空氣由各種氣體組成，其中氮氣（N2）和氧氣（O2）共占樣品總體積的99.03%左右。幹燥的空氣中含有大約78.08%的氮氣，大約20.95%的氧氣和大約0.93%的氩氣，以及一些其他氣體的痕迹，如氫氣、氖氣、氦氣、氪氣、氙氣和二氧化碳。環境空氣可能含有不同數量的水蒸氣（取決于濕度）和其他由自然過程和人類活動産生的氣體。 氧氣和氮氣是通過空氣分離過程産生的，這需要将空氣分離成其成分。稀有氣體，例如氩氣、氪氣可以作為空氣分離過程的副産品被回收。

将空氣分離成其組成氣體是通過實施特定的空氣分離技術完成的。目前有不同的空氣分離技術，每一種技術都旨在利用空氣組成氣體之間物理性質的不同屬性。換句話說，空氣分離技術是基于這樣一個事實，即空氣中的每一種組成氣體都有不同的物理特性，因此，空氣分離是通過利用某種物理特性來實現的，如（i）區分組成氣體的分子大小，（ii）區分通過某些材料的擴散速度差異，（iii）特殊材料對某些氣體的吸附偏好，以及（iv）沸騰溫度差異等。

今天使用的一些技術包括低溫、吸附、化學過程、聚合膜和離子傳輸膜（ITM）。在這些技術中，低溫空氣分離技術處于其生命周期的成熟階段，因此，它是目前現有技術中唯一可行的方法，用于大規模生産氧氣、氮氣和氩氣等空氣産品。

空氣分離技術被用于生産氧氣和/或氮氣，有時也作為液體産品。一些設備也生産氩氣，要麼是氣體，要麼是液體，要麼是兩者都有。 所有空氣分離過程都是從壓縮空氣開始的。所有空氣分離廠都采用非低溫技術或低溫技術。 采用非低溫空氣分離技術的空氣分離廠使用接近環境溫度的分離過程生産氣态氧氣或氮氣産品。這些設備生産的氧氣通常純度為90％至95.5％，或氮氣通常為95.5％至99.5％無氧。空氣分離設備可以生産比氧氣多三倍以上的氮氣，但通常保持1:1至1.5:1的氮氧産品比例。

低溫工藝是由卡爾-馮-林德在1895年首次開發的，并由喬治-克勞德在1900年代進行了改進，用于小規模生産氧氣，以滿足各種工業流程的要求，如焊接和切割，以及作為醫療氣體。

工業規模的低溫空氣分離始于20世紀初，促進了冶金業和其他高度依賴氧氣、氮氣和氩氣的工業部門的發展。低溫空氣分離設備（ASP）的特點是産品質量好、容量大、可靠性高。盡管有其他新興的空氣分離技術，低溫空氣分離技術仍然是氧氣生産的基本技術。低溫空氣分離設備最常用于生産高純度的氣體産品。然而，對于需要大量氣體的應用來說，這種技術的使用受到限制，通常每天需要幾百噸以上的分離氣體。他們可以生産氣體或液體産品。

低溫空氣分離技術是利用氣體的沸點差異進行分離。它是基于這樣一個事實，即空氣的不同組成氣體具有不同的沸點，通過在溫度和壓力方面操縱直接環境，空氣可以被分離成其組成部分。氧氣在1個大氣壓和0攝氏度下的沸點是零下182.9攝氏度，在6個大氣壓和0攝氏度下的沸點是零下160.7攝氏度。氮氣的相應沸點是零下195.8攝氏度和零下176.6攝氏度，氩氣的沸點分别是零下185.8攝氏度和零下164.6攝氏度。

當需要滿足三個标準中的任何一個時，低溫分離是最有效的工藝，即（i）需要高純度的氧氣（高于99.5%），（ii）需要大量的氧氣（大于100噸氧