低温空气分离装置（ASU）是大型工业装置，通过低温分馏将大气空气分离成高纯度的氧气、氮气和氩气。en.wikipedia.org.通过压缩环境空气（通常压缩至 5-10 barg）并将其冷却至低温，每种气体在其沸点液化，并作为产品流排出。en.wikipedia.orgen.wikipedia.org.现代低温空分装置每天可生产数百至数千吨氧气，纯度通常超过 99.5%–99.9%，氮气纯度通常超过 99.9%–99.999%。shengerhk.commathesongas.com.这些装置能耗高，但其产能和纯度无与伦比，因此对于石油化工、炼油，尤其是钢铁制造等需要大量连续气体流量的行业来说，它们不可或缺。uigi.comsiad-americas.com。低温空气分离装置对于满足这些行业持续高需求的天然气消耗至关重要。随着石化和钢铁行业业务的扩张，对采用先进节能设计的新型空气分离装置的需求不断增长，以降低电力成本并满足更严格的效率目标。
低温空气分离原理
低温空气分离的核心是基于沸点对液化空气进行分馏：氮气（-196°C）、氧气（-183°C）和氩气（-186°C）在连续蒸馏塔中分离。shengerhk.com<a大气空气首先经过过滤和多级压缩（通常带有级间冷却）以去除灰尘和水分。接下来，使用分子筛进行净化步骤，去除痕量水分、二氧化碳和在低温下会冻结的碳氢化合物shengerhk.comen.wikipedia.org。然后，洁净的高压空气在板翅式换热器中与流出的冷产品流进行热交换，从而冷却。冷却至低温是通过等焓膨胀（焦耳-汤姆逊效应）和涡轮膨胀实现的。在涡轮膨胀机（逆向涡轮机）中，一部分压缩空气膨胀，温度下降并产生轴功，这通常有助于驱动主压缩机。该制冷循环提供液化大部分气流所需的低于-180°C的温度。低温空气分离装置的稳定运行取决于精确的制冷管理。
冷却后的物料流进入装有双塔蒸馏系统的冷箱。典型的配置采用高压 (HP) 塔和低压 (LP) 塔，并通过内部换热器（冷凝器-再沸器）连接。在高压塔中，富氮蒸汽上升到塔顶（几乎是纯氮气产品），而富氧液体则下降。低压塔在接近常压下运行，进一步提纯产品：几乎纯的液氧积聚在塔底，富氮蒸汽从塔顶排出。塔间中间流循环：来自高压塔底的液氧在低压冷凝器中向上流动，使低压塔中的氧气重新沸腾，并通过钎焊板式换热器进行热交换。shengerhk.comen.wikipedia.org.这种紧密集成（通常只有 1-2K 的接近温度）最大限度地提高了效率en.wikipedia.org。这对于用于大规模氧气生产的低温空气分离装置尤其重要。
- 低温空分装置的关键工艺步骤包括：
- 进气和压缩：过滤后的环境空气被压缩至 5-10 巴（表压），中间冷却器在各级之间冷凝水。en.wikipedia.org.
- 净化： 高压空气通过分子筛床，去除残留的 H₂O、CO₂ 和碳氢化合物en.wikipedia.org。
- 热交换和膨胀：净化后的空气先被冷产品流预冷，然后膨胀（通过涡轮膨胀机或焦耳-汤姆逊阀）以产生液化所需的制冷量。en.wikipedia.org.
- 低温蒸馏：双塔系统分离氧气、氮气和氩气。氧气（沸点 -183°C）以液态形式留在塔底，而氮气（沸点 -196°C）蒸汽则从塔顶排出。shengerhk.com.在低压塔中抽取少量侧流用于回收氩气（氩气的沸点介于 O₂ 和 N₂ 之间）en.wikipedia.orgshengerhk.com.
