介绍
低温空气分离制氧广泛应用于需要大量高纯度氧气的行业。该工艺利用空气的低温精馏：大气空气经过过滤、压缩并逐步冷却直至液化，从而将氧气与氮气和氩气分离。环境空气首先通过带有中间冷却器的多级离心压缩机进行压缩，然后进行净化以去除水和二氧化碳，防止结冰。净化后的空气最终在高效多流换热器（冷箱）中冷却至-170℃至-190℃，并在一系列精馏塔中进行分馏，分离出氧气、氮气和氩气。氧气以液体或气体的形式回收，纯度通常为95%至99.6%（特殊等级可达99.9%）。实际上，低温空气分离制氧装置运行连续可靠；大型装置的运行时间通常超过90%至99%。对于大批量需求（每天数百吨或更多），低温空气分离制氧是首选方法，因为它高效且易于扩展。事实上，这项成熟的技术为全球钢铁、化工和其他行业的工业氧气稳定供应提供了保障。几十年来，低温空气分离制氧技术不断改进，以满足工业对氧气、氮气和氩气日益增长的需求。
工艺概述
低温制氧过程包括几个协调的步骤，能够将空气连续分离成氧气、氮气和氩气：
- 空气进气和压缩：环境空气经过过滤后被吸入多级无油压缩机。压缩机将空气压缩至设计蒸馏压力（通常为 4–10 巴）。在每个压缩阶段之后，中间冷却器（水冷式换热器）会去除大部分压缩产生的热量并冷凝掉大部分水分。这种分级压缩和中间冷却大大降低了下游制冷设备的制冷负荷。
- 净化：高压空气随后通过净化模块（通常是分子筛床或制冷换热器）去除残留的H₂O、CO₂和碳氢化合物。这些痕量污染物在低温下会冻结。吸附器（沸石床）交替进行吸附和再生，从而产生洁净干燥空气（CDA）。在此阶段结束时，进料空气在全压下完全无油、干燥且不含CO₂，可以进行低温冷却。
- 低温冷却：净化后的高压空气进入冷箱，冷箱是一个隔热良好的密闭容器，内部装有多流式钎焊铝换热器。在此，进料空气与流出的低温产品流（液氧、气氧、氮气和氩气）进行逆流换热，从而进行预冷。部分进料空气还可以通过涡轮膨胀机（等熵膨胀）膨胀，以产生额外的制冷量。随着热量分阶段被移除，进料空气的温度逐渐接近其液化温度。到达换热器末端时，空气温度通常约为 –170 至 –190 °C，并已部分液化。高效的热集成——利用流出的低温产品流预热进入的空气——可以回收大部分冷量。
- 分馏：冷却后部分液化的空气流入一系列精馏塔（通常是一个高压塔连接一个低压塔）。在高压塔（工作压力约为 4-6 巴）中，富含氮气的蒸汽从顶部排出，而富含氧气/氩气的液体则聚集在底部。这些富含氧气的液体被送入低压塔（压力约为 1 个大气压），在低压塔中，上升的蒸汽会去除大部分剩余的氮气。低压塔底部产出几乎纯净的液氧 (LOX)，顶部则产出低纯度的氮气蒸汽。少量液氧可以被加压（用于液氧输送）或汽化，以提供高纯度气态氧气。
- 氩气回收（可选）：如果需要生产氩气，则从低压塔中抽取一股侧流液体，该液体的氩气含量为7%～15%（其余为氧气）。这股富含氩气的液体被送入辅助精馏塔。该精馏塔生产高纯度液态氩气，并将剩余的氧气回收至主氧气产品中。（如果不需要回收氩气，这股侧流通常会被排放掉或与氧气混合。）
- 产品收集与再生：高纯氧（液氧或气态氧）从低压塔底部抽出。低温液体泵将液氧提升至所需的输送压力（用于管道输送或储存）；气态氧根据需要进行压缩。氮气产品（通常纯度>99%）从塔顶抽出。每根塔顶的回流罐和冷凝器提供液体回流，以稳定分离过程。最后，所有冷产品流（O₂、N₂、Ar）返回热交换器加热至环境温度，从而平衡制冷。任何尾气均被加热后排放或用于再生净化床。
