低温空气分离工艺是利用环境空气生产高纯度氧气和氮气的重要工业方法。该工艺通过将过滤后的空气冷却至极低温度，使其成分液化，然后通过分馏进行分离。工程师和研究人员将该工艺应用于众多领域，从炼钢和化工制造到能源行业，例如氢气生产、合成燃料和液化天然气液化支持。在全球能源背景下，低温空气分离技术能够大规模供应必要的超纯气体，从而实现低碳工艺（如蓝氢和先进燃料合成）。
该工艺利用沸点差异（氧气沸点为-183°C，氮气沸点为-196°C）将空气分离成不同的组分。首先，将环境空气压缩（通常压缩至5-10巴），然后进行净化以去除水、二氧化碳和其他可能冻结的杂质。洁净的高压空气进入冷箱（多流换热器），在那里，它通过与冷的流出产品逆流以及通过涡轮膨胀机膨胀进行冷却。当空气冷却至约-180至-190°C时，部分空气液化。冷空气/液体混合物随后进入蒸馏塔：高压塔从顶部蒸馏出富氮蒸汽，从底部蒸馏出富氧/氩液体，该液体流入低压塔。在低压塔（接近1巴）中，剩余的氮气在顶部被蒸发，并以近乎纯净的气态氮气的形式排出。低压塔底部产出近乎纯净的液氧（LOX）。如有需要，可将低压塔侧流出的液体抽取至辅助氩气塔中回收氩气，该辅助氩气塔可生产高纯氩气，并将剩余的氧气返回主循环。最后，液氧被泵送或汽化至交付压力，氮气产品被加热至环境温度并压缩至客户规格。
关键组成部分和工艺步骤
低温空气分离工艺的核心步骤包括：
- 空气压缩：环境空气被吸入，并在多个阶段进行压缩（通常使用带中间冷却器的无油压缩机）。中间冷却器在各阶段之间去除热量并冷凝掉大部分水分。这使得空气压力提升至设计蒸馏压力（通常为 4–8 巴），为低温分离做好准备。
- 净化：压缩空气通过吸附床（分子筛）或冷阱，以去除残留的H₂O、CO₂和碳氢化合物。这些杂质必须减少到接近于零（干燥、无CO₂的空气），否则它们会在冷箱中冻结并堵塞设备。
- 冷却和液化：净化后的空气进入冷箱，在多流钎焊铝制换热器中与流出的产品流（液态/气态氧气、氮气和氩气）进行热交换。涡轮膨胀机可通过膨胀部分空气来产生额外的制冷量。热交换结束时，空气温度通常在-180至-190°C左右，并且部分液化。高效的逆流热集成技术利用流入的暖空气加热冷产品，从而回收大部分制冷量。
- 分馏：低温的半液态空气进入高压蒸馏塔。在该塔中（工作压力为数巴），上升的蒸汽将氮气（沸点 -196°C）从塔顶排出，而塔底的液体则富含氧气和氩气。塔底的液体被送至低压塔（压力接近 1 个大气压）。在低压塔中，上升的蒸汽除去剩余的氮气，塔底得到纯净的液氧，塔顶得到富氮蒸汽。回流冷凝器和储罐为每个塔提供液体回流，以稳定分离过程。
- 氩气回收（可选）： 如果需要氩气产品，则从低压塔中间抽取一股富氧液体侧流。该侧流（含约 7-15% 的氩气）被送至辅助氩气塔，该塔可生产纯度约为 99.9% 的氩气。来自该塔的剩余氧气被循环回主氧气产品中。如果不需要氩气，则该侧流通常会被丢弃或与氧气混合。
- 产品收集与输送： 高纯氧气（液态或气态）被抽出，并以液氧 (LOX) 或气态氧气 (O₂) 的形式输送。低温泵将液氧提升至管道压力或储罐压力；部分氧气可能被汽化以满足气态氧气的需求。氮气（纯度 >99.5%）从低压塔顶部抽出，经加热和压缩后达到管道压力或储罐压力。过量的液氮（约占氮气输出量的 10%）通常以液氮 (LN₂) 的形式储存，用于削峰。所有产品流均通过返回冷箱进行加热，从而形成完整的制冷循环。
每个步骤都经过精确控制和优化。工业制氧制氮的低温空气分离工艺依赖于在塔内维持严格的温度曲线和压力水平。例如，每个塔的回流比都经过调整以达到目标纯度：较高的回流比可获得更高纯度的氧气，而保留一些氮气在塔底则有助于将更多的氧气向上推送。对塔温的严格控制（通过塔盘上的调节器和控制阀）对于实现高回收率至关重要。
技术规格和数据
低温空气分离装置 (ASU) 的设计旨在满足特定的生产能力和产品纯度要求。大型低温 ASU 每天可生产数百至数千吨氧气（例如，1000 吨/天 ≈ 700,000 Nm³/h 的氧气），同时还会产生约 4-5 倍体积的氮气（按空气成分计算）。典型产品规格包括：
- 氧气产品：低温空气分离装置生产的氧气纯度通常为95-99.6%（液氧），特种级氧气纯度可达99.9%。氧气可以以液氧（液态）或压缩气态氧气（O₂）的形式供应。
