简介
深冷制氧是目前大规模从空气中提取氧气的领先技术。该技术涉及将空气冷却至极低温度直至液化，然后通过分馏法将液态空气分离成其组成部分（主要为氧气和氮气）media.path.org。这种深冷工艺可以生产大量高纯度氧气（通常体积浓度约为 99.5%mathesongas.com）——工业空气分离装置（或 ASU，空气分离单元）每天可生产数百至数千吨氧气mathesongas.com。这种产能和纯度远远超过其他技术（例如变压吸附或膜分离）所能达到的水平thechemicalengineer.comthechemicalengineer.com。因此，当工业需要可靠的大量氧气供应时，低温制氧是首选方法。现代空气分离装置 (ASU) 还能同时生产氮气（有时也生产氩气），从而充分利用在同一设施中分离整个空气混合物的优势，提高整体效率。
低温制氧原理
低温制氧的基本原理是空气的主要成分具有不同的沸点。氮气的沸点约为 –196 °C，氧气为 –183 °C，氩气为 –186 °Ccryospain.com。通过将空气液化并通过蒸馏过程进行精确加热，可以根据这些组分的相变温度将它们分离出来。实际上，低温空气分离装置通过几个关键步骤来实现这一过程：
- 空气压缩：环境空气（约含 78% 的氮气、21% 的氧气以及氩气和微量气体）被吸入空分装置并压缩至更高的压力，通常约为 5-10 巴cryospain.com。为了最大限度地减少功耗，通常使用带中间冷却器的多级涡轮压缩机。压缩空气不仅可以提高压力，还有助于在后续步骤中更有效地进行冷却。
- 净化：在冷却之前，加压空气会通过净化装置，去除水蒸气、二氧化碳以及任何碳氢化合物或颗粒物。必须去除这些杂质（通常使用分子筛吸附器），以防止低温设备冻结或堵塞cryospain.com。到这一阶段结束时，进入冷箱的空气是洁净干燥的，主要成分是氧气、氮气和氩气。
- 冷却和液化：净化后的空气接下来通过热交换和制冷循环被冷却至低温（约 –175 至 –190 °C）shengerhk.com。空气流经钎焊铝板翅式换热器，在那里被逆流的冷流（氧气、氮气和从精馏塔排出的废气）冷却。通常，一部分空气会被分流到膨胀涡轮机（透平膨胀机）中，以产生额外的制冷效果thechemicalengineer.comthechemicalengineer.com。当空气完全冷却后，大部分空气会冷凝成液体（仍含有少量蒸汽），形成可用于分离的低温液态空气混合物。
- 分馏：冷却后的液化空气进入蒸馏系统，将氧气与氮气（以及氩气）分离。现代低温空气分离装置通常采用双塔式结构，在不同的压力下运行shengerhk.com。在高压塔（约 5-6 巴）中，混合物开始分离：富氧液体聚集在底部，而几乎纯净的氮气上升到顶部thechemicalengineer.com。然后，这种氮气在称为冷凝再沸器的换热器中与沸腾的氧气进行热交换，冷凝成液态氮，所得液态氮为两个蒸馏塔提供回流assets.linde.com。来自高压塔的富氧液体被送入低压塔（略高于 1 巴）进行进一步精馏。在低压精馏塔中，进行剩余的分离：高纯度氧气（约 99%–99.5%）以液态形式从塔底获得，高纯度氮气（通常纯度高于 99.9%，不含氧气）则从塔顶取出assets.linde.comassets.linde.com。如果需要，氩气会通过中间抽出口进入单独的氩气精馏塔进行提纯，最终得到粗氩和纯氩产品assets.linde.com。在整个精馏过程中，由于各组分的沸点不同，氧气（主要组分中沸点最高）会富集在塔的下部，而氮气则富集在塔的顶部。