在这些步骤中，精细的热集成和压力控制可最大限度地提高氧气回收率，同时最大限度地降低能耗。低温空气分离制氧的每个环节都必须经过精细调整，才能达到最佳性能。整个循环连续运行，通过液化部分空气来提供所需的制冷。保持精确的塔温和回流比对于获得高纯度和高产率的氧气至关重要。
低温空分装置的关键设备
在低温空气分离制氧装置中，每台设备都发挥着至关重要的作用。表1总结了主要部件及其功能：
| 设备 | 功能 |
|---|---|
| 空气压缩机 | 多级离心式压缩机，可将环境空气加压至蒸馏压力（通常为 4-10 巴）。 |
| 中冷器/后冷器 | 压缩机级之间的壳管式或板式换热器；去除压缩空气中的热量并冷凝水分。 |
| 分子筛净化器 | 吸附床（沸石/氧化铝）可去除高压空气中残留的 H₂O 和 CO₂，防止冷箱结冰。 |
| 主换热器（冷箱） | 多流钎焊铝换热器（板翅式），其中进料空气通过与输出产品流（氧气、氮气、氩气）逆流冷却。 |
| 膨胀涡轮机（涡轮膨胀机） | 冷藏箱内的制冷装置，通过膨胀一部分高压空气（或 N₂）来提供额外的冷却（等熵膨胀）。 |
| 高压蒸馏塔 | 分馏塔（约 4-6 巴）；进料被分离，顶部产生富含氮气的蒸汽，底部产生富含氧气/氩气的液体。 |
| 低压蒸馏塔 | 分馏塔（~1 bar）；进一步分离进料，在塔底产生高纯度液态 O₂，在塔顶产生低纯度 N₂。 |
| 回流鼓/蓄能器 | 低温容器可冷凝和收集回流液体（例如液氮），并将其送回塔中以维持稳定运行。 |
| 液氧泵 | 低温泵，用于将液氧 (LOX) 的压力提升至输送或储存压力（例如用于管道注入）。 |
| 氩气精馏塔 | （如果回收氩气）一个单独的柱子，抽取富氩侧流，产生高纯度液氩（并回收氧气）。 |
对于任何低温空气分离制氧装置而言，各部件的合理尺寸和集成都至关重要。冷箱内装有主换热器、膨胀涡轮机和塔填料，所有部件都封装在一个紧凑的真空夹套式外壳中。热力设计旨在最大限度地减少换热器中的温差（“夹点”）。高效压缩机配备中间冷却器，可最大限度地减少输入功。压缩机、预冷器、膨胀机和塔的布置共同构成了热力循环。每个设备（压缩机、换热器、塔、泵等）都必须根据空分装置的具体产能和纯度目标进行选择和设计。
能源和效率考量
低温空气分离制氧本质上是高能耗工艺，因为液化空气需要大量的制冷设备。主要的耗电设备是空气压缩机（用于压缩和中间冷却）以及任何涡轮膨胀机。一个典型的大型空分装置（ASU）每标准立方米氧气（O₂）大约消耗0.4–0.7 kWh（每吨氧气约300–600 kWh），具体消耗量取决于产品压力和纯度。例如，将氧气泵送到极高压力（用于钢瓶充装或管道输送）可能会使能耗增加到约500 kWh/t，而中等输送压力（约2–10 bar）的能耗可能约为400 kWh/t。
实际上，压缩机功率往往占据电力消耗的大部分。因此，现代空分装置（ASU）会采用多级压缩机组和高效中间冷却来优化设计。在条件允许的情况下，会优先使用涡轮膨胀机而非简单的节流阀：进料流经涡轮机的等熵膨胀可以产生有效的制冷量（有时还能回收轴功），从而提高整体热力学效率。
尽管采取了这些措施，实际能耗仍远超理论最低值。多级膨胀和有限温差换热过程中会产生火用损失。提高效率的关键途径包括：最大限度地提高换热器效率（例如，减小板翅式换热器的温差），在多股流体中采用多级膨胀和功回收，以及整合任何可用的冷量或废热。例如，一些设施利用低品位废热甚至液化天然气再气化产生的冷量来补充制冷。然而，任何增加的复杂性都必须与成本进行权衡。
