低温空气分离是目前大规模生产氧气、氮气和氩气等工业气体的主要技术。现代空气分离装置 (ASU) 将空气冷却至低温，并利用蒸馏技术根据各组分的沸点将其分离成纯净的组分。该工艺仍然是工业规模生产高纯度气体最节能的方法。cold-facts.org.在本文中，我们将逐步探讨低温空分装置的工作原理——从空气过滤和压缩到净化、热交换和低温蒸馏——重点介绍定义当今高性能空分装置的设计特点和效率改进。我们还将探讨这些工厂如何为钢铁、化工和能源行业供应关键气体。在大规模工业气体生产中，低温空气分离仍然是实现高纯度和稳定连续输出的标杆技术。与变压吸附 (PSA) 或膜分离系统相比，低温空气分离尤其适用于需要大量连续供气的钢铁、化工和能源综合体。
低温空气分离原理
空气分离装置 (ASU) 将大气中的空气分离成其主要成分（主要是氧气和氮气，氩气是一种有价值的副产品）cryospain.com。低温空气分离的原理是利用这些气体沸点的差异。首先将空气冷却至液化，然后分阶段蒸馏以提取每种成分。在大气压下，氮气的沸点约为 -195.8 °C，氩气约为 -185.8 °C，氧气约为 -182.9 °C。这意味着氮气是主要成分中最易挥发的（在最低温度下转化为气体），而氧气是最不易挥发的。通过冷却和蒸馏液态空气，空气分离装置 (ASU) 可以高纯度地分离出氮气、氧气和氩气。表1总结了空气主要成分的关键特性，这些特性使得这种分离成为可能。这种在受控压力下的气液行为构成了现代低温空气分离系统的热力学基础。由于其强大的相选择性，低温空气分离能够持续获得纯度高于99.9%的氧气和氮气。
表1：空气的主要成分及其沸点
| 成分 | 象征 | 干空气体积百分比* | 沸点（1 个大气压下的摄氏度） |
|---|---|---|---|
| 氮 | N₂ | ~78.1 | –195.8 °C |
| 氧 | O₂ | ~20.9 | –182.9 °C |
| 氩气 | Ar | ~0.9 | –185.8 °C |
*干燥空气的近似体积百分比ispatguru.com。（余量为氖、氦、氪等痕量气体。）
利用这些沸点差异，在严格控制的低温和压力下，低温空气分离装置 (ASU) 可以将空气干净地分离成氮气（以蒸汽形式聚集在蒸馏塔顶部）和氧气（以液体形式聚集在底部），同时还能从工艺的中间阶段提取氩气。ispatguru.comispatguru.com。整个操作都在高度隔热的冷箱内进行，以维持低温条件。
低温空分装置工艺的关键阶段
现代空气分离装置由多个集成组件组成，这些组件按顺序工作以生产纯净气体cryospain.com。主要步骤包括空气过滤和压缩、净化、热交换（冷却）、低温蒸馏以及产品储存或输送。每个步骤都经过优化，以最大限度地提高效率和产品纯度：
- 低温空气分离中的空气过滤和压缩：首先将环境空气吸入过滤器以去除灰尘和污染物，从而保护下游设备cold-facts.org。然后，洁净的空气进入主空气压缩机，它通常是一个无油的多级离心式压缩机cold-facts.org。压缩机将空气压力提升至约 5–10 巴（表压）cryospain.com，中间冷却器在每个阶段去除压缩产生的热量。压缩空气有两个好处：一是能够提高进入蒸馏系统的空气流量；二是提高空气的饱和温度，从而使后续的冷却和液化过程更加高效。压缩机是空分装置 (ASU) 中最大的能耗设备，因此现代设计采用高效的空气动力学级和严格的油过滤（以防止任何油进入冷箱并造成危险）cold-facts.orgcold-facts.org.操作人员通过控制压缩机的输出，来调节输送至低温柱的气流和压力。
