空气分离设备从 20 世纪初的起源发展至今，已经发生了巨大的变化，成为如今运行的精密的空气分离系统。这些技术从大气中提取纯氧、氮气和其他气体，是钢铁制造、医疗保健等关键行业的基础。过去一个世纪以来，工程师们将原始的空气液化装置改造为高效的工业工厂，日产量可达数千吨。本文追溯了这些系统的发展历程，重点介绍了重大创新、全球贡献（特别是来自美国和中国的贡献）以及在规模、能源效率和数字化集成方面的里程碑式转变。
20世纪初的创新：低温基础
故事始于20世纪初低温空气分离技术的出现。1902年，第一台实用的空气分离设备投入使用，其基础是德国工程师卡尔·冯·林德的开创性工作。他最初的系统采用单塔蒸馏工艺液化空气并生产氧气。到1910年，林德推出了一种革命性的双塔设计，可以同时产生高纯度的氧气和氮气。这一突破奠定了低温空气分离设备的基本蓝图，至今仍在使用。早期的设备规模较小，需要人工操作，但它们证明了液化空气并进行分馏可以得到纯净的工业气体。此后不久，欧洲和美国的公司开始采用并改进这些低温技术。这一时期的空气分离设备使得氧气得以在焊接和医疗领域得到早期应用，尽管以现代标准来看，其应用规模有限。
20世纪中叶的扩张：规模扩大与效率提升
20世纪中期，随着工业需求的增长，空气分离技术也同步发展。20世纪50年代左右，炼钢工艺中引入了碱性氧气转炉，产生了巨大的氧气需求，推动了大型空气分离设备的研发，并促使美国、欧洲及其他地区兴建了规模更大的低温工厂。20世纪30年代的工厂每小时只能生产几十立方米的氧气，而战后空气分离设备的产量则大幅提升。到了20世纪60年代，日产数百吨氧气的装置已经建成，用于供应钢铁厂和化工厂。这一时期，能源效率也得到了显著提高。早期的系统依赖于简单的焦耳-汤姆逊冷却，但20世纪中期的设计采用了膨胀机（涡轮膨胀机），以更高效地产生空气液化所需的制冷量。诸如将换热器材料从黄铜更换为铝等技术的进步，使得更大的冷箱得以建造，换热性能得到提升，从而进一步降低了单位气体产量的能耗。在美国，像空气产品公司这样的企业在20世纪40年代和50年代率先提出了现场气体供应的概念，将空气分离装置安置在客户工厂附近，以节省配送成本。与此同时，中国在20世纪60年代开始发展自己的空气分离产业，最初采用进口设计，后来通过自主研发。到20世纪70年代末，空气分离装置的产能已大幅增长，并成为各国工业基础设施的重要组成部分。
20世纪后期多元化发展：PSA和膜技术
尽管低温蒸馏仍然是大规模生产的主要方法，但20世纪后期出现了新型的空气分离设备，例如PSA制氮机和膜分离系统，这些设备更适合小规模生产或特定应用。1960年，美国工程师查尔斯·斯卡斯特罗姆（Charles Skarstrom）获得了变压吸附（PSA）技术的专利。PSA工艺使用吸附剂床（例如沸石分子筛），在高压下捕获空气中的一种组分，并在低压下释放，从而无需低温即可选择性地分离气体。到20世纪70年代，一些公司已将PSA装置商业化用于空气分离，提供了一种紧凑的现场制备中等纯度氧气或氮气的方法。真空变压吸附（VPSA）是PSA的一种改进型，带有真空再生功能，很快被应用于医疗保健和工业领域的高效氧气浓缩器（通常氧气浓度约为90-95%）。
大约在同一时期，聚合物科学的进步催生了气体膜分离技术。到了20世纪80年代，商用膜空气分离系统（主要由美国公司率先研发）开始面世，尤其适用于制氮。这些系统将压缩空气推入半透性中空纤维中；氧气（一种渗透速度更快的气体）富集渗透液，从而在出口处留下富氮产品。膜分离装置除了压缩机外没有其他运动部件，并且提供了一种轻便、模块化的方式来生产纯度通常为95%至99%的氮气。PSA和膜分离空气设备都占据了重要的市场空白：它们结构更简单、能耗更低，适用于小批量和中等纯度的氮气生产，即使它们无法与低温装置的超高纯度或大规模产量相媲美。