- 产品抽取和升温：分离出的气体纯度为设计值（O₂ 通常≥99.5%，N₂ 最高可达 99.999%）。shengerhk.commathesongas.com，然后在交付前通过冷藏箱加热至环境温度。
每个步骤都必须精细平衡：压力水平、回流率和换热负荷都需要调整，以达到所需的纯度和回收率。例如，更高的氧气纯度（接近 99.9%）通常意味着更大的内部回流，从而导致更高的能耗。相反，降低纯度可以节省能源mathesongas.comshengerhk.com.实际上，优化和控制系统全天候稳定运行，确保以目标气体流量和规格进行持续可靠的生产。shengerhk.com.
性能和产品规格
现代低温空气分离装置可提供极高的氧气和氮气输出，且纯度可靠。表 1 总结了典型的性能参数。大型工业装置每天可生产约 10^2–10^3 吨 O₂。shengerhk.commathesongas.com。氧气产品的纯度通常≥99.5%（有时用于医疗或燃烧用途可达99.95%）。shengerhk.commathesongas.com。氮气以极高的回收率（约占空气进料的 95–99%）回收，并提纯至超高纯度（通常为 99.9–99.999%）shengerhk.comshengerhk.com.如果需要，可以通过额外的侧柱回收纯度约为 99.9% 或更高的氩气（空气中约 0.9%）。shengerhk.comen.wikipedia.org.
| 范围 | 典型范围/值 |
|---|---|
| O₂纯度（气体产品） | ~99.5–99.9%（高纯氧）shengerhk.com |
| N₂纯度（气体产品） | 纯度约为 99.9% 至 99.999%（超高纯度）shengerhk.com |
| Ar纯度（产品） | 纯度约为 99.9%（使用氩气柱时）shengerhk.com |
| 氧气生产能力 | 日处理量约为 100 至 5,000 公吨以上（每个空分装置）shengerhk.com |
| 单位功耗 | 每立方米氧气耗能约为 0.3–0.6 千瓦时（≈250–500 千瓦时/吨氧气）shengerhk.com |
| 高压柱 | ~5–10 bar(g) 工作压力en.wikipedia.orgen.wikipedia.org |
| 低压柱 | ~1.2–1.5 bar(abs) 工作压力en.wikipedia.org |
这些数值仅供参考。例如，大型空分装置通常通过优化热集成和采用现代化的涡轮膨胀机来实现较低的单位能耗（约 0.3 kWh/Nm³ O₂），而较老旧或较小的装置可能接近 0.5–0.6 kWh/Nm³。 href="https://www.shengerhk.com/en/cryogenic-air-separation-unit-asu-overview-2025/#:~:text=megawattsofpower,2025MWofelectricalpower" target="_blank" rel="noreferrer noopener">shengerhk.com.实际上，一台日处理量为 1,000 吨的 O₂ 空分装置可能需要消耗 20-25 兆瓦的电力shengerhk.com。然而，持续的设计改进降低了这一要求：研究报告显示，过去十年能源效率提高了约 10-20%shengerhk.comlinde-engineering.com.例如，林德指出，十年内平均空分装置 (ASU) 的能耗降低了 15%linde-engineering.com，而新工厂采用先进的热交换器和填料，可节省大约 5-10% 的制冷需求。
表 1：现代低温空分装置的典型性能参数（数据来自行业指南和案例研究shengerhk.comsiad-americas.com）。这些范围取决于规模和设计；超大型工厂（>1000TPD O₂）可达到更高的效率。
节能和先进设计特点
低温空分装置（ASU）本身能耗较高，因为制冷至低温环境消耗了大部分电力。主空气压缩机消耗的电力最多uigi.com。因此，先进的设计重点在于提高压缩机效率、压力级和驱动系统。例如，空分装置设计可能采用多轴压缩机、变速驱动器，甚至涡轮驱动压缩机来优化部分负荷性能。一些空分装置 (ASU) 内部采用混合压缩或内部集成压缩循环：一部分压缩空气在涡轮机中膨胀，涡轮机的轴驱动增压器，从而有效地将能量回收再用于压缩。siad.comuigi.com。这种内部制冷（也称为外部回路与内部回路之比）与简单的膨胀阀相比，可降低整体能耗。