- 空气净化：压缩后，空气必须经过净化，以去除水蒸气、二氧化碳和碳氢化合物等成分。如果不去除，这些杂质会在低温下冻结成固体，堵塞设备。cryospain.com大多数高效空气分离装置 (ASU) 都使用带有双活性氧化铝和分子筛吸附器的前端净化单元。压缩空气通过一个吸附器容器，该容器几乎可以捕获所有水分和二氧化碳，而另一个容器则使用来自 ASU 的干燥废氮气流进行再生。这两个容器定期（每隔几个小时）切换，以实现持续清洁。该温度变化吸附 (TSA) 系统可产生超洁净的 CDA（洁净干燥空气），压力为cold-facts.org。 （早期的空气分离装置设计有时会使用反向热交换器来冷冻去除水分/二氧化碳，但这种方法噪音大且效率低cold-facts.org，因此现代工厂更倾向于使用分子筛净化器，以提高能源效率和可靠性。）
- 低温空气分离的冷却和热交换：干燥的加压空气随后进入冷箱冷却至低温。热交换器通过将热量传递给输出的产品和废液，使空气温度降至约-150°C或更低。cold-facts.orgcold-facts.org。钎焊铝板翅式换热器因其允许多股气流逆流换热且温差极小而被广泛应用。在典型的空分装置 (ASU) 中，进入的空气分阶段冷却：首先，通过“热”热交换器与返回的温热氮气/氧气进行预冷；然后，通过“冷”热交换器与冷的产物流进一步冷却。cold-facts.org。到达交换器的冷端时，大部分空气接近液化温度（约 -170 °C 至 -175 °C，具体温度取决于压力）。为了达到超低温并产生足够的液化气，现代空分装置（ASU）采用膨胀涡轮（涡轮膨胀机）作为改进型克劳德循环的一部分。一部分空气（有时是氮气）通过涡轮从中间压力膨胀到低压，从而产生额外的制冷量。这种冷膨胀气体被送入冷箱，促进进入空气的液化。膨胀机还能将气体中的部分能量转化为有用功（通常用于驱动增压压缩机或发电机），从而回收原本会以压降形式浪费掉的能量。最终形成一个高能效的冷却循环，为蒸馏提供必要的低温。高效的热集成至关重要：当废气离开冷箱并升温至环境温度时，它们会预冷进入的空气，从而大幅降低整体制冷负荷。ispatguru.com。这种热回收方式最大限度地降低了能耗，是高效空分装置设计的标志。
- 低温空气分离的蒸馏核心：空气液化（或部分液化）并冷却至接近其沸点后，进入蒸馏塔系统。大多数大型空气分离装置采用卡尔·冯·林德发明的经典双塔结构。assets.linde.comassets.linde.com – 本质上是两个在不同压力下运行并通过热交换器热连接的蒸馏塔。第一根塔（称为高压塔，HP，有时也称为“中压塔”）的工作压力约为 5–6 巴。进料空气（一种低温汽液混合物）从该塔底部附近进入。当空气上升通过连续的塔板或规整填料时，其氮气（沸点最低的组分）的含量逐渐增加。在高压柱的顶部，可以获得几乎纯的氮气cold-facts.org。同时，氧气（以及少量氩气和氮气）聚集在底部的液体中（通常称为“富液”，其中氧气含量约为35-40%）。cold-facts.orgassets.linde.com.来自高压塔底部的富氧液体经膨胀后进入第二根塔，即低压塔（工作压力约为 1.2–1.5 bar）。在低压塔中，进一步的蒸馏在较低压力下进行，从而提高氧气纯度。低压塔的塔顶为高压塔提供蒸汽回流：高压塔的氮气产品在冷凝器中液化，并以冷液体回流的形式送回低压塔的塔顶。assets.linde.com.该集成式换热器同时充当高压塔的冷凝器和低压塔的再沸器，从而将两塔在热力上连接起来。因此，高压塔中氮气冷凝释放的潜热被用于低压塔中氧气的沸腾。低压塔随后产生两个主要输出：高纯氮气从塔顶排出，高纯液氧从塔底排出。assets.linde.com。液氧可以以液体的形式泵送并汽化成气态产品，也可以以散装液体的形式储存。经过这套双塔蒸馏工艺，氧气纯度可达99%。