到20世纪后期，世界各地的工业气体公司（包括美国、欧洲、日本以及中国等新兴企业）都在利用这三种技术。低温空气分离装置（ASU）的规模达到了前所未有的水平，用于大宗生产，而变压吸附（PSA）装置和膜分离装置则广泛应用于实验室、医院和油田的现场气体供应。
21世纪的进步：数字化集成和超大型工厂
当今发展的另一大标志是先进数字系统的集成。现代空分装置配备了精密的控制和监控技术，这在20世纪初的先驱者看来是难以想象的。到了20世纪90年代，一些公司已经部署了首批无人值守的远程控制空分装置。如今，操作人员通常通过分布式控制系统（DCS）甚至基于云的监控系统来管理工厂，这些系统可以监控多个站点。实时传感器和自动化系统能够精确调节纯度和产量，以满足客户需求，并通过根据电价或电网状况调整运行来优化能源利用。预测性维护算法监控设备（例如压缩机和涡轮机）的运行状况，以防止停机，这反映了工业气体领域数字化转型的广泛趋势。简而言之，当前的空分设备不仅以更低的能源成本生产更多产品，而且其可靠性和自主性也达到了现代“智能”工厂的标准。
空气分离技术比较
为了总结主要空气分离方法之间的关键区别，下表对低温蒸馏、PSA/VPSA 和膜分离系统进行了技术比较。每种技术都有其独特的优势和理想的应用场景：
| 技术 | 可达到的纯度 | 输出能力 | 能源消耗 | 优势 | 典型应用 |
|---|---|---|---|---|---|
| 低温蒸馏 | 极高（O₂或N₂含量高达≥99.9%；也可能含有氩气和稀有气体） | 非常大（小型工厂的氧气产量约为 50 Nm³/h，巨型工厂的氧气产量超过 100,000 Nm³/h） | 单位体积能耗高（由于制冷；大型工厂 ~0.3 kWh/Nm³ O₂） | 生产多种高纯度气体（O₂、N₂、Ar） 大批量生产具有规模经济效益 | 钢铁厂、化工炼厂、气体供应商（散装液态氧气/氮气）、半导体制造（超高纯度气体） |
| 变压吸附（PSA/VPSA） | 中等（O₂ 含量约为 90–95%；N₂ 含量在多床装置中可达约 99% 以上） | 低至中等（从小型便携式装置到几百 Nm³/h 的工业装置） | 中等强度（主要为压缩机/真空作业；无需低温冷却） | 结构简单、模块化的设备，启动/关闭速度快 中小型企业资本成本较低 | 医院和玻璃/金属切割用现场制氧机、食品包装用氮气、化学工艺用惰性气体 |
| 膜分离 | 较低（通常 O₂ 富集度为 30–40%；N₂ 最高约为 95–99%） | 低至中等处理能力（可通过添加膜组件进行扩展，通常可达数百 Nm³/h） | 中等（压缩机驱动；纯度越高，效率越低） | 结构紧凑、重量轻、模块化设计，无活动部件 操作和维护最为简便 | 氮气保护（油气罐惰性化）、仪表空气干燥器、便携式氮气发生器、专用系统中的燃烧用富氧 |
全球影响和持续发展
从一百多年前的简陋起源，空气分离设备已发展成为全球现代工业的支柱产业。美国和欧洲率先在低温工艺方面进行创新，随后又引入了变压吸附（PSA）和膜分离技术。这些进步在全球范围内传播，使中国等国家得以迅速提升自身能力。近几十年来，中国对国内空气分离制造的投资不仅满足了国内需求，更在国际舞台上创造了多项纪录，建成了一些规模最大、能效最高的工厂。与此同时，全球合作仍在不断改进这些技术——例如，研究用于制氧的新型陶瓷离子传输膜，或结合低温和吸附步骤以提高效率的混合系统。
从第一台林德空气液化器到如今数字化管理的巨型工厂，每一次演进都体现了对更高纯度、产量和效率的不断追求。因此，空气分离设备的发展史不仅是机器的编年史，更是人类为满足日益增长的工业气体需求而展现出的智慧的见证。随着我们达到目前的先进水平，这一征程仍在继续，我们将通过持续的改进和大胆的创新，谱写该行业的新篇章。
