工业低温分离是现代工业气体供应链的核心，为全球钢铁、化工、能源和电子工厂提供大量的氧气、氮气和氩气。与小型现场压敏胶 (PSA) 或膜分离装置不同，工业低温分离通常是在对纯度、多产品灵活性和规模化低单位成本的要求高于简便性时的选择。对于工艺工程师和研究人员来说，了解这些工厂的设计、优化以及与下游单元的集成方式，现在已成为一项必备技能，而不是一项小众专业。
1. 工业低温分离在气体供应中的作用
空气分离装置（ASU）的主要功能很简单：将大气中的空气分离成氧气、氮气，以及在需要时分离成氩气和稀有气体。实际上，工业低温分离涵盖了广泛的操作范围：
- Capacity: from several hundred Nm³/h up to >120 000 Nm³/h of oxygen. 浙江大学学报
- 产品：气态 O₂ / N₂ 输送至管道，液态产品输送至罐车，有时也输送高纯度氩气或稀有气体。
- Purity: 管道供氧通常为 99.5–99.8%；半导体或特殊用途的氮气可低至 ppm 级 O₂。 delion+1
由于固定成本和能耗与工厂规模呈良好的线性关系，因此，在需求持续且以每天数百吨为单位计量的场合，工业低温分离成为经济效益的标杆。而规模较小的变压吸附 (PSA) 或膜分离系统则可满足特定需求或分散式负载。
2. 工业低温分离工艺基础
工业低温分离的核心在于利用氧气（-183℃）、氩气（-186℃）和氮气（-196℃）的正常沸点差异。该过程可分为三个主要部分：前端空气处理、冷箱和蒸馏以及产品调节。
2.1 空气压缩与净化
环境空气首先在整体齿轮式或离心式压缩机中被压缩至 5–10 bar(a)。在压缩机下游，必须清除空气中任何在低温条件下会冻结或发生反应的杂质：
- 后冷却和冷凝水去除以去除大量水。
- 采用分子筛净化技术，将H₂O和CO₂含量降低至<1 ppmv，并去除痕量碳氢化合物。这可以防止板翅式换热器中结冰和干冰，从而避免压降迅速增加并导致停机。jgt.irangi.org+1
前端净化系统通常采用双床再生式设计。当一个吸附床进行吸附时，另一个吸附床则通过减压和加热的废气流进行再生，这一过程由阀门顺序程序自动控制。
2.2 热交换、液化和蒸馏
在多流板翅式换热器中，净化后的空气被冷却至接近露点。低温产品流和废液流逆流升温，回收冷量并最大限度地减少能量损失。换热器最冷端的温度通常接近临界温度，因此热力设计和结垢控制至关重要。
采用传统的双列排列方式：
- 高压塔：冷空气从底部进入。随着冷空气上升，产生富氮蒸汽，而富氧液体则聚集在底部。
- 低压塔：在较低压力下运行以提高分离效果。来自高压塔的冷凝氮气通过冷凝器-再沸器对为低压塔提供回流。
通过精确平衡回流流量、压力水平以及塔盘或填料设计，空分装置可实现指定纯度的气态氧、氮气以及（可选）氩气。高纯氩气的生产需要一个专用的氩气塔，该塔连接到低压塔的中间抽气口。
2.3 制冷与能源集成
工业低温分离装置主要依靠两种制冷机制：
- 等熵膨胀在涡轮膨胀机中，一部分压缩空气膨胀到较低的温度和压力。
- 焦耳-汤姆逊节流用于液体生产和控制的阀门。
现代循环倾向于低压运行和高回收式换热效率，以降低压缩机功率。据报道，大型优化空分装置的单位功率约为 0.35 kWh/Nm³ O₂，而较老旧或优化程度较低的装置则在 0.5–0.7 kWh/Nm³ 范围内，具体取决于产品组合和液体负荷。
3. 工业低温分离与变压吸附和膜分离系统的比较
工艺工程师很少单独评估工业低温分离技术；他们通常会在给定的处理能力、纯度和压力条件下，将其与变压吸附 (PSA) 和膜分离技术进行比较。下表总结了实践中常见的典型范围。
Table 1 空气分离技术的典型操作范围
| 范围 | 工业低温分离（ASU） | PSA氮气发生器 | 膜氮系统 |
|---|---|---|---|
| 典型容量（N₂ 或 O₂）* | 5 000–120 000 Nm³/h | 50–1 500 Nm³/h (higher with modules) applications.messergroup.com+1 | 15–5 000 Nm³/h (application-dependent) samgasindia.com+1 |
| 主要产品 | O₂, N₂, Ar (gas & liquid) | N₂ gas | N₂ gas |
| 典型纯度范围 | O₂: 99.5–99.8 %; N₂: up to ppb O₂ delion+1 | 95–99.999 % N₂ applications.messergroup.com+2berg-gasetech.de+2 | 95–99.5 % N₂ mvsengg.com+2samgasindia.com+2 |