- 产品收集和交付：蒸馏塔的输出物随后被加热至环境温度（如果以气体形式抽取）或送至储罐（如果以低温液体形式抽取）。高纯氧气可以以低压（接近 1 个大气压）气体形式抽取，然后由产品压缩机压缩至最终用户所需的任何交付压力。ispatguru.com.在许多现代化工厂中，氧气并非以气态形式提取，而是以液氧（LOX）的形式抽取，先以液态形式泵送至高压（这种方法比压缩气体节能得多），然后通过热交换器汽化，生成高压气态氧气（O₂），用于管道输送或工业用途。氮气可以以气态（通常为常温）形式输送，用于惰性气体保护和吹扫应用；也可以以液态（LIN）形式输送，用于低温应用。氩气通常以液态（LAR）形式储存在隔热容器中运输。在整个过程中，汽化产品液体或加热气流所产生的冷却能量通常会在热交换器内回收利用，以提高整体效率。最终产品纯度极高——氧气通常为99.5%或更高，氮气为99.9%或更高，氩气为99.99%或更高——符合严格的行业标准。
蒸馏塔设计及效率提升
低温空分装置的核心是蒸馏系统，因此其设计对效率影响巨大。每个蒸馏塔都包含塔盘或规整填料，以促进上升的蒸汽和下降的液体之间的接触，从而实现有效的传质。传统的蒸馏塔使用筛板或阀板；每个塔盘形成一个液相和气相平衡的阶段，逐步提高纯度。合理的塔盘设计确保当富含氧气的冷液相混合物向下流动，富含氮气的蒸汽气泡向上流动时，氧气不断冷凝到液体中，氮气不断汽化到蒸汽中，从而增强分离效果。塔盘的一个缺点是每级都会引入压降ispatguru.com——较高的压降会迫使空气压缩机更加努力地工作。现代高效空分装置在某些应用中使用规整填料代替塔盘。填料提供了非常大的接触面积，每级压降却低得多，从而可以建造更高的塔（更多的分离级）并提高能源效率。例如，氩气塔通常使用填料段，因为氧气-氩气分离需要很多理论级，而填料的低压降有利于提高分离效率。通过降低塔内阻力，填料技术可直接减少压缩所需的功率，从而在大型空分装置中显著节省能源。较低的内部压降可直接提高低温空气分离装置的整体比功率。因此，规整填料已成为高效低温空气分离装置（尤其是氩气装置）的标准配置。
另一项创新是采用了先进的热集成技术。经典的林德双塔设计本身就是一种巧妙的热集成：高压塔的冷凝器同时也是低压塔的再沸器，确保不会浪费任何冷量。现代空分装置通过精心优化板翅式换热器的温差（尽可能缩小冷热端温差），进一步提高了热集成效率。cold-facts.org。更小的温差意味着更少的火用损失和更高的效率。然而，这其中存在权衡——温差过小会导致换热器体积更大、成本更高。设计人员会寻求最佳平衡点，并且通常会借助涡轮膨胀机（如前所述）来帮助主换热器两端实现接近的温差。此外，在一些新型空分装置中使用降膜再沸器也提高了效率。在这种设计中，液氧以薄膜形式流过再沸器管，而不是在液池中沸腾，这增强了传热和稳定性cold-facts.org。由于在相同工况下驱动温差可以更小，因此可以实现更可靠的运行和更高的能源效率。
能效是空分装置 (ASU) 性能的关键指标。大型工业空分装置通常每生产一立方米氧气消耗 0.3 至 0.6 千瓦时 (kWh) 的电能（根据装置规模和纯度要求，这相当于每吨氧气消耗约 200 至 600 千瓦时）。为了最大限度地降低能耗，如今的空分装置都高度自动化。大型装置受益于规模效应，使得低温空气分离能够实现极低的千瓦时/标准立方米 (kWh/Nm³) 能效，并针对稳定、长期运行进行了优化。保持最佳的高压/低压比是低温空气分离效率的关键。它们通常在两次维护检修之间连续运行 2 至 4 年，以确保设备保持低温和高效运行。先进的控制系统会调节阀门、循环流和塔压，以使工厂保持在最佳运行点（例如，保持高压塔和低压塔之间的最佳压力比，以匹配冷凝器/再沸器的热平衡cold-facts.org）。尽可能在接近大气压的条件下运行低压塔有利于提高效率，因为它可以减少所需的压缩功。ispatguru.com。总而言之，数十年来不断改进——从更高效的压缩机和膨胀机到改进的塔内部件和换热器——使得现代低温空气分离装置的效率远高于早期设计。如今，新型空气分离装置每千瓦电力产生的氧气量甚至超过了几十年前的同类装置，同时还保持了高可靠性和安全性。