现代空分装置 (ASU) 的一个关键特征是广泛的热集成。采用温差极小（<2K）的板翅式换热器，将进风和出风产品耦合起来，尽可能地回收冷量。最大限度地减少冷箱内的温差和压降可以节省能源。uigi.comuigi.com.这使得低温空气分离装置能够在保持产品纯度的同时降低能耗。先进的塔填料和回流装置也提高了热效率。高性能的结构填料或塔盘提高了分离效率，这意味着每单位产品所需的回流（和冷却）更少。
另一项重要的节能策略是使用膨胀涡轮机代替节流阀。在基本的焦耳-汤姆逊（JT）膨胀过程中，压缩空气在恒定焓值下通过阀门冷却，但无法回收轴功。因此，现代空分装置采用低温涡轮膨胀机：压缩空气或液体通过涡轮机膨胀，从而产生轴功率。这不仅通过焦耳-汤姆逊效应提供制冷，而且通过驱动压缩机或发电机来降低净能耗。en.wikipedia.orguigi.com.优化这些制冷循环至关重要：行业指南指出，仔细调整膨胀涡轮机和冷箱配置可以“回收能量并稳定温度”uigi.com。
提高效率的关键在于最大限度地减少辅助系统中的损耗。管道压降、阀门节流和级间冷却器都会造成能源浪费；工程师会尽可能地减少这些损耗。控制系统也发挥着重要作用：通过使压缩机的输出功率和膨胀率与不断变化的工厂负荷相匹配，空分装置可以避免“瓶颈”点，并更接近其热力学最佳运行状态。一些供应商现在提供先进的空分装置自动化系统（有时称为“智能”空分装置），该系统可以动态调节压力和流量，以平衡供需，从而进一步提高整体能量利用率。
近年来，人们一直在探索集成解决方案。例如，一些研究提出了利用热泵回收压缩余热进行分子筛再生，或利用液化天然气（LNG）再气化产生的冷量作为辅助制冷的方案uigi.com。尽管此类创新仍在不断涌现，但它们反映了行业对更高效率的追求。实际上，如今设计良好的空分装置 (ASU) 每吨氧气的能耗比十年前降低了约 10-20%，这与主要供应商的数据相符shengerhk.comlinde-engineering.com。
在石油化工和钢铁行业的应用
低温空气分离装置（ASU）广泛应用于石油化工、炼油和钢铁生产设施，这些设施需要大量、连续的氧气和氮气供应。在炼钢过程中，ASU几乎无处不在。综合钢厂使用高纯氧（通常为99.0%–99.5% O₂）进行高炉和转炉（BOF）工艺。例如，向熔融铁中注入纯氧比注入空气能更快地去除碳，从而将转化时间缩短25%–30%，并高效地提高温度。现代转炉（BOF）每小时可消耗数千立方米的氧气；现场安装大型空分装置（每天数千吨）以满足这一需求。同一空分装置 (ASU) 产生的氮气和氩气也用于支持炼钢：氮气用于连铸和热处理过程中的吹扫和冷却，而氩气（通过侧拉柱）则注入钢包，用于搅拌和提纯金属。shengerhk.com<a href="https://www.siad-americas.com/air-separation-units#:~:text=WithaglobalfootprintSIAD,andpaperandindustrialgases"由于钢铁厂全天候运转，低温空分装置必须具有极高的可靠性——事实上，其正常运行时间通常超过 99%siad-americas.com。因此，低温空分装置是高炉和转炉炼钢的核心设备，其容量设计需根据负荷波动进行调整（炼钢过程中氧气需求量会经历高低交替的周期性变化）。
在石油化工和化学工业中，空分装置（ASU）为各种工艺提供氧气和氮气。氧气可用于部分氧化反应器（例如生产苯乙烯、邻苯二甲酸酐或合成气），或用于富氧燃烧器以提高炉膛效率。氮气的应用更为广泛：它可用作反应器和储罐中的惰性气体保护层，在某些工艺中用作稀释剂，以及用于管道压力测试。大型乙烯裂解装置和炼油厂通常会在现场安装空分装置。例如，蒸汽甲烷重整装置（用于制氢）可在炉膛中使用纯氧，并使用氮气作为产品气的载体。因此，空分装置已成为复杂石油化工集群的标准配置。行业报告指出，低温空分装置已交付给全球的石化中心和炼油厂，确保高纯度气体的不间断供应。siad-americas.com.