| 输送压力（气体） | 3–35 bar(g) with booster | Up to ~8 bar(g) typical | 6–12 bar(g) typical |
| 比功率（参考值）** | 0.35–0.70 kWh/Nm³ O₂ delion+3jgt.irangi.org+3engj.org+3 | 0.20–0.60 kWh/Nm³ N₂ applications.messergroup.com+2OXYMAT+2 | 通常比PSA低30-50%（≤99.5% N₂）。 THOMASMADE+1 |
| 每立方米/小时资本支出（相对值） | 高的 | 中等的 | 低至中等 |
| 对负载波动的响应 | 慢速至中速 | 快速地 | 速度非常快 |
* 处理能力范围仅供参考；大型定制化PSA或膜分离系统的处理能力可能超过这些数值。
** 基于已公布的工厂数据和供应商信息；实际数值取决于压力、纯度和设计。
简而言之，工业低温分离在高产能和高纯度方面占据主导地位，尤其适用于需要多种产品（包括液体）的情况。PSA 在中等规模、高氮气纯度方面具有竞争力，而膜分离则提供了一种简单、低维护的解决方案，适用于氮气纯度达到 95%–99% 的情况。
4. 设计和规模化考虑因素
从设计角度来看，工业低温分离是一个多变量优化问题。关键决策包括：
- 产品组合和比例。所需的 O₂/N₂/Ar 比例直接影响塔配置、氩气侧塔设计和压缩机尺寸。
- 液态产品与气态产品。增加液态产品生产用于备用或商业销售会增加制冷负荷和单位功率，但会提高灵活性。
- 操作压力水平。 较低的塔压会降低压缩能耗，但会增加塔高和塔板数；最佳压力可通过过程模拟和火用分析确定。西格德·斯科格达斯+1
- 材料和制造。铝板翅式换热器和不锈钢或铝制塔必须满足严格的清洁度和焊接质量要求，因为任何污染都可能在低温下引发聚合或堵塞。
放大通常基于成熟的参考设计。工程师会调整直径、塔盘数量和填料高度，但会将塔内结构和分配器几何形状保持在已验证的水力限制范围内。
5. 能源效率和优化策略
能源成本在工业低温分离的生命周期成本中占据主导地位。因此，大量的工程工作都集中在降低每立方米氧气或氮气的能耗上。
常用措施包括：
- 低压循环设计。现代工厂在较低的塔压下运行，并使用高效的板翅式换热器，从而降低压缩机排气压力和功率。
- 涡轮膨胀机优化。使膨胀机流量、压力比和入口条件与负荷曲线相匹配，可以显著影响制冷效率。
- 集成驱动和变速控制。变速主空气压缩机和增压压缩机有助于使能耗与实际需求和电价保持一致。
- 减少热泄漏。冷箱隔热（珍珠岩或真空板）、仔细密封穿透处以及控制冷箱周围的环境气流可减少蒸发损失和偏离设计损失。
- 先进的过程控制。基于模型的控制和在线优化可以调节塔回流比、膨胀机负荷和产品提取量，以在不同的环境和负荷条件下以最小的比功率保持纯度。
近期研究表明，当将火用分析应用于工业低温分离时，冷箱和压缩装置是火用损失的最大贡献者，这凸显了未来研究和改进设计的重点方向。西格德·斯科格达斯+1
6. 可靠性、运行和维护
对于许多最终用户而言，工业低温分离最重要的特性不是能源效率的最后一个百分点，而是能够在计划停机两次之间连续运行 2-3 年的能力。
运行可靠性取决于：
- 稳定的前端净化。水分或二氧化碳的穿透会迅速表现为主换热器压降的增加。定期监测床层温度曲线和穿透曲线至关重要。
- 清洁和过滤。 冷箱内会积聚油污、颗粒物或压缩机故障产生的碎屑。因此，必须使用精细聚结过滤器并严格执行油液管理制度。
- 旋转设备健康状况。 主空气压缩机和膨胀机需要进行振动监测、润滑油分析和基于状态的大修，以避免计划外停机。
- 仪表和安全系统。可靠的氧气分析仪、压力和液位变送器，以及经过测试的安全联锁装置，对于安全处理异常情况至关重要，尤其是在启动和负载变化期间。
在设计良好的工厂中，许多冷箱内部组件基本上都是“工厂寿命周期”的，维护工作主要集中在上游（压缩、净化）和下游（管道网络、灌装站）。
7. 应用背景和未来发展方向
工业低温分离技术正与其主要终端应用行业同步发展：
- 钢铁和有色金属冶金：高炉和碱性氧气转炉对氧气的需求量较高，加上富氧燃料再加热，有利于大型管道连接的空分装置。
- 化学品和炼油：与合成气、部分氧化和氧化工艺的结合正在推动与主电厂更紧密的热能和电力结合。
- 半导体和电子：对 N₂ 和 O₂ 纯度的更严格要求，以及稀有气体回收，正在影响氩气塔设计和尾气处理。
- 能源转型：蓝氢、碳捕获与封存 (CCS) 和富氧燃烧等概念通常假设能够可靠地获得大量氧气，即使在脱碳情景下，工业低温分离仍然至关重要。Thunder Said Energy+1
与此同时，PSA 和膜技术的改进正在蚕食低端产能范围，推动空分装置进一步向大规模、联网的角色发展，而不是孤立的“一次性”装置。
