介绍
深冷空分装置（ASU）是一种工业系统，用于从空气中生产高纯度氧气和氮气。这些装置采用超低温（深冷）蒸馏技术，利用氮气和氧气等气体不同的沸点，将空气分离成其主要成分。用于生产氧气和氮气的深冷空分装置是许多需要大量高纯度气体的行业的核心技术。它仍然是工业规模生产氧气和氮气最有效的方法，在可达到的纯度和产量方面远远优于非深冷技术。
在典型的低温空气分离装置（ASU）中，大气空气首先被压缩、净化，然后冷却至极低的温度直至液化。液化空气随后在专门的精馏塔中进行蒸馏，以分离氧气和氮气。整个过程涉及复杂的换热和制冷循环，这些循环都集成在一个隔热的冷箱中。本文将探讨低温空气分离的原理，详细介绍核心系统组件和工艺流程，以表格形式列出关键技术参数，并讨论低温空气分离装置的应用和运行注意事项。
低温空气分离原理
低温空气分离的原理基于低温分馏。空气主要由氮气（78%）和氧气（21%）组成，其余部分是氩气和其他微量气体。这些组分具有不同的沸点：在1个大气压下，氮气的沸点约为-196°C，氧气约为-183°C，氩气约为-186°C。通过将空气冷却到接近这些温度，可以将其液化，然后通过蒸馏进行分离，因为每种组分会在蒸馏塔的不同位置冷凝或汽化。因此，低温空气分离装置利用液态氮和液态氧固有的挥发性差异，生产高纯度的氮气和氧气。
为了达到如此低的温度，低温空气分离装置（ASU）采用基于焦耳-汤姆逊效应的制冷循环和涡轮膨胀机。首先，空气被压缩，产生热量；这些热量通过冷却器去除。然后，高压空气在膨胀涡轮或节流孔中膨胀，导致温度下降（因为空气在膨胀过程中做功）。通过反复的热交换和膨胀阶段，空气被冷却到其液化点以下。设备的设计使得冷气流不断地在逆流换热器中预冷进入的气体，从而最大限度地减少能量浪费。所有低温部件都安装在真空绝缘的冷箱中，以防止环境热量进入。冷却过程结束时，空气部分液化，并被送入精馏塔。在塔内，发生连续精馏（精馏）：氮气（挥发性更强的组分）以蒸汽形式上升到塔顶，而氧气（挥发性较弱的组分）则以液体形式聚集在塔底。最终，在低压塔底部生产出高纯度氧气（通常纯度超过99%），在高压塔顶部生产出高纯度氮气（通常纯度为99.999%或氧含量低于5 ppm）。这种低温精馏方法虽然耗能，但仍然是获得许多应用所需纯度的唯一实用方法。
核心系统组件和流程图
低温空气分离装置由多个集成子系统组成，每个子系统在整个工艺流程中执行特定功能。整个过程可以分解为一系列关键阶段，从空气进气到产品储存。以下步骤概述了典型低温空气分离装置的核心组件和运行过程：
- 空气进气和压缩：环境空气通过进气过滤器吸入，以去除灰尘和杂质。过滤后的空气由主空气压缩机进行压缩，该压缩机通常是多级离心式或旋转式压缩机，由电动机驱动。压缩级之间的中间冷却器会去除压缩产生的热量并冷凝掉部分水分。到最后一级，空气被压缩到约 5-10 巴（72-150 psi）的压力，并冷却到接近环境温度。这种加压为后续的分离过程提供了驱动力，同时也启动了制冷循环进行冷却。
- 预净化（分子筛吸附）：压缩后的工艺空气首先通过预净化装置 (PPU)，去除在低温下会冻结或造成危险的杂质。PPU 通常由冷却器和一对分子筛吸附罐组成。首先，空气在直接接触式冷却器或冷水机中冷却至约 5 °C (40–55 °F)，去除大部分剩余水蒸气。接下来，冷却后的空气流经其中一个装有干燥剂的吸附床，吸附床会吸附残留的水分、二氧化碳和碳氢化合物。去除二氧化碳和水对于防止冷箱中形成干冰或冰堵塞至关重要。去除碳氢化合物对于安全也很重要，因为否则精馏塔中富集的氧气可能会造成爆炸风险。吸附床交替运行：一个吸附床在线净化空气时，另一个吸附床正在进行再生。再生过程是通过加热并用温暖干燥的废气（主要来自工艺过程的富氮废气）吹扫饱和的吸附床来实现的。吸附床每隔几个小时切换一次，确保清洁干燥的空气持续流入冷箱。
