先进低温空气分离技术：高效提取氮氧氩

空气含多种气体，氮(N₂)氧(O₂)合计占总体积~99.03%。干燥空气含~78.08%氮、~20.95%氧、~0.93%氩及微量氢、氖、氦、氪、氙、CO₂。环境空气含变量水蒸气及自然/人为产生气体。氧氮通过空气分离过程生产，即分离空气成分。稀有气体如氩、氪可作为空分副产品回收。

空气分离技术体系与低温精馏地位

分离空气成分通过特定空分技术实现。现有多种空分技术，各利用空气成分气体物性差异不同属性。即每种成分气体物性不同，空分通过利用物性如：(i) 分子尺寸区分；(ii) 扩散速率差；(iii) 特种材料吸附偏好；(iv) 沸点差异等实现。

现用技术含：低温、吸附、化学、聚合物膜、离子传输膜(ITM)。低温空分技术处生命周期成熟期，是现有技术中唯一可行的氧氮氩大规模量产手段。

空分技术用于生产气态/液态氧氮，部分厂生产气态/液态氩。所有空分过程始于空气压缩。所有空分厂采用非低温或低温技术。非低温厂常温分离生产气态氧氮，氧纯度典型90-95.5%，氮典型95.5-99.5%无氧。空分厂氮产量可超氧3倍以上，但通常维持氮氧产品比1:1至1.5:1。

低温空分历史与核心原理

低温工艺1895年Carl Von Linde首创，1900s George Claude改进小规模产氧供焊接切割医用。工业规模低温空分始于20世纪初，推动冶金等高度依赖氧氮氩工业发展。低温空分装置(ASP)特征：产品质量优、大产能、高可靠。虽有新兴空分技术，低温仍是制氧基础技术。低温装置常用于生产高纯气态产品，但限于需气量大应用（通常>数百吨/日分离气体）。可生产气态/液态产品。

低温空分技术利用气体沸点差分离。基于空气成分气体沸点不同，通过操控温压环境分离成分。1atm/0℃下氧沸点-182.9℃，6atm/0℃下-160.7℃。氮对应-195.8℃/-176.6℃，氩-185.8℃/-164.6℃。

满足三标准任一时低温分离最有效：(i) 需高纯氧（>99.5%）；(ii) 大氧量（>100t O₂/日）；(iii) 高压氧。低温空分器启动>1小时。因能产极高纯氧，废氮流可用质量，为集成低温空分工艺带来可观经济效益。

低温空分核心工序

低温空分分离涉及多工序组合，基础五工序：(i) 空气压缩；(ii) 空气净化；(iii) 换热；(iv) 精馏；(v) 产品压缩。图1展示这些工序。

图1 低温空分基础工序

低温空分厂基于低温空分工艺。基础工艺自20世纪初商业化以来持续工业化发展。为尽可能高效生产特定气体产品组合及所需纯度压力，涌现大量工艺配置变型。空分工艺循环随压缩机械、换热器、精馏技术、气体膨胀机技术进步并行演进。

精馏工艺是核心，执行空气成分实际分离。空气产品按纯度生产，纯度定义为100%纯产品量/输出总产品量比。

精馏用塔板。塔板基本功能：使下降液体与上升气体高效接触。塔板实现：(i) 上升气体冷却部分冷凝；(ii) 下降液体加热部分汽化。图2展示典型分馏塔及分馏塔板。塔仅一汽化器一冷凝器。精馏依赖高效液气接触，通过下降液上升气适当接触实现。各塔板最易挥发/难挥发元素纯度不同，塔顶塔底两极端得纯元素。

图2 氧氮生产典型分馏塔及分馏塔板

图2显示塔板给上升气体阻力产生压降。压降应尽可能小，因显著影响空压机能耗，也是塔板技术开发重要参数。填料精馏作为另一技术，相对分馏塔板确保更小总压降且改善液气接触。

产氧需底部带汽化器的氧氮液混合物塔；产氮需顶部带冷凝器的氧氮气混合物塔，并产富氧副产品。将两塔垂直堆叠，将氮塔底部得富氧液路由至氧塔顶部，仅用一冷凝器即可产氧氮。图2展示此结构。

富氧液入上塔顶，经精馏得塔底液氧(LOX)。LOX汽化为气氧(GOX)通过上塔底部LOX与下塔顶部气氮(GAN)换热实现。上塔顶亦产废气（氮氧混合气）。实践中冷凝器功能由换热器履行，确保GAN与LOX间适当传热实现LOX汽化和GAN冷凝，维持分馏塔连续运行。模型中塔垂直堆叠，实践中偶尔并排布置。

