工程师依赖空分装置（ASUs），以工业规模稳定提供高纯度的氧气、氮气，以及常见的氩气。 本文将系统介绍深冷空分工艺，从空气压缩、净化、深冷换热到精馏分离全过程，讲解各主要设备的功能，并总结在设计与运行中影响效率的关键要素。 文章重点在于实用性：如果你从事 ASU 的建设、选型或运行，这里将提供足够的细节供你进行性能评估与优化参考。 本概述聚焦于现代空分装置中的深冷空气分离技术**。
为什么选择深冷而非非深冷方式？
PSA/VSA 与膜分离系统在中小型氮气需求场景中占据主导地位，但当应用需要大量氧气（例如 >300 吨/天）或超高纯氮（如 5N 级）时，深冷空分便成为更稳健且经济的选择。 其不仅支持多种气体产品（氧气/氮气/氩气，可为气态或液态形式），还能精确控制气体纯度与压力，并能很好地与下游行业（如钢铁、化工、玻璃和电子）进行工艺对接。
深冷空气分离工艺：从环境空气到高纯气体的全过程
- 空气吸入与过滤： 环境空气通过粗效与精密过滤器，去除颗粒杂质。
- 压缩： 采用多级离心式或整体齿轮式压缩机将空气加压至 5–7 bar，并设有中间冷却器降温。
- 预冷却： 通过冷水机或冷却水系统降低空气温度，以保护吸附剂并提高后续换热效率。
- 净化： 双塔分子筛系统可去除 H₂O、CO₂ 和大部分碳氢化合物，防止其在冷箱内冻结。吸附床交替运行，一塔进行吸附，另一塔则通过加热或真空辅助进行再生。
- 主换热器 (MHE) 洁净干燥的空气与低温产品和废物流进行热交换，冷端温度接近几开尔文。
- 制冷： 通过膨胀透平（以及在部分工艺中使用的焦耳–汤姆逊阀）产生冷量，使系统达到深冷温度。
- 精馏分离： 在双塔系统中，高压塔（HP 塔，约 5–6 bar）对进气进行部分冷凝，低压塔（LP 塔，约 1.2–1.4 bar）完成气体分离，在塔底获得富氧液体，在塔顶获得富氮气体。两塔之间通过再沸器/冷凝器热耦合，实现能量自平衡。
- 氩回收段（可选）： 在氧/氩共沸点附近从低压塔侧线抽取富氩液体，先进入粗氩塔，再进入精氩塔，最终回收高纯氩气。
- 复热、加压与储存： 产品气体在主换热器（MHE）中被复热，如需气态供气则经压缩后输送至管网，或液化后储存在深冷储罐中。
这种具备紧密热耦合的双塔精馏工艺是深冷空气分离的核心，实现了高效且连续的气体生产过程。
主要设备及其“优秀表现”标准如下：
- 空气压缩机与驱动系统： 其比功耗高度依赖于压缩机的等熵效率及进气工况。配置可调入口导叶和合理的防喘振控制系统，有助于在部分负荷下维持高效运行。
- 分子筛净化器： 吸附床尺寸与切换周期决定了系统压降与穿透裕量；调校良好的净化系统可有效避免 CO₂ 漏脱，防止其在主换热器（MHE）中冻结。
- 板翅式主换热器（MHE）： 铝钎焊换热器具备高比表面积，设计目标是在冷端实现 2–3 K 的最小温差，同时确保远离碳氢露点以保障安全运行。
- 膨胀机： 膨胀过程中的焓降提供了系统大部分所需的制冷量。若通过联轴驱动辅助压缩机或发电机回收轴功，可进一步提升整体能效。
- 精馏塔： 高效的规整填料或塔板结构，以及稳定的回流控制，是实现精确分离的关键。典型运行压力为：高压塔约 5–6 bar，低压塔约 1.2–1.4 bar。
- 低温阀门与仪表： 精密的截止性能与可靠的定位器对于维持塔内物料平衡和确保启动过程可重复性至关重要。
- 产品压缩机与液化系统： 对于气态供气，氧气或氮气压缩机决定最终输出压力；对于液态产品，亚冷器与储罐系统则涉及专门的优化空间。
