经过精心设计，因为必须控制热应力和水分进入；大型装置通常会储备备用液态产品，以帮助管理过渡阶段或在产能提升期间为客户供货。
- 规模和模块化设计：空气分离装置的设计容量范围广泛——从每天生产几十吨氧气的小型装置（通常是橇装式成套设备）到每天生产超过4000吨氧气的巨型联合装置。在大型装置中，为了提高产能或增强冗余性，可能会使用多个冷箱和并联流程。规模扩大并非简单的线性过程；工程师必须考虑诸如塔径限制、最佳空气压缩机选型以及大型设备的运输限制等因素。通常，为了便于建造和操作，超大型空气分离装置会采用多个相同的流程单元。模块化冷箱结构也很常见：蒸馏塔和换热器在工厂内组装到一个大型矩形冷箱中，然后运输到现场，并与压缩机和公用设施连接。
总之，低温空气分离装置仍然是生产高纯度、大规模氧气和氮气的尖端技术。它们是高度集成化工艺的典范：结合压缩、低温制冷和多塔精馏，实现高效分离。本文讨论的工艺——压缩空气、净化空气、通过换热器和膨胀机冷却至低温，并在双塔系统中进行精馏——能够生产出无数工业运营所需的氧气和氮气。虽然该工艺耗能较高，但换热器设计、旋转机械效率和过程控制方面的持续创新正在不断提高这些装置的性能。同样，对安全性和可靠性的重视使得现代空气分离装置极其可靠，通常可以运行多年，停机时间极少。对于工艺工程师和设计师而言，低温空气分离装置是一个引人入胜的系统，它融合了热力学、流体动力学和实际操作方面的诸多考量。随着全球对工业气体需求的增长以及新兴应用的出现（例如用于清洁燃烧的氧气或用于电子和食品保鲜的大规模氮气），低温空气分离装置将继续发挥关键作用——高效安全地提供先进工业所需的氧气和氮气，满足其产量和纯度要求。