- 产品提取和升温：分离后，氧气产品可以从低压塔中提取。在许多空分装置中，氧气以液态形式（低温液氧，LOX）从塔底抽出thechemicalengineer.com。如果需要高压气态氧气，可以将液氧泵送至高压（泵送液体比压缩气体更节能），然后在换热器中加热蒸发assets.linde.comassets.linde.com。或者，在某些配置中，如果只需要低压气态氧气，则可以直接从塔中提取气态氧气。无论哪种情况，最终的氧气产品都会被加热至环境温度（例如，通过与进气进行热交换），并以指定的压力输送给用户。氮气产品通常以气态形式从低压塔顶部抽出（如果需要便于运输，则以液氮形式储存），任何氩气产品也根据需要进行储存或加压。最终得到的是可用于工业用途的高纯度氧气，通常纯度约为 99.5% O₂，主要杂质为氩气shengerhk.com。所有剩余气体（不需要的氮气或已去除氩气的废气）都被排出冷箱，升温后通常用于连续循环再生空气净化系统thechemicalengineer.com。
这种多步骤低温工艺虽然耗能巨大，但效果显著。上述低温精馏方法几乎是当今所有大型工业制氧厂的基础。尽管耗电量大，但由于它能够同时生产多种高纯度产品（氧气、氮气、氩气），因此对于大批量气体供应而言，这种方法仍然非常经济。现代设计采用了许多提高效率的措施，例如在精馏塔和换热器之间进行热量集成，以尽可能回收冷能。
性能和产出特性
每套工业空气分离装置的设计都旨在满足特定的产出要求，但低温制氧工艺有一些通用的性能基准。下表 1 总结了用于满足一般工业需求的大型现代化空气分离装置的典型产品规格：
| 范围 | 氧气 (O₂) | 氮气 (N₂) |
|---|---|---|
| 纯度（体积百分比） | 约99.5%（高纯度）mathesongas.com | 约 99.999%（超高） |
| 流量 (Nm³/h) | 约 50,000（大型工厂）shengerhk.com | 约60,000（大型工厂） |
| 输送压力（巴） | 5-6（典型管道）shengerhk.com | 5-6（典型流程） |
| 供应形式 | 气体或液体（液氧） | 气体或液体（液氮） |
| 单位体积能耗（千瓦时/立方米） | 约 0.4（每立方米氧气）shengerhk.com | 约0.3（每立方米氮气） |
表1：大型低温空气分离装置的典型输出规格。（Nm³ = 标准条件下的标准立方米）。
如上所示，低温制氧技术可以轻松获得纯度约为 99.5% 的氧气（mathesongas.com），这足以满足几乎所有工业和医疗应用的需求。事实上，许多工厂在需要时会通过增加额外的精制步骤，或者仅仅因为同时捕获了氩气（从氧气中去除氩气可以将氧气纯度提高到 99.9%），从而生产出更高纯度的氧气（99.8%–99.9%）。作为副产品生产的氮气，可以通过低温精馏达到超高纯度（高达 99.999% 的 N₂），远高于非低温方法通常能够提供的纯度。流量数据表明了这些空分装置的巨大规模：一个大型装置每天可以生产约 1000-2000 吨氧气，同时生产类似或更多的氮气（shengerhk.com）。例如，50000 Nm³/h 的氧气流量大约相当于每天 1700 吨氧气，这说明空分装置可以满足钢铁厂或石化联合企业等大型用户的需求。气态产品的输送压力通常比大气压高几个巴（用于输送至管道或工艺设备）；如果需要，可以使用液泵和汽化器来实现更高的压力（某些设计可以将氧气以 30-60 巴的压力输送，直接用于高压反应器）。能耗是关键的运行参数，通常每生产一立方米氧气需要消耗0.3-0.5千瓦时的电量shengerhk.com。这意味着大型空分装置（ASU）连续运行时需要消耗数十兆瓦的电力。因此，提高能源效率是低温制氧厂设计的主要重点。工程师们采用各种策略，例如使用回收效率更高的换热器、先进的工艺控制系统以及高效的压缩机和膨胀机，以减少每单位氧气所需的电量。即便如此，低温制氧仍然是一个能源密集型过程，操作人员需要不断权衡产出纯度与能耗之间的关系mathesongas.com，以优化成本。
各行业的应用
低温制氧技术之所以如此普及，原因之一在于其在各行各业的广泛应用。通过空气分离生产的氧气（以及氮气）是无数工业流程和服务的基础。以下是一些主要依赖低温制氧技术进行生产运营的行业：
