低温空气分离低温空气分离工艺采用级联制冷和蒸馏技术，以工业规模生产高纯度的氧气、氮气和氩气。低温空气分离是一种工业方法，通过将过滤后的空气冷却至极低温度来大量生产氧气、氮气和氩气。在该过程中，首先将环境空气压缩（通常压缩至约0.5–1.0 MPa或5–10 bar）并进行净化，然后冷却至低温（约–180 °C），使其部分液化。生成的液体和蒸汽被送入蒸馏塔，氮气（沸点 -196°C）与氧气（沸点 -183°C）和氩气（沸点 -186°C）分离。现代空分装置每天可生产数千吨气体：例如，大型装置每小时可处理 10³–10⁵ Nm³ 的空气，氧气纯度可达约 99.5%，氮气纯度可达 99.999%。产生如此低温需要消耗大量能源：典型的单位能耗约为每吨氧气 200–250 kWh。本文余下部分将回顾低温空气分离工艺的关键步骤和配置，包括单塔和双塔设计以及高压内压缩系统。本概述阐明了低温空气分离工艺的范围、操作范围和术语。
低温空分装置 (ASU) 包含几个基本模块：空气压缩和净化、预冷/制冷、低温蒸馏和产品压缩。典型的低温空分装置工艺流程如下：
- 压缩和预冷：环境空气被吸入过滤器和多级压缩机（带中间冷却器）以提升压力，通常达到 0.5–1.0 MPa（5–10 bar 表压）。级间冷却带走大部分压缩热量，水蒸气在空气冷却过程中冷凝并排出。
- 净化：压缩空气通过分子筛床，去除残留的水分、二氧化碳和碳氢化合物。即使是微量的二氧化碳或水蒸气也会在低温下冻结并堵塞冷箱，因此这一步骤对整个工艺至关重要。
- 低温制冷/液化：净化后的空气首先通过板翅式换热器或间接制冷冷却至环境温度，通常利用工艺流程中的废冷。最终冷却是通过膨胀（使用涡轮膨胀机或焦耳-汤姆逊阀）实现的，膨胀使一部分空气液化。这种制冷方式可将空气温度降至约 -170 至 -185 °C。
- 蒸馏： 冷的两相（液相+气相）空气进入一个或多个蒸馏塔。在塔内，氮气（挥发性较强的组分）从塔顶沸腾逸出，而氧气（和氩气）则以液态形式聚集在塔底。通过热集成（利用冷氮气使塔底物料重新沸腾）和回流，蒸馏塔将物料分离成富氧馏分和富氮馏分。例如，在双塔空气分离装置中，高压 (HP) 塔顶产生近乎纯的氮气和富氧液体塔底，该富氧液体塔底物料进入低压 (LP) 塔，低压塔底部产生纯度 >99% 的氧气，塔顶产生额外的氮气。空气中约 1% 的氩气聚集在低压塔的中部（“氩气腹”），如果需要高纯氩气，可以将其抽取到单独的氩气提纯塔中。
- 产品压缩与升温： 最后，分离出的气态产品在进气的作用下升温至接近环境温度，并可直接输送至用户或储存。通常，产品气体压缩机（或汽化器分配系统）将气体压缩至管道压力。但在高压设计中（见下文），产品气体直接从空分装置以高压输送。
单柱空分装置
在单塔低温空气分离工艺中，所有蒸馏过程均在一根主塔内进行（有时会配备一个或多个内部或侧线再沸器）。经净化冷却的空气被送入塔内并进行部分冷凝。富氧液体聚集在塔底，并被汽化（通常在主换热器中进行再加热）得到氧气产品，而富氮蒸汽则从塔顶排出。这种配置最早由卡尔·冯·林德于1902年使用assets.linde.com，至今仍用于中等产能或灵活的工厂。单塔空分装置可以生产一种高纯度产品（通常为氧气）和一种低纯度副产品（含有几个百分点氧气的氮气）。单塔装置生产的氧气纯度通常可达约 90-95%。由于单塔无法充分利用多级热集成技术，氧气回收率（产率）有限——通常只有约 60-70% 的进料氧气被回收为产品。单塔工艺的主要优势在于机械结构简单、投资成本较低（塔数和换热器数量较少）。这些装置还具有启动速度相对较快和调节灵活性强的优点。然而，在实际应用中，几乎所有大型空分装置都采用双塔配置以提高效率（见下文）。在低温空气分离工艺中，如果更注重工艺的简便性而非最高效率，单塔布局仍然适用。
双柱式空气供应单元
标准的大型低温空气分离工艺采用双塔（双塔）结构，由高压（HP）塔和低压（LP）塔组成，两塔通过共用的热交换器（冷凝器/再沸器）连接。在该结构中，压缩空气（约0.5–1.0 MPa）在进入塔前先进行预冷和部分液化。富氧液体流向高压塔底部，而富氮蒸汽则流向塔顶。高压塔在较高压力（通常为3–10 bar）下运行，因此其顶部产生纯氮气，该氮气经部分再冷凝后，通过共用的热交换器作为回流气体返回。高压塔底部产生富氧液体，该液体被送入低压塔（低压塔的工作压力约为0.1–0.2 MPa，例如1.5 bar绝对压力）。低压塔随后分离该气流，在其底部产生近乎纯氧（气态氧通常为 99-99.5%），在其顶部产生额外的高纯度氮气。两个塔之间的所有冷却和回流均在集成的冷凝器/再沸器换热器中进行。由于低压塔的再沸器同时也是高压塔的冷凝器，因此高压段和低压段的运行温度略有不同（仅相差约1-2 K）。这种两级设计显著提高了效率：典型的氧气回收率可超过90-95%，产品纯度也非常高（例如，O₂ >99.3%；N₂ 通常 >99.9%）。双塔空分装置还可以根据需要从低压塔抽取氩气，并将其输送到额外的精馏塔。现代装置采用规整填料或先进的塔盘来最大限度地降低压降，并在冷箱内实现严格的温差控制。冷凝器/再沸器的紧密耦合解释了双塔设计中低温空气分离工艺的卓越效率。