氧气与氮气产品质量指标
- 氧气： 大型工业空分装置常规输出纯度为 95–99.6% 的气态氧气，其中 99.5% 以上为多数应用的标准要求。供气压力可根据用途不同而变化，从近似常压（供至下游压缩机或管网）到几 bar（直接供给现场用户）均可。
- 氮气： 气态氮的纯度可根据回流比及取气位置灵活调整，范围为 99.9% 至 99.999% 以上；纯度越高，可用流量越低，能耗也略有上升。液态氮的纯度通常可满足电子行业等高敏应用对氧含量 10–20 ppm 的标准要求。
- 水分与 CO₂： 得益于前端净化系统及冷箱内的冷凝净化作用，可有效将含量控制在痕量 ppm 级水平。
由于深冷空气分离工艺高度耦合，调整某一产品的纯度或压力，往往会对其他产品产生影响。经验丰富的操作人员会结合压缩机负载、冷端温差、塔板负荷等系统约束条件，综合判断并确定妥协点。
低温空气分离中的能量和效率
深冷空气分离中的能耗主要由以下因素决定：空气流程路径、冷箱热力过程以及所需产品的纯度与压力条件。
决定单位能耗的三个关键因素为：
- 空气流程效率： 压缩机的等熵效率、中间冷却器的温差（approach）以及进气温度，都会显著影响每吨氧气的电耗（kWh/吨 O₂）。
- 冷箱热力性能： 主换热器（MHE）的冷端最小温差、膨胀机的等熵效率以及塔系的压力比，共同决定系统的制冷负荷。
- 产品种类及条件。更多液态产品（液氮/液氧/液铝酸）和更高的输送压力都会增加功率。超高纯氮气和深度氩气回收也会增加负荷。
现代大型空分装置（ASU）在中等供气压力条件下，生产气态氧的单位能耗通常为 **200 多 kWh/吨 O₂**。 相比之下，小型装置由于规模效应不足及部件效率较低，其能耗水平往往更高。
氩气：何时值得回收
空气中含有约 **0.93% 的氩气**。如果附近存在氩气市场或内部有使用需求，则可通过设置专门的氩气回收段（包括粗氩塔和精氩塔）回收其中大部分氩气含量。 在设计合理的装置中，氩气的回收率可达到**80–90%**，但这会增加精馏塔的分离负荷及冷凝器的热负荷。 若氩气需求有限，许多工厂会选择**跳过氩气回收段**，以简化系统结构并降低能耗。
深冷空分的控制与安全管理
- 控制： 稳定的 O₂/N₂/Ar 平衡依赖于对精馏塔压力、回流流量以及主换热器（MHE）温度分布的精准调控。 采用先进控制策略（如模型预测控制 MPC）可在负荷波动期间减少系统漂移，提高能效。
- 安全： 对碳氢化合物的管理（包括进气监测与吸附剂状态）是不可妥协的关键要求。 氧气工况专用材料、氧气管道中的流速限制，以及合规的安全泄压与放散系统，共同保障设备与人员安全。
- 启动与异常恢复： 标准化的操作序列有助于缩短冷启动时间并保护主换热器（MHE）不受热冲击影响。 仪表冗余配置（温度、压力、分析仪等）可帮助操作人员在出现物料分布不均或早期结冰趋势时及时诊断，在故障触发停机前进行干预。
工程师关注的设计与规模化要点如下：
- 高压/低压塔压选择（HP/LP）是在压缩机能耗与塔内分离效率之间的权衡： ΔP（压差）过低会削弱再沸器的热驱动能力，影响分离效率；而 ΔP 过高则导致压缩机功耗浪费。
- 主换热器（MHE）冷端最小温差（Pinch）受限于换热器效率及碳氢露点的安全裕度，存在不可突破的下限。 若将冷端温差压缩至约 **2 K 以下**，将显著增加结垢与结冰的风险。