低温空分装置的工业应用
低温空气分离技术使得当今工业中氧气和氮气的大规模应用成为可能。钢铁、化工和能源等行业依赖空分装置（ASU）来稳定供应气体，以下是这些行业的主要应用领域：
- 钢铁行业：钢铁厂是氧气的主要消耗者。现场的低温空气分离装置为炼钢过程中的转炉（BOF）提供氧气，在转炉中，用高纯度氧气吹扫熔融铁水，以去除碳和杂质，从而实现炼钢。来自空气分离装置的氧气还用于电弧炉和高炉富氧，以提高燃烧温度。来自空气分离装置的氮气和氩气也用于钢铁生产——例如，在二次冶金过程中，将氩气注入熔融钢中（氩气搅拌），以使成分均匀化并去除杂质。氮气用于惰性化炉体或吹扫管线。通过低温分离获得低成本氧气，对现代高生产率炼钢工艺的发展起到了至关重要的作用。
- 化学和石油化工行业：许多化学工艺都依赖于大量的氮气和氧气。低温空分装置（ASU）提供氮气，用于惰性气体保护反应性化学品、设备吹扫以及创造无氧环境以确保安全。氮气在氨生产中不可或缺（作为哈伯法制氨的氮气来源），并用于吹扫和压力测试管道和容器。空分装置提供的氧气用于环氧乙烷生产、环氧丙烷生产、通过烃类部分氧化生成合成气以及硫回收装置等工艺。在炼油厂和石油化工厂，氧气可以增强克劳斯反应器或气化炉中的燃烧，从而提高效率。氩气虽然用量较小，但对特种化学品和电子行业至关重要（例如，为硅晶体生长和半导体制造提供惰性气氛）。化学工业非常重视空分装置衍生气体的高纯度——例如，空分装置产生的无水和无二氧化碳的氮气对于覆盖对水分敏感的试剂和产品至关重要。
- 能源领域：能源行业越来越多地使用低温空气分离技术来处理需要氧气的工艺。整体煤气化联合循环（IGCC）电厂和煤气化设施使用大型空气分离装置（ASU）来供应氧气，将煤或重质残渣气化为合成气，合成气随后可以进行净化并在燃气轮机中燃烧，或用于生产燃料。富氧燃烧是一种旨在实现碳捕获的发电技术，它需要近乎纯氧（而非空气）来燃烧燃料，而空气分离装置正是用于提供氧气。富氧燃烧产生的烟气富含二氧化碳，更容易被捕获并进行碳封存。此外，新兴技术，例如氧气吹扫生物质气化炉或垃圾焚烧发电厂，也依赖于空气分离装置提供的氧气。在氮气方面，燃气轮机有时会使用来自空气分离装置的氮气来控制氮氧化物排放，或者在燃烧纯氧气流时用作稀释剂。此外，空分装置还能生产液氧（用作航空航天领域的火箭氧化剂）和液氮（用于储能（液态空气储能循环）和电网冷却）。总之，从提高电厂效率到推动低碳技术的发展，空分装置在能源领域发挥着日益重要的作用。
结论
从空气被吸入大气到超低温液氧注入储罐，低温空气分离堪称工程学和热力学的奇迹。现代空气分离装置 (ASU) 完美体现了巧妙的工艺设计与先进工程技术的协同作用——过滤器、压缩机、净化器、换热器、蒸馏塔和膨胀涡轮机等设备协同运作，高效地将空气提纯为各种纯净成分。双塔蒸馏工艺诞生于一个多世纪前，并随着更优良的材料、填料塔和热集成等技术的不断改进而持续发展，效率也逐渐接近理论极限。如今，高效的空气分离装置每天可生产数千吨纯度超过 99.9% 的氧气和氮气，满足钢铁厂、化工厂、能源项目等众多行业的需求。随着各行业朝着更清洁、更高效的运营方向发展，低温空气分离仍然是一项基础性技术——它可靠地为现代制造业和能源生产提供生命之源，每次都以低温蒸馏的方式提供一滴一滴的氧气。随着控制系统和涡轮机械技术的不断进步，低温空气分离技术的效率和可靠性将持续提升。对于任何需要高纯度氧气或氮气的行业而言，低温空气分离仍然是最佳解决方案。
参考文献： 高效空分装置的设计和运行以行业标准和出版物为依据，包括欧洲工业气体协会 (EIGA) 的指南、领先工业气体公司（液化空气集团、林德工程）的技术文档，以及数十年来在大型空分装置中的运行经验。assets.linde.comispatguru.com。以上描述与这些参考资料中概述的既定原则相符，并反映了低温空气分离技术的最新进展。