低温空分为高能耗低温过程，分离空气成分气体。氧分离能耗随纯度升高增加。电能成本是空分厂最大单项运营成本，通常占生产气液产品运营成本1/3-2/3。钢铁业大量用氧氮氩，气价影响钢材生产成本。ASP能效显著受氧氮产品比影响，可按需调整。

氧从空气分离热力学最小功=53.1 kWh/t氧。当前最优低温ASP能耗超热力学最小值~3倍。

工艺复杂度、设备物理尺寸、运行能耗随气液产品数量、纯度、交付压力变化。仅产氮气厂比仅产氧气厂简单、耗电少。共产两气增加资本成本但提升能效。液态产品需额外设备、单位气体耗电超气态2倍以上。

氩仅作为氧副产品经济。高纯氩增大装置物理尺寸复杂度。图3展示典型低温空分厂流程图，显示各组件典型相互关系，实际关系随设计变化满足需求。

图3 典型低温空分厂流程图

低温空分工艺步骤详解

步骤1：进气过滤压缩冷却。视产品组合压力需求，空气通常压缩至5-8MPa。经级间冷却器串联及末级后冷却器，压缩空气冷却，大部分水蒸气冷凝除去。

步骤2：杂质去除。主去除残余水蒸气+CO₂，满足产品质量规格、进入精馏前处理。两基本路线：(i) 分子筛装置；(ii) 切换换热器。新建空分厂多用分子筛预净化装置除水除CO₂。切换换热器对小厂更具成本效益。用切换换热器厂，压缩空气冷却在两组钎焊铝换热器完成。用切换换热器时，冷吸附装置除烃。

步骤3：对向产品废气流换热降至低温（-185℃）。钎焊铝换热器实现进料空气与分离过程冷产品废气流换热。换热中排出气流升温至接近环境温度。从产品废气流回收冷量最小化装置制冷负荷。低温精馏所需极低温由制冷过程产生，含一个/多个高压工艺流膨胀。

步骤4：精馏分离得目标产品。制氧用两串联精馏塔（常称高低压塔）。制氮可单塔但多双塔。氮自各塔顶析出，氧自塔底析出。初塔（高压）产粗氧在二塔（低压）进一步提纯。氩沸点近氧优先随氧。需高纯氧须除氩。除氩在低压塔氩浓度最高点进行。除出氩通常在与低压塔集成的额外"引出"粗氩精馏塔精炼。冷气态产品粗氩可排放、现场深加工、收集液态或汽化产气态氩。

空分塔废气流经前端换热器回流。升温至近环温时冷却进料空气。进料产品流换热最小化净制冷负荷、降低能耗。

制冷循环：低温产生制冷补偿冷设备热泄漏、进出气流换热不完美。空分厂制冷循环中，一个/多个高压流（进气、氮、废气、原料气、产品气视厂型）降压致流股降温。为最大化降温能效，降压(膨胀)在膨胀机(涡轮形式)内进行。从气流移除能量降温比单纯节流阀降温更多。膨胀机产能量驱动工艺压缩机、发电机或其他耗能设备。

产品压缩输送。气态产品通常从冷箱（含精馏塔等低温设备绝缘容器）以相对低压出（常略>1atm绝对压）。一般交付压力越低分离提纯效率越高。产品气再经压缩机压缩至使用压力。

冷箱保温。极低温运行部件（精馏塔、换热器、冷连接管道）须良好绝热。这些项位于密封(氮吹扫)"冷箱"内，横截面矩形/圆形较高结构。冷箱填充岩棉绝热最小化对流。视厂型产能，冷箱边长2-4m、高15-60m。

氩气生产

纯氩典型从粗氩多步骤生产。传统法：脱氧单元去除粗氩中2-3%氧。小装置催化剂容器中氧氢化合，生成水经冷却后分子筛干燥器易除。无氧氩流经"纯氩"精馏塔除残余氮未反应氢。

填料塔精馏技术进步创造第二选项：全低温氩回收，用极高（小直径）精馏塔完成困难氩氧分离。装置氩产量受精馏系统氧处理量及影响回收率其他变量限制。含液氧产量、装置运行稳定性。因空气天然气体比例，氩产量体积不超氧进料4.4%，重量不超5.5%。

液态产品生产

低温空分厂产液态产品时，通常向基础厂添加/集成补充制冷单元，称液化器，以氮为主工质。液化器产能范围：空分厂产能小分数至氧氮氩最大产能。

液化器基础工艺循环数十年未变。典型液化器接收近常温常压氮，压缩冷却再膨胀高压流产冷量。新旧液化器主差别：钎焊铝换热器最高工作压力等级随制造技术进步提高。采用更高峰值循环压力高效膨胀机的新液化器比30年前建造者更节能。