- 钢铁和金属：钢铁工业是氧气的主要消耗行业之一。综合钢铁厂在高炉（用于富集空气并提高燃烧温度）和碱性氧气转炉中消耗大量氧气，在碱性氧气转炉中，高纯度氧气被吹入熔融铁水中进行精炼，最终炼成钢shengerhk.com。这些工艺流程在一个工厂每天可能需要数千吨氧气，只有现场低温空分装置才能经济高效地满足这种需求。有色金属冶炼以及焊接/切割作业也使用氧气来提高能源效率和火焰温度。
- 化工与能源：许多化学过程和能源系统都依赖于大量的氧气供应。例如，气化装置（将煤、生物质或废物转化为合成气）使用纯氧而不是空气，以提高效率并获得更清洁的产物（因为使用氧气可以避免氮气的稀释，并简化二氧化碳的捕集）shengerhk.com。炼油厂和石化厂可能使用氧气进行烃类部分氧化或生产环氧乙烷等工艺，这些工艺需要稳定的氧气流量。此外，新兴能源技术以新颖的方式整合了低温制氧技术：富氧燃烧发电厂在氧气中燃烧燃料，以简化碳捕集；而液态空气储能等概念则利用空分装置（ASU）产生的液化气体来储存和释放能量，作为可再生能源管理的一部分shengerhk.comshengerhk.com。在所有这些情况下，低温制氧装置能够提供高纯度的大量氧气，使得新的工艺配置成为可能。
- 医疗保健：用于医院和医疗机构的医用氧气（纯度通常高于 99%）通常由大型工厂采用低温分离技术生产，然后通过液氧罐车或高压气瓶输送给最终用户。低温制氧技术的可靠性确保了这种救命气体能够持续供应，用于呼吸机、麻醉和其他医疗用途。尽管医院的氧气消耗量远低于炼油厂或钢铁厂，但低温精馏技术能够轻松满足严格的纯度和清洁度标准。例如，在 COVID-19 疫情期间，许多地区提高了低温空分装置的产量，以满足医疗氧气需求的激增，这凸显了这项技术在医疗领域的重要性。
- 电子和半导体制造：半导体制造需要超高纯度气体。低温空气分离技术用于生产大量氮气（通常纯度高达 99.999%），用于芯片制造厂的吹扫和保护shengerhk.com。虽然氮气是惰性环境的主要气体，但半导体工厂也使用高纯度氧气进行氧化工艺（例如在晶圆上生长二氧化硅层）以及某些蚀刻和清洗步骤shengerhk.com。因此，现场低温空分装置可以为这些精密工艺提供稳定的氮气和氧气供应。极高的纯度和可靠的供应有助于维持电子制造所需的超洁净环境——任何中断或污染都可能导致生产停滞，因此低温制氧和制氮的可靠性是一个巨大的优势shengerhk.com。
- 其他行业：许多其他行业也受益于低温制氧技术。在食品饮料行业，低温氮气（来自空气分离装置）用于冷冻和包装，而氧气可用于臭氧发生器进行水处理。玻璃和水泥行业使用富氧燃烧来提高炉温和效率。水处理设施可以使用氧气生产臭氧或增强废水处理效果。甚至航空航天领域也依赖低温生产液氧作为火箭推进剂氧化剂——尽管火箭级液氧有其特殊的处理要求，但其生产过程与普通液氧采用的是相同的基本蒸馏工艺。在所有这些应用中，低温空气分离技术都能大规模提供所需的各种气体，并具有满足不同应用需求的灵活性。
结论
低温空气分离制氧已成为现代工业的基石。它能够经济高效地供应大量高纯度、高可靠性的氧气、氮气和氩气。工程师们利用空气组分在低温下的基本物理特性，开发出了性能卓越的系统，为钢铁冶炼、化学合成、医疗保健、电子、能源生产等众多行业提供支持。这项技术已经成熟可靠——许多大型空分装置的运行时间超过99%——但它仍在不断发展和改进。得益于换热器设计、工艺集成和设备效率方面的进步，如今的设计比几十年前的设计更加节能。目前的研究重点是降低低温制氧所需的大量能耗mathesongas.com，以及提高运行灵活性（例如，根据可再生能源的供应情况快速调整产量shengerhk.com）。
总而言之，低温制氧的原理是将空气冷却至液态，然后通过蒸馏进行分离——尽管这一过程耗能巨大，但却能生产出纯度极高、产量巨大的工业用氧气。其跨行业的广泛应用和卓越的性能确保了这项技术在未来多年内仍然不可或缺，即使新的创新和可持续发展举措会影响其未来的发展。按需供应大量高纯度氧气的能力是现代社会许多我们习以为常的事物的基础，从坚固的钢铁和清洁的化学品到先进的电子产品和优质的医疗保健，无不依赖于此。通过不断改进低温空气分离技术，各行各业不仅能够满足当前的需求，还能为未来更高效、更环保的运营方式铺平道路。