高压（内压缩）系统
一些低温空分装置采用内部机械压缩技术来提高产品压力。在这些高压空分装置中，位于冷箱内的泵装置会在液流（通常为氧气或氮气）汽化之前提升其压力。例如，低温泵可以将冷箱内的液氧加压至 5–30 巴（极端情况下甚至可达约 100 巴）。assets.linde.comassets.linde.com。高压液体随后在温热的进料中蒸发，以管道压力输送气态氧气，整个过程无需使用外部排气压缩机。实际上，这意味着空分装置的空气压缩机必须以更高的压力（通常为 10-20 巴）输送进料空气，但省去了单独的氧气压缩机。类似地，液氮泵送可以输送高压氮气。内部压缩的优点包括配置更简单（外部压缩机更少）、维护量更少以及安全性更高（由于泵送的是液氧，因此压缩机中发生爆炸性混合物的可能性更小assets.linde.com）。高压内压缩式空分装置常见于需要高压氧气进行化学工艺或液化天然气应用的大型综合工厂。在低温空气分离过程中，冷箱泵送通常是实现高输送压力的最经济途径。
典型工作参数
低温空气分离工艺的典型操作范围（SI 单位）。
| 范围 | 典型范围/值 |
|---|---|
| 空气供给压力 | 约 300–900 千帕（约 3–9 巴） |
| 空气流量（输入） | 约 1,000–100,000 Nm³/h（取决于工厂产能） |
| 氧气产品纯度（气态） | 单柱色谱纯度约为 95%，双柱色谱纯度可达 99.3%–99.5%。 |
| 氮气产品纯度（气态） | ≈99% 至 99.999%（取决于具体规格） |
| 氩气产品纯度（液态） | ≈95%（从侧抽中回收时） |
| 单位能耗（O₂） | 每吨氧气约需 200–250 千瓦时（电力） |
| 典型柱压 | 高压塔压力约为 0.5–1.0 MPa（5–10 bar）；低压塔压力约为 0.1–0.2 MPa（1–2 bar） |
这些数值仅供参考：实际数值取决于工厂设计、生产率和纯度要求。
工业应用
在钢铁、石油化工、液化天然气和电子等行业，低温空气分离工艺能够提供大量、稳定、高纯度的气体。低温空分装置在许多需要大量高纯度气体的行业中至关重要：
- 炼钢：现代炼钢炉和转炉依靠纯氧进行燃烧和精炼。例如，碱性氧气转炉每生产一吨钢大约消耗2吨氧气。大型综合钢厂配备现场空分装置（ASU），向高炉和碱性氧气转炉供应高压氧气，从而提高效率并减少燃料消耗。空分装置产生的高纯氮气还用于冶金过程中的保护和冷却。
- 石油化工及化工行业：低温空分装置为化学合成提供氧气和氮气。空分装置产生的氧气用于部分氧化、蒸汽重整（用于生产氨/甲醇的合成气）和氧化炉等工艺。氮气可用作反应器中的惰性气体或吹扫气体，也可用于乙烯装置中氯的汽提。石油化工设施对气体的大规模、连续需求使得现场低温空分装置成为超纯气体的首选来源。
- 液化天然气和天然气加工：空分装置与天然气液化或再气化系统集成。例如，一些液化天然气工厂利用空分装置产生的氮气作为混合制冷剂循环或加热介质，从而充分利用其冷能。高压空分装置也用于液化气运输船和调峰终端，以处理蒸发气。在液化天然气再气化过程中，空分装置可为汽轮机和管道提供气化氮气，其产生的冷流可预冷蒸发气。
- 液化天然气和天然气加工：空分装置与天然气液化或再气化系统集成。例如，一些液化天然气工厂利用空分装置产生的氮气作为混合制冷剂循环或加热介质，从而充分利用其冷能。高压空分装置也用于液化气运输船和调峰终端，以处理蒸发气。在液化天然气再气化过程中，空分装置可为汽轮机和管道提供气化氮气，其产生的冷流可预冷蒸发气。
其他应用包括医用氧气供应（用于急救和长期护理）、玻璃制造（氧气燃料玻璃熔炉）以及环境工程（例如气化工艺）。在所有这些应用中，低温空气分离工艺都能稳定供应非常洁净的高压工业气体，而其他方法在经济上无法与之媲美。
概括
低温空气分离仍然是大规模气体生产的主力军。其基本步骤——多级压缩和提纯，随后进行低温冷却和分馏——能够生产出极高纯度的产品。单塔空分装置（ASU）结构更简单，投资成本更低（通常适用于中等纯度），而双塔空分装置则通过在两个压力等级下运行，实现最高的纯度和效率。高压内压缩设计无需外部压缩机即可灵活地以管道压力输送氧气/氮气。目前典型的空分装置运行的空气进料压力约为几巴，流量从数千到数万立方米/小时不等，氧气能耗约为200-250千瓦时/吨。工程师们不断致力于改进（更好的热集成、先进的内部结构、混合循环），以进一步降低能耗。了解这些配置和范围对于设计和优化用于钢铁、石油化工、液化天然气、电子和其他高要求应用领域的低温空分装置至关重要。掌握这些相互作用是优化任何低温空气分离过程的核心。