- 膨胀机集成：（发电回收 vs. 专用制冷）取决于现场公用工程条件与负荷调节预期。 如果现场有用电需求且负荷波动较小，可采用膨胀发电方式；若系统要求灵活调节或追求更低温度，则更适合配置专用制冷膨胀机。
- 液体产品的灵活性： 设计具备液体共产能力可提升市场适应性，但需额外配置制冷能力与深冷储罐，增加投资成本。
- 维护策略： 阀门、分析仪和分子筛床通常是系统的主要维护瓶颈；将计划检修与分子筛更换、阀门大修同步安排，有助于降低全生命周期运维成本。
典型设计与性能范围如下：
在审核规格或供应商方案时，请将此表作为工程检查点。表中数值反映了现代工厂常用的范围；具体数值会因场地条件和产品组合而有所不同。
表 1. 深冷空气分离中的典型设计与性能范围。
| 项目 | 典型范围 | 工程说明 |
|---|---|---|
| 送入冷箱的进气压力 | 5.0–6.5 bar(a) | 压缩机功率与精馏塔驱动力的平衡 |
| 低压塔压力 | 1.15–1.40 bar(a) | 较低压力提高相对挥发度，但会降低温差驱动力（温升） |
| 冷端温差（主换热器 MHE） | 2–3 K | 更小的换热温差（Pinch）可节省能耗，但会增加冻结风险 |
| 涡轮膨胀机等熵效率 | 75–85% | 直接降低制冷功耗 |
| 气态O₂纯度 | 95–99.6% | 99.5%+为常见值；更高纯度会增加回流负荷 |
| 气态 N₂ 纯度 | 99.9%–99.999%+ | 超高纯度会降低氮气产率并略微增加能耗 |
| 气态氧比功耗（中等供气压力） | ~200–300 kWh/ton O₂ | 大型装置接近能耗下限，小型装置则较高 |
| 氩气回收率（含氩分系统） | 80–90% of in-feed Ar | 增加精馏负荷；需评估市场价值 |
| 典型露点（干态产品） | ≤ –60 °C | 由净化器性能和冷箱清洗效果决定 |
| 液态产品占总产量比例 | 0–40% | 液体产品占比越高 → 功耗与制冷负荷越大 |
实用优化检查清单
- 衡量关键指标。 不仅要关注产品纯度，还要跟踪主换热器（MHE）温度分布、塔内压差及膨胀机性能。
- 优化净化器循环。 再生温度要足够高、时间要足够长，以防止 CO₂ 漏脱；检查阀门密封，避免气流绕过吸附床。
- 控制氧气流速。 保持在建议范围内，以降低富氧气流中的着火风险。
- 合理选择分析仪。 快速、可靠的 O₂／N₂／Ar 分析仪可在不延误采样的前提下完成纯度闭环控制。
- 制定降负荷计划。 如果主机负荷波动，则应指定导叶控制、在合理情况下采用变速驱动器，以及在各种速率下保持分压完整性的可靠立柱控制。
- 评估氩气经济性。 仅在市场价格和需求量足以覆盖额外分离负荷和维护成本时才考虑配置氩气回收系统。
结论
低温空分工艺依然是大规模工业气体生产中最灵活且高效的方案。只要将空压路径、冷箱热力学与塔内结构作为一个系统进行优化，空分装置（ASU）就能稳定提供满足纯度、压力与成本要求的氧气与氮气。 对工程团队而言，这样的系统调优带来切实收益：更低的单位能耗、更短的启动时间、更稳定的产品纯度，以及更安全的运行保障。 如果你正在评估设计方案或排查性能不足，建议从热平衡表、主换热器（MHE）的最小温差（pinch point）以及精馏塔的压力比开始入手，再逐步拓展至氩气处理与产品端条件。多数情况下，最大的优化空间和最快的效益提升就藏在这些核心环节。