协同效应显而易见：随着石油化工和冶金工厂的发展，它们对工业气体的需求量也随之增加。现场低温空分装置 (ASU) 可提供卡车运输或气瓶供应无法比拟的规模经济效益，适用于日处理量超过 200-500 吨的氧气。mathesongas.com<a href="https://www.mathesongas.com/plants-and-engineering/air-separation/#:~:text=CryogenicASUsproducelargeamounts,highuptimetypicallyexceeds99" target="_blank" rel="noreferrer通过将空分装置 (ASU) 并入钢铁厂或化工联合企业，它们可以获得一体化的公用设施——高纯度、大流量的氧气、氮气和氩气——同时摆脱对外部供应商的依赖。所提供的气体有助于提高产能并降低燃料消耗（例如，在某些炉子中，富氧燃烧可降低约 20-25% 的能耗shengerhk.com）。
表 2 列举了一些主要应用领域中具有代表性的 ASU 生产规模：
| 应用 | 氧气输出（Nm³/h 或 tpd） | O₂纯度 | N₂ 输出 (Nm³/h) | 备注 |
|---|---|---|---|---|
| 大型炼钢厂（高炉、转炉） | 约5,000–20,000Nm³/h（约150–600吨/天） | ~99–99.5% | ~15,000–60,000 Nm³/h | 为炉膛和钢包提供连续供气；包括氩气侧抽siad.comshengerhk.com. |
| 石油化工联合体（蒸汽甲烷重整+惰化） | ~3,000–10,000 Nm³/h (~90–300 TPD) | ~99.5% | ~9,000–30,000 Nm³/h | O₂ 用于重整燃烧器，N₂ 用于覆盖和吹扫；通常 24/7 全天候运行siad-americas.com。 |
| 气体处理（制氢厂） | 约1,000–5,000Nm³/h（约30–150吨/天） | ~99.5% | ~3,000–15,000 Nm³/h | O₂ 用于重整燃烧器，N₂ 用于覆盖和吹扫；通常 24/7 全天候运行siad-americas.com。 |
| 电子/医疗 | 约100–1,000Nm³/h（约3–30TPD） | up to 99.999% | ~300–3,000 Nm³/h | 需要极高的纯度；通常采用模块化空分装置进行培训，并进行严格的控制。 |
表 2：不同行业空分装置 (ASU) 输出范围和纯度示例（近似值）。Nm³ 指标准立方米 (0°C, 1atm)；TPD 指公吨/天。数据来自行业来源。siad.comsiad-americas.com."
具体的产量和产能各不相同，但这说明许多工厂规模的空分装置（ASU）的氧气产量都在10^2–10^3吨/天的范围内。发电厂（例如富氧燃煤锅炉）、炼钢厂和使用催化剂的化工厂的氧气产量较高，而中型炼油厂和大型城市医院的氧气产量较低。
结论
低温空气分离装置仍然是大型工业应用气体供应的支柱。它们能够大量提供高纯度的氧气、氮气和氩气，因此对于现代钢铁厂、石油化工炼厂、玻璃厂及相关行业至关重要。现代设计进步——例如改进的热交换器、涡轮膨胀机制冷、先进的控制系统和优化的塔内结构——稳步提高了空分装置的能源效率。uigi.comshengerhk.com.随着重工业的扩张和能源成本的上升，这些先进的节能特性变得愈发重要。设计精良的低温空分装置（ASU）能够降低每吨氧气的耗电量，提高气体回收率，并降低运营成本，从而助力实现经济和可持续发展目标。随着钢铁和石化行业需求的不断增长，工程师们持续改进空分装置的设计，以进一步提升其效率。总之，配备先进能量回收和控制技术的低温空气分离装置，以及未来的低温空气分离装置，将通过更智能的控制和先进的热集成技术，进一步降低能耗，并为不断发展的石化和冶金行业提供可靠的、大规模的工业气体来源——无论现在还是将来。siad-americas.comshengerhk.com.