- 低温冷却和热交换：净化后的加压空气随后被输送到冷箱，冷箱内包含主要的热交换器和低温设备。在主热交换器（通常是钎焊铝板翅式换热器）中，高压空气与从低温精馏过程返回的产物和废气流进行逆流换热，从而被冷却。随着高压空气释放热量，其温度逐渐接近低温。为了实现液化，一部分空气被膨胀以产生制冷：通常使用涡轮膨胀机（膨胀式涡轮机）使部分空气从高压膨胀到接近大气压。这种膨胀会做功（通常用于驱动增压压缩机或发电机），并导致气体温度显著下降。膨胀后的废气温度极低（远低于-150°C），并被送回热交换器，为进入的空气流提供额外的冷却。通过这种分级热交换和膨胀冷却，工艺空气的温度被降至约-170°C至-180°C，其中一部分冷凝成液体。当气流离开热交换器时，它已成为富含液氧的空气和富含氮气的冷蒸汽的混合物，准备在精馏塔中进行分离。该部分的所有组件都经过绝缘处理以减少热损失，并且冷箱通常填充珍珠岩或用真空隔热板包裹，以有效地维持低温。
- 精馏塔中的蒸馏：空分装置的核心是低温精馏单元，氧气和氮气（以及氩气）的分离就在这里进行。来自换热器的冷却两相空气混合物被送入双塔精馏系统（有时也称为双柱系统）。该系统通常由一个在进气压力下运行的高压（HP）塔（约5-6巴）和一个在约1.2巴（略高于大气压）下运行的低压（LP）塔组成。这两个塔串联排列，并通过热连接：高压塔顶部的冷凝器与低压塔底部的再沸器集成在一个共同的换热器中。在高压塔中，进入的空气开始分离：氮气（沸点较低）成为塔顶产品，并在低温下冷凝成液体，而富氧液体则聚集在塔底。这种富氧液体（有时称为“富液”）随后被输送到低压塔进行进一步精制。在低压塔中，由于压力较低，分离可以达到高纯度。氧气挥发性较低，在低压塔底部浓缩成液体产品（通常纯度为99%以上），而氮气则上升到顶部并以高纯度气态氮的形式排出。塔间集成的再沸器-冷凝器实现了潜热交换：高压塔的氮气蒸汽冷凝成液体（为高压塔提供回流），同时加热低压塔中的富氧液体，使氧气在低压塔中上升进行精馏。这种巧妙的热集成消除了对外部再沸器或冷凝器的需求，并通过将两个塔紧密耦合来提高能源效率。许多空分装置还包括一个氩气侧流塔来回收氩气，因为氩气会在低压塔的中间位置积聚（该位置的氩气浓度最高，介于富氧底部和富氮顶部之间）。从该位置抽取一部分物流送入粗氩塔，通过额外的精馏阶段，可以获得高纯度氩气（通常纯度为99.9%或更高）作为单独的产品。精馏塔和相关的管道都安装在冷箱内。在精馏塔内部，现代设计通常采用规整填料或筛板，以促进上升蒸汽与下降液体之间的接触，从而实现高效的传质和分离。这种精馏过程的结果是将空气混合物分离成接近纯净的组分流：氧气、氮气，以及（如果配置得当）氩气。
- 产品提取和升温：在精馏塔中完成分离后，即可提取所需的产品流。气态氮从高压塔顶部（或在某些设计中，经过进一步纯化后从低压塔顶部）抽出，气态氧则从低压塔底部抽出（通常在经过塔内的蒸发器部分后）。这些低温产品气体通过主换热器从冷箱中排出，在升温的同时用于冷却进入的空气。当产品气体离开冷箱时，它们的温度已回升至接近环境温度（将制冷能量回收至系统中）。这种热交换还确保输送到下游工艺或管道的氧气和氮气处于可用温度。在某些空分装置中，会提取液态产品：例如，液氧 (LOX) 可以从低压塔底部取出，液氮 (LIN) 可以从高压塔顶部（或从冷箱内的液氮储罐）取出。如果生产液态氩，也会将其收集起来。这些液体可以直接输送到绝缘储罐中。在设计用于生产气态产品的装置中，氧气可以以液态形式泵送并通过换热器汽化，以提供高压气态氧，或者可以使用压缩机在产品气体升温后对其进行加压。