- 氮气产品：散装氮气的纯度通常为 99.5% 至 99.99%。如有特殊应用需求，可提供超高纯度（≥99.999%）的氮气。氮气以气态形式供应；其中一部分（约 10%）通常会液化（液氮）以用于储存和应对高峰需求。
- 氩气产品（如有）：氩气纯度通常约为 99.9%。氩气流量要小得多（氩气体积约占空气的 1%）。
其他运行参数包括：
- 高压柱： 通常约为 5–8 巴。
- 低压柱：接近环境压力（1-2 巴）。
- 冷箱出口温度: ~–180 至 –190°C。
- 进气要求：空气必须过滤至亚微米级，并干燥至非常低的露点（通常露点低于–70°C）。
下表总结了代表性数值：
| 范围 | 值/范围 |
|---|---|
| 氧气纯度（产品 LOX） | 95–99.6%（液态氧，最高可达99.9%） |
| 氮气纯度（产品气体） | 99.5–99.99% |
| 氩气纯度（如有） | ~99.9% |
| 柱压（高压/低压） | 约 5–8 巴 / 约 1–2 巴 |
| 冷藏箱出口温度 | –180 to –190 °C |
| 单位功率（氧气产量） | 每吨氧气约需150-300千瓦时 |
| 单位功率（N₂产量） | 每立方米氮气消耗量约为 0.3–0.5 千瓦时 |
单位能耗取决于装置的规模和设计。例如，大型现代化空分装置每生产一吨氧气可能需要消耗约 150–200 千瓦时的电力。规模较小或较老的装置每吨氧气的能耗可能高达 300 千瓦时。就氮气而言，这大致相当于每标准立方米氮气消耗 0.3–0.4 千瓦时（因为 1 吨氧气 ≈ 700 标准立方米氧气，1 吨氮气 ≈ 1000 标准立方米氮气）。先进的热集成和多级膨胀技术可以最大限度地提高效率，但低温分离本质上仍然是高能耗过程。
这些运行条件和性能指标代表了大型空分装置的典型特征。例如，一个高产能空分装置每天可生产1,000吨氧气（≈700,000标准立方米），并相应地生产约4,000吨氮气，氧气纯度>99%。将塔器和换热器维持在设计压力下可确保稳定的生产。任何进料或负荷波动通常都可通过液态储罐进行缓冲：例如，储存数吨液氧可使装置在无需额外电力的情况下满足短期需求高峰。
以下是主要产品交付规格的简要概述：
| 产品 | 纯度（%） | 典型输送压力 | 状态 |
|---|---|---|---|
| 氧 | 95–99.6 (up to 99.9) | 约 6–20 巴（液氧泵压至 200 巴以上） | 液体/气体 |
| 氮 | 99.5–99.99 | 约4-6巴（管道） | 气体（或液氮） |
| 氩气 | ~99.9 | ~5巴（如果恢复） | 液体 |
在现代化的工厂中，该工艺流程持续运行（正常运行时间达 90%–99%），以优化效率。纯度分析仪和在线监测器确保氧气和氮气符合规格（通常为 ±0.1%）。工作台压力释放（通过阀门或汽化器系统）可根据需要将储存的液氧或液氮还原为气体。所有这些控制措施都构成低温工厂自动化系统的一部分。
能源消耗与效率
尽管低温空气分离工艺在工业氧气和氮气生产中具有较高的分离效率，但其本质上仍属于高能耗工艺。大型多级压缩机和制冷需求意味着空气分离装置（ASU）会消耗大量电力。一个有用的经验法则是，该工艺每生产一吨氧气（O₂）大约消耗 200–300 千瓦时（kWh）的电力。（由于实际的不可逆性和损耗，这比理论最小功率高出数倍。）就氮气而言，这大约是每生产一标准立方米氮气（N₂）消耗 0.3–0.5 千瓦时（kWh）（因为大约 1 吨氧气可产生约 700 标准立方米氧气，1 吨氮气可产生约 1000 标准立方米氮气）。
能耗因设计而异。大型工厂通常利用规模优势和先进的热集成技术，将能耗控制在 150 kWh/t O₂ 的较低水平。规模较小或优化程度较低的工厂，能耗可能在 250–300 kWh/t 左右。关键因素包括：
- 塔压：较低的运行压力（例如，4 bar 高压塔代替 6 bar 高压塔）可以降低制冷负荷，但需要更大的塔容积。设计人员需要在塔容积和能耗成本之间进行权衡。