由于电力通常占空比装置 (ASU) 运行成本的 70% 至 80%，因此即使单位功率的节省幅度很小，也能带来显著的经济效益。设计上的权衡涉及资本和能源：更大的换热器面积或额外的膨胀机（更高的资本支出）可以降低每吨氧气的千瓦时消耗量（更低的运营成本）。每个低温空气分离制氧项目都必须考虑电价、装置运行时间和所需的氧气回收率等因素。总之，要实现最佳效率，需要根据生产目标仔细匹配压缩机压力、塔压和制冷策略。
工业应用
低温空气分离制氧技术服务于众多需要高纯度氧气（以及氮气和氩气副产品）的工业领域。例如：
- 钢铁冶炼：氧气用于高炉和碱性氧气转炉，以增强燃烧并氧化杂质。大型钢铁厂通常以每小时数千立方米的速度，通过管道直接从现场低温空气分离装置获取氧气。
- 石化和炼油：蒸汽重整、部分氧化、催化重整和烟气净化等工艺都需要使用氧气或氮气。低温空气分离装置可为合成气和清洁燃料的生产提供氧气，并为反应器和发电过程提供氮气用于惰性气体保护。
- 化学品制造：许多化学品的生产都依赖于纯氧（例如环氧乙烷、硝酸、甲醇合成等）。低温分离装置还能提供超高纯度的氮气和氩气，用于敏感反应的保护和分离。
- 玻璃和陶瓷：在玻璃熔炉中使用富氧燃烧可以提高火焰温度，从而提高熔化效率和玻璃质量。低温空气分离装置可为这些高温操作提供所需的氧气和惰性气体。
- Environmental and Power: Wastewater treatment, waste incineration, and oxy-combustion in power boilers use oxygen to enhance oxidation. Emerging processes like coal or biomass gasification and carbon capture by oxy-fuel processes depend on large flows of high-purity O₂ from cryogenic units.
- 医疗和半导体：虽然规模较小，但液氧生产装置可为医院和生物技术设施供应氧气（医用级氧气纯度约为 99.5%）。来自低温空气分离装置的高纯度氮气（99.999%）和氩气对于电子产品制造至关重要。
在这些行业中，生产设施均根据现场需求量身定制。大型装置将气态氧气输送到管道网络或储罐中。小型装置则可直接填充低温杜瓦瓶或气瓶。在任何情况下，对低温空气分离装置进行精心设计并将其与主体工厂集成，都能确保可靠的运行性能。氧气需求量和所需的纯度决定了工艺流程和设备配置的选择。
结论
低温空气分离制氧技术仍然是供应大量高纯度氧气（以及氮气和氩气）的核心技术。随着工业的发展，这项成熟的技术也在不断改进：先进的换热器设计、改进的膨胀机和更优化的工艺集成，使效率和产能不断提高。设计工程师必须平衡能耗、资本成本和产品要求，以实现特定目标。例如，提高氧气产量或输送压力会显著增加电力需求，因此低温空气分离制氧系统通常会针对特定应用进行优化。具体的設計选择——例如制冷循环类型、压缩机级数和换热器尺寸——直接影响资本支出和运营成本。最终，对这些参数进行精细调整的能力使低温空分装置运营商能够高效可靠地满足日益增长的工业气体需求。随着全球对氧气（以及副产品气体）需求的持续增长，低温空气分离制氧技术将在为世界工业提供稳定、高纯度的气体供应方面发挥关键作用。