- 储存和产品处理：对于液态产品，使用低温储罐在分销前储存和管理氧气和氮气。这些储罐是真空绝缘的双层容器（通常是碳钢外壳内的不锈钢内胆），可最大限度地减少热传递，并使液体保持在其沸点，同时最大限度地减少蒸发损失。液氧通常储存在约 -183°C 的温度下，液氮储存在约 -196°C 的温度下，压力约为 10 至 20 巴（具体取决于储存设计和输送压力要求）。储存系统包括用于排放多余蒸发气体的安全阀，并可能配备增压盘管（汽化器）以维持输送压力。低温液体可以从储罐中泵出，并通过环境温度或蒸汽加热的汽化器进行汽化，以所需的压力向最终用户供应气态氧气或氮气。对于位于空分装置附近的工业设施，产品气体可以直接通过管道输送（无需长期储存）。对于商品液体的生产，液氧和液氮被装载到绝缘公路槽车或铁路罐车中进行运输。在整个过程中，都配备了精密的监控系统来安全地处理低温流体。空分装置配备了仪表，用于监测储罐和冷箱中的液位、压力和温度，确保安全可靠运行。
系统参数或组件技术规格表
下表总结了低温空气分离装置的关键组件及其功能，以及典型的运行特性：
| 成分 | 描述和功能 |
|---|---|
| 主空气压缩机 | 多级压缩机（带中间冷却器）将大气空气压缩至约 5-10 巴。它减小了空气体积，并提供下游冷却和蒸馏所需的压力。中间冷却器可去除压缩产生的热量并冷凝出水分。 |
| 分子筛预净化器 | 双床吸附系统（通常使用活性氧化铝和沸石）用于去除压缩空气中的水、二氧化碳和碳氢化合物。它可以防止低温设备中形成冰和干冰，并避免产生易燃环境。两个吸附床交替进行吸附和再生，再生过程使用加热后的废氮气。 |
| 板翅式换热器 | 这是一种钎焊铝制换热器，利用返回的低温产品和废气流对高压空气进行预冷。它实现了接近逆流换热，将空气冷却至约-170°C，然后再送入精馏塔。高效的热集成最大限度地提高了冷箱内的能量回收效率。 |
| 膨胀式涡轮机（膨胀机） | 低温涡轮膨胀机用于膨胀一部分加压空气（或氮气）以产生制冷效果。膨胀过程通过焦耳-汤姆逊效应使气体冷却，从而产生液化空气所需的低温。通常，膨胀机产生的功会被回收利用，用于驱动增压压缩机或发电机，从而提高整体效率。 |
| 蒸馏塔（高压和低压） | 两级精馏塔在不同压力下运行（例如，约 6 巴和约 1.2 巴）。高压塔进行初步分离（产生富氮蒸汽和富氧液体），而低压塔则将氧气产品精制至高纯度并产生气态氮。一个集成式再沸器-冷凝器将两塔进行热连接。许多系统还包含一个用于提取氩气的侧塔。 |
| 低温储存罐 | 用于储存液氧和液氮的真空绝缘储罐。它们能够以极低的蒸发损耗将低温液体保持在低温状态。典型的储罐工作压力为 10-20 巴；它们通过内置汽化器或泵输送产品。这些储罐可用于产品缓冲、运输（通过槽车加注）或为用户提供备用供应。 |
表格：低温空气分离装置的主要组成部分及其在氧气/氮气生产中的作用。
应用和注意事项
用于生产氧气和氮气的低温空气分离装置在众多行业中发挥着至关重要的作用。由于其复杂性以及涉及危险材料，这类装置在设计和运行方面也需要考虑一些特殊因素。下文将概述空气分离装置的主要应用及其运行中的一些关键注意事项：
申请
- 钢铁制造：高纯度氧气用于碱性氧气转炉和电弧炉，以促进燃烧并去除炼钢过程中的杂质。大型钢铁厂通常设有现场制氧装置，每天可供应数百吨氧气用于此目的。氮气也用于钢铁和金属生产，用于惰性气体保护和搅拌熔融金属。
- 化工和炼油行业：空分装置生产的氮气和氧气对化学品生产至关重要。氮气用作惰性气体，用于覆盖储罐、净化反应器和管道，并用作载气以防止氧化。氧气用于煤或重油气化、环氧乙烷生产、硫回收装置和其他氧化反应等工艺。氨厂使用大量氮气（来自空气分离）来合成氨（哈伯法）。
- 医疗保健和医用气体供应：医院和医疗机构依靠低温空气分离装置 (ASU) 来持续供应医用级氧气。ASU 生产的液氧通过槽车运输到医院，储存在医院的储罐中，然后在现场气化供患者使用。高纯度（通常为 99.5% 的氧气）和可靠的供应对于生命支持、麻醉和呼吸治疗至关重要。氮气也用于医疗领域，例如用于冷冻手术或保存生物样本（以液态形式）。
- 食品加工和保鲜：来自空气分离装置 (ASU) 的液氮广泛用于食品速冻，通过形成非常小的冰晶，实现快速冷冻，从而保持食品品质。食品公司使用液氮冷冻机加工肉类、水果和预制食品等产品。氮气也用于食品的吹扫和包装（以置换氧气并延长保质期）。液氧在食品中的应用不如液氮普遍，但液氧和液氮均可用于水果和谷物的气调贮藏。