- 换热器效率：高效板翅式换热器可回收更多冷量。更好的热集成（更多产品逆流）可降低能耗。
- 膨胀机用途： 增加膨胀级数（涡轮膨胀机或JT阀）可在不增加额外功输入的情况下提供额外的冷却效果。通常，膨胀机驱动氧气侧的增压压缩机以回收功。
- 泵送与气体压缩：将液氧泵送至高压（用于输送）比将冷气体压缩至相同压力消耗更少的能量。使用液体泵输送氧气（而不是大型蒸汽压缩机）可节省高达约 30 kWh/t 的能量。
由于电力成本是主要的运营支出，电厂通常持续满负荷运行。一些现代空分装置配备了热能储存装置（冷却剂罐或低温储罐）来吸收波动。在综合能源项目（例如天然气制氢）中，空分装置可能与其他装置协同工作，但传统上，空分装置的设计目标是稳定的基本负荷运行。
工业和能源领域应用
低温空气分离对许多行业至关重要。例如，工业氧气和氮气生产的低温空气分离工艺可提供关键能源工艺所需的纯氧和纯氮。主要应用包括：
- 氢气和氨的生产：低温空分装置向蒸汽甲烷重整器（用于制取蓝氢）和气化炉供应大量氧气，同时还为哈伯-博世氨厂提供高纯度氮气作为原料。这种集成提高了炉子的效率并消除了氮气稀释。来自空分装置的纯氮气（通常≥99.99%）直接用作氨合成的原料。
- 合成燃料和气化：费托柴油合成和生物质/煤气化等工艺依赖于氧气吹扫反应器。低温空分装置提供原料可控部分氧化所需的高纯度氧气。通过按需供氧，这些装置可以以更高的处理量运行，并更高效地生产低碳合成燃料或合成气。
- 液化天然气 (LNG) 液化和冷却： 液化装置通常采用氮气制冷循环（布雷顿循环或氮气膨胀机）。低温空分装置 (ASU) 可为这些循环提供大量的液氮。储存的液氮还可用作 LNG 船舶装载过程中的惰性气体保护层。部分低温氮气输出甚至可以补充主冷箱的制冷剂。在一些设施中，来自空分装置的废低温氮气直接用于预冷天然气。
- 金属和电力行业：钢铁厂的氧气燃烧器和氧气高炉使用纯氧气以实现更高的温度和更高的效率。低温氧气可增强电弧炉和垃圾焚烧发电厂的性能。空分装置产生的氮气广泛用作石油化工和发电厂的惰性吹扫气体、保护剂和冷却液。低温氮气的可用性使得反应性气流的安全处理成为可能，并降低了火灾/爆炸风险。
- 环境控制：氮气用于排放控制（例如，选择性非催化还原法用于减少NOₓ排放）和工业场所惰性化。例如，空分装置产生的氮气被注入发电厂以降低燃烧温度，或注入天然气管道以吹扫流体。在这些情况下，用于工业氧气和氮气生产的低温空气分离工艺详解支撑着需要超高气体纯度以满足环境合规要求的操作。
总而言之，全球趋势是大型能源和工业场所建设规模更大、效率更高的空分装置。例如，许多绿色或蓝色氢能项目都包含现场空分装置。拥有完善液化天然气或钢铁生产基础设施的地区高度依赖低温气体供应。先进燃料项目（例如合成电子燃料工厂）通常也配备空分装置。因此，低温空气分离仍然是能源转型的基础。
全球视角与趋势
数十年来，低温空气分离工艺一直是全球气体供应的基石，即便技术不断发展。新兴能源项目推动了市场增长：对氢能（绿色/蓝色能源）、碳利用和液化天然气产能的大规模投资都提高了对氧气和氮气的需求。领先的气体公司已在全球范围内建造了数千套空气分离装置。
在天然气资源丰富的地区（如中东、澳大利亚）或钢铁生产丰富的地区（如亚洲、欧洲、美洲），低温装置随处可见。环境法规（如碳捕获或富氧燃烧）越来越依赖纯氧，这为新的空分装置（ASU）项目提供了支持。研究人员也在不断改进空分装置的设计：例如，热集成蒸馏塔（HIDiC）和先进的冷却器旨在降低能耗。一些创新型装置还采用了储热装置（冷热罐），以便灵活地利用可再生能源运行。膜分离和吸附装置有时被用作预处理，以减轻低温装置的负荷。然而，对于极高纯度和大批量生产，低温蒸馏仍然是首选方案。
结论
低温空气分离工艺在工业制氧制氮领域发挥着至关重要的作用，是现代工业的基石。低温空气分离装置（ASU）利用低温蒸馏技术，能够可靠地提供重工业和能源系统所需的超纯氧气、氮气和氩气。尽管这些装置能耗较高，但它们能够以无与伦比的纯度和效率支持氢气生产、先进燃料合成和液化天然气（LNG）加工等关键工艺。先进的压缩机、换热器和控制系统等技术优化不断提升着ASU的性能。对于研究人员和工程师而言，深入了解低温空气分离工艺对于能源转型及相关领域的创新至关重要。
