图：干燥大气成分（体积比约为 78% N₂、21% O₂ 和 1% Ar）。 大气经过滤并压缩至约 5–10 bar。低温空气分离工艺利用集成式热交换器和膨胀涡轮机将空气冷却至低温（低于 –170°C）。所得液-气混合物经分馏分离，得到高纯度氧气、氮气和氩气。这种高能耗工艺用于大规模工业低温气体生产。作为参考，现代空分装置（ASU）通常每天可生产数百至数千吨氧气。这些工厂配备了坚固耐用的制冷设备和隔热钢制冷箱，以应对极端条件。主要步骤包括：
工艺概述
- 压缩：进气从大气中抽取，经过过滤器过滤后，经过多级压缩，最终压力通常约为 6–8 bar（表压）。级间冷却器（水冷或风冷）带走压缩产生的热量，并冷凝掉大部分水分。在最后一级之后，后冷却器将空气冷却至接近环境温度（约 30–40 °C），并去除剩余的冷凝水。这种多级压缩过程提高了压力，并部分干燥了气流，使其为低温冷却做好准备。
- 净化：压缩空气随后通过分子筛床（通常为 4Å 或 13X 沸石），以去除几乎所有水分、二氧化碳和碳氢化合物。任何残留的 H₂O 或 CO₂ 都会在低温设备中冻结，因此分子筛的露点低于 -60 °C。吸附器交替运行：一个吸附床进行吸附的同时，另一个吸附床进行再生（加热并用干燥废气吹扫）。最终为低温系统提供极其干燥、无污染的空气。
- 低温冷却： 净化后的高压空气进入多流换热器（位于隔热冷箱内的钎焊铝板翅式换热器），并被流出的冷产品流逆流冷却。一部分空气通过焦耳-汤姆逊阀或（效率更高）涡轮膨胀机膨胀，以提供所需的制冷量，温度达到约 -170 至 -180 °C。现代空分装置采用与压缩机驱动装置相连的膨胀涡轮机来提高效率。冷却后的空气在进入蒸馏塔之前部分液化（形成富氧液体和富氮蒸汽）。
- 蒸馏塔 低温高密度进料（液-汽混合物）流入蒸馏段，通常采用双塔结构。高压塔（HP塔，工作压力约为5-6 bar绝对压力）分离出大部分氮气：富氮蒸汽上升至塔顶（冷凝得到高纯度氮气），富氧液体则聚集在塔底。该液体随后被送至低压塔（LP塔，工作压力约为1.2-1.3 bar绝对压力），并在塔底产生高纯度液氧。低压塔顶的蒸汽（主要成分为氮气）通常被排放或回流。塔间采用板翅式钎焊换热器，将温差控制在1-2 K以内，以实现高效的热集成。
- 氩气回收（可选）：氩气（约占进料空气的0.9%）在低压塔的下部富集。如果需要生产氩气，可从低压塔（富含氩气）抽取侧线气体至辅助氩气精馏塔。该塔在高回流比（20-30倍）下，可将氩气提纯至≥99.95%。塔底的液氩被循环回低压进料。回收氩气需要额外的制冷和回流，但可获得高纯度氩气作为副产品，且不会影响主氧气/氮气的回收。
- 产品处理：最终产品通过与进入的空气进行热交换而升温至环境温度。液氧收集在隔热储罐中或根据需要泵送，而氮气则以气态形式排出。产品纯度取决于操作条件（例如，炼钢用氧气的纯度可能为 93%–95% O₂，而医用氧气的纯度大于 99.5%；氮气产品的纯度通常大于 99%）。低温空气分离工艺的最终输出物通过管道输送给用户或装入低温罐车进行分销。
典型工作参数
下表总结了中等规模低温空气供应装置 (ASU) 的典型条件和性能指标：
| 范围 | 典型值/范围 |
|---|---|
| 进气最终压力（表压） | 5–10 bar |
| 中冷器出口温度 | ~30–40 °C |
| 分子筛床露点 | < –60 °C |
| 热交换器法（冷端） | ~1–2 K |
| 高压柱压 | ~5–6 bar (abs) |
| 低压柱压 | ~1.2–1.3 bar (abs) |
| 氧气产品纯度 | 95–99.5% (vol) |
| 氮产品纯度 | >99.0% (vol) |
| 氩产品纯度 | 99.95–99.999% (vol) |
| 单位能耗（O₂） | 每吨约200-250千瓦时 |
NIST 流体系统热物性数据库 – 低温流体数据 这些数值取决于装置设计和规模：例如，超大型空分装置（每天数千吨 O₂）通常在压力范围的高端运行，单位能耗（kWh/吨）更低，而小型空分装置则在较低压力下运行、比能耗更高。作为参考，一套日产 1000 吨氧气的空分装置，其耗电量大约为每吨氧 230 kWh。
图：低温空气分离装置的外观（林德公司，西弗吉尼亚州，美国）。
工业应用
低温空分装置（ASU）通常在钢铁厂、石化联合企业以及电厂现场运行。在这些行业中，低温空气分离工艺可提供所需的高纯度氧气和氮气。例如，在炼钢过程中，低温空气分离工艺为转炉和钢包燃烧器提供氧气，从而显著加快炼钢速度。来自 EIGA《空气分离装置工艺验证指南》（DOC 219） 的资料显示，ASU 的氮气被用于钢铁与化工工艺中的熔融金属惰化、管道吹扫及冷却。
在石油化工装置中，空分装置（ASU）产生的氧气用于合成气生成和氧化反应器等工艺，而氮气则用于反应器进料覆盖和催化剂再生。在发电领域，空分装置产生的氧气可用于富氧燃烧，从而实现更清洁的能源供应和更便捷的二氧化碳捕集，而氮气则用于涡轮叶片冷却和燃烧控制。在所有行业中，空分装置通常连续运行以满足巨大的需求，并且必须具有高度可靠性。在如此规模和纯度下，没有任何其他工艺能够在经济上与低温空分装置在多组分空气分离方面相媲美。
结论
低温空气分离工艺利用低温热力学的基本原理来生产大量的氧气、氮气和氩气。现代空气分离装置（ASU）通过集成多级压缩、精确净化、钎焊板式换热和逆流蒸馏塔等技术，将环境空气转化为钢铁制造、石油化工和发电等应用所需的工业气体。对于工程师而言，理解低温空气分离工艺——从级间冷却和筛分干燥到膨胀机制冷和塔内回流——对于优化ASU性能至关重要。