- 航空航天和电子：航空航天工业需要大量的液氧作为火箭推进剂氧化剂（例如，用于航天运载火箭），以及气态氮用于燃料系统的吹扫和加压。半导体制造工厂使用超高纯度氮气（99.999%以上）在生产过程中营造惰性气氛。这些高科技应用对纯度要求极高，而只有低温精馏技术才能以经济的方式满足这些要求。
Considerations
- 能源消耗：低温空气分离装置（ASU）是高能耗设备，主要原因是空气压缩和制冷需要消耗大量电力。大型装置（每天生产数千吨氧气/氮气）可能消耗数十兆瓦的电力。效率是关键的设计因素——现代工厂采用先进的压缩机、换热器和膨胀机来回收和再利用冷能，从而降低单位气体产量的能耗（每单位气体生产所需的千瓦时）。优化能源使用直接影响运营成本，并且往往是决定不同ASU设计方案竞争力的关键因素。
- 运行连续性：为了提高效率和延长设备寿命，低温空气分离装置（ASU）通常设计为24小时不间断运行。它们不适合频繁启停，因为冷却冷箱并达到稳定的精馏状态需要数小时。因此，向工业设施供应气体的ASU通常需要保持较高的运行时间（通常超过98%）。为了确保即使在设备切换（例如，再生分子筛或进行日常维护）期间也能维持供气，系统中内置了冗余措施（例如备用压缩机或备用吸附床）和强大的控制系统。
- 安全措施：在氧气和低温系统中，安全至关重要。高纯度氧气会极大地加速燃烧，因此所有与富氧环境接触的设备都必须彻底清除油污或其他污染物（使用与氧气兼容的材料和“氧气清洁”程序来防止任何着火）。空分装置的设计避免在富氧区域出现任何火源，并控制流速以防止静电放电。低温液体存在极低温灼伤和窒息（如果它们汽化并取代空气）的风险，因此储罐和管道都配备了泄压阀、气体探测器和适当的通风设施。操作人员接受处理低温流体的专业培训，并且设施的设计考虑了安全距离和隔热措施，以保护人员安全。
- 产品纯度和质量：低温精馏技术能够可靠地生产高纯度氧气和氮气，但质量控制仍然至关重要。仪器会持续监测产品纯度（例如，测量氮气产品中的微量氧气，反之亦然）。如果纯度不符合规格（例如，由于精馏塔发生故障或运行条件变化），产品可能会自动分流至废气处理系统，直到恢复到可接受的水平。此外，如果生产氩气，则必须确保其不含氧气污染物，以满足等级规格要求。这可以通过维持氩气精馏塔的回流比并使用高效填料来实现。
- 规模和经济效益：低温空气分离装置（ASU）需要大量的资本投资，因此只有在中到大规模生产的情况下才具有经济可行性。对于小规模需求（例如，每天几吨氧气或氮气），通常更适合采用其他技术，例如变压吸附（PSA）或膜分离制氮机，这些技术的初始成本较低，并且可以轻松地启动/关闭。然而，对于大批量氧气和氮气生产，低温装置更具成本效益，而且它们还具有额外的优势，可以同时生产液态产品和稀有气体（氩气、氪气、氙气）。在规划ASU项目时，需要考虑的因素包括靠近电源（以满足巨大的电力需求）、与现有设施的集成（例如，利用废氮气冷却水，或利用压缩机的废热）以及未来的扩建需求（许多ASU的设计都考虑到了在需求增长时提高产能或增加液化装置的能力）。
结论
低温空气分离装置仍然是工业规模氧气和氮气生产的基准技术，能够提供现代工业所需的产量和纯度。通过精密的压缩、低温冷却和多级蒸馏过程，空气分离装置可以连续生产高纯度氧气和氮气，以支持钢铁、化工、医疗保健、电子等行业的关键运营。虽然该技术耗能较高，但工艺集成和设备方面的持续创新正在提高效率并降低运营成本。本质上，用于生产氧气和氮气的低温空气分离装置是一项工程奇迹——它是热力学和设备设计的完美结合，能够可靠地将空气转化为有价值的产品。随着全球对工业气体的需求增长以及新应用的出现（例如清洁能源技术和太空探索），低温空气分离装置将继续发展，并在未来多年内仍然是工业气体供应链的基石。
