低温空气分离简介
低温空气分离装置 (ASU) 将大气冷却至极低温度，使氧气、氮气和氩气液化，并根据它们不同的沸点进行分离。在工业领域，当需要大量连续气体时，通常会选择这类装置，因为它们能够提供极高的纯度（氧气纯度通常高于 99.5%，氮气回收率几乎为 100%）。但缺点是耗电量大：一台现代化的 ASU 通常每处理 1 Nm³ 氧气消耗约 0.3–0.6 kWh 的电能（约每吨氧气消耗 250–500 kWh 的电能），并且通常全年运行，在严格的纯度控制下，每天生产数千吨氧气。
低温空分装置 的规模大小不一。小型撬装式装置日产氧气量约为 100-200 吨，而大型多系列装置日产氧气量可达数千吨（氮气产量也相应更大）。一般来说，当氧气需求量超过数百吨/天时，低温空分装置才具有经济效益。这些大型装置通常以极高的可靠性连续运行，但需要大量的电力（通常为数十兆瓦）。低温空分装置的高纯度和多产品生产能力使其成为现代重工业不可或缺的设备。
工作原理和流程
图：典型的低温空气分离装置工艺流程图，图中显示了空气压缩、净化、蒸馏塔和产品回收阶段。
低温空气分离装置工艺流程包含以下几个关键阶段：
- 空气压缩：环境空气被吸入并经多级压缩机压缩至中等压力（通常为 5–10 巴），然后通过中间冷却器进行冷却。压缩空气对于高效的下游冷却和蒸馏至关重要。
- 净化：压缩空气通过分子筛床或冷阱去除水分、二氧化碳和碳氢化合物。任何残留的水分或二氧化碳都会在低温段冻结，因此它们会在接近环境温度下被去除。
- 低温冷却：净化后的空气被送入主冷箱换热器，通过热交换和膨胀逐步冷却。部分空气经由涡轮膨胀机或焦耳-汤姆逊（JT）阀膨胀以产生制冷，并将大部分空气冷凝成液体。最终得到接近氧气/氮气沸点范围的极冷液态和气态混合物。
- 精馏塔： 冷进料进入高压精馏塔，氮气（沸点 -196 °C）优先汽化上升，而氧气（沸点 -183 °C）则以液态形式聚集在塔底。内部冷凝器-再沸器连接第二个（低压）精馏塔。在低压精馏塔中，富氧液体沸腾（为高压侧提供热量），近乎纯净的液氧聚集在塔底。低压精馏塔顶部还会产生额外的高纯度氮气。这种双塔结构实现了主要的氧气/氮气分离。
- 产品回收：氧气从低压塔底部抽出（通常为液态），纯度一般为 99.5%–99.9%。氮气从塔顶抽出（纯度通常为 99.9% 以上）。如果需要回收氩气，则将富氧液体的侧流送至第三个（氩气）塔。由于氩气的沸点（-186 °C）介于氧气和氮气之间，氩气塔可分离出纯度约为 98%–99% 的氩气。该塔中残留的氧气被循环回主系统。最后，所有产品流被加热至环境温度，并以气体形式（或以液态氧形式泵送）输送至储罐或管道。
常见配置
低温空气分离装置根据规模和产品要求，采用不同的塔配置建造：
- 单塔空分装置：一些低温空气分离装置设计采用单精馏塔（通常带有内部回流冷凝器）。单塔装置结构紧凑，启动速度快，但通常处理能力较低，且没有专门的氩气回收装置。它们在一个塔内通过内部冷凝生产氧气和氮气，通常适用于小型现场应用。与大型多塔装置相比，单塔空分装置的能源效率较低，灵活性也较差。
- 双塔式空分装置：最常见的大型设计是双塔式低温空分装置。在该装置中，一个高压塔顶部产生纯氮气，底部产生富氧液体；另一个低压塔底部产生纯液氧，顶部产生氮气。两塔之间设有冷凝器-再沸器，提供必要的制冷。这种双塔配置具有极高的纯度和效率，并且可以扩展到非常高的产能。
- 三塔空分装置（带氩气回收）：对于需要氩气的装置，会增加第三根塔用于氩气精馏。在这种配置中，来自低压塔的富氧液体的侧流被送入氩气精馏塔。氩气的沸点适中，因此可以以约 98-99% 的纯度分离出来，剩余的氧气则返回主系统。增加氩气精馏塔会增加装置的复杂性，但它使单个空分装置能够在现场生产所有三种主要产品（O₂、N₂ 和 Ar）。
按工厂规模划分的典型产能
低温空分装置 (ASU) 的产能范围很广。小型单列装置（通常为单塔）的日产量约为 50-200 吨氧气 (TPD)，氮气产量约为氧气的 3-5 倍，氩气产量可忽略不计。中型双塔装置（氧气日产量数百至约 2000 吨）的氧气日产量约为 500-2000 吨，氮气日产量约为 1600-6500 吨。大型多塔装置（氧气日产量超过 1000 吨）的氧气日产量可超过 3000-5000 吨；此类装置通常包含氩气回收装置，氩气日产量可达数十至数百吨（取决于需求）。下表列出了一些典型空分装置规模的代表性产量：
| 配置 | 氧气产量（吨/天） | N₂产量（吨/天） | 氩气产量（吨/天） |
|---|---|---|---|
| 小型（单柱单元） | ~50–200 | ~150–650 | ~0–1 |
| 中等（双栏） | ~500–2000 | ~1600–6500 | ~0–5 |
| 中等（双栏） | ~1000–5000 | ~3200–16000 | ~20–150 |
跨行业应用
低温空气分离装置为众多行业提供必需气体：
- Steel: The steel industry is the largest consumer of ASU-produced oxygen and nitrogen. On-site cryogenic ASUs supply pure oxygen for blast furnaces and basic oxygen furnaces, boosting combustion efficiency. Many steel plants also use nitrogen and argon for process-gas needs (e.g. inerting or cooling molten metal). Switching from air to pure oxygen in furnaces increases flame temperature and production rate while reducing fuel consumption.
- 石油化工：炼油厂和石油化工厂依靠低温空分装置（ASU）为部分氧化、气化和炉膛加热等工艺提供氧气。炼油厂加热器中的富氧燃烧可提高效率并降低排放。来自空分装置的高纯氮气用于惰性气体保护储罐、吹扫反应器和管道加压。这种超干氮气也满足氨合成和液化天然气（LNG）生产的严格纯度要求。
- 电子行业：半导体制造需要超高纯度气体，因此空气分离装置 (ASU) 对晶圆厂至关重要。低温装置可提供纯度超过 99.999% 的氮气用于吹扫，以及纯度超过 99.999% 的氩气用于光刻和等离子刻蚀等工艺。通过在现场以所需纯度输送这些稀有气体，低温空气分离装置可确保微电子制造的可靠性和良率。
设计考虑因素
低温空气分离装置的关键设计因素包括产品纯度、能耗和模块化：
- 产品纯度：所需的O₂、N₂和Ar纯度决定了塔的设计和回流比。更高的纯度（例如，电子行业所需的99.5–99.9% O₂或99.999% N₂）需要更多的分离级数或额外的塔。纯度每提高一个等级，都会增加能源成本，并可能降低回收率。设计人员会优化操作压力、塔板数和换热器性能，以经济高效地满足纯度目标。
- 能源和电力消耗：低温蒸馏是一项高能耗工艺。现代大型空分装置的单位功率约为每标准立方米氧气0.3-0.4千瓦时（约合每吨氧气250-300千瓦时）。较小或较旧的装置可能需要0.5-0.6千瓦时/标准立方米。实际上，一座日产1000吨氧气的工厂可能需要消耗约20-25兆瓦的电力。高效的热集成、先进的涡轮膨胀机和多压塔设计有助于最大限度地减少电力消耗，但能源成本仍然是一个主要因素。
- 模块化和可靠性：许多空分装置采用模块化结构。撬装式压缩机、塔器和冷箱可以预制，然后在现场组装，从而加快安装速度。为了满足大需求，通常采用多条并行生产线（例如，两条日处理量 1000 吨的生产线，而不是一条日处理量 2000 吨的生产线），从而提供冗余并简化维护。模块化设计还允许逐步扩展。这些方法共同提高了装置的可用性并减少了停机时间。
总体而言，低温空气分离装置的设计需要在资本成本、运行效率和产品规格之间进行复杂的权衡。工程师必须选择合适的塔器配置、压缩机尺寸和运行条件，以在满足纯度目标的同时最大限度地降低能耗。最终目标是建成一座高度可靠的装置，能够以现代工业所需的纯度和规模生产氧气、氮气和氩气。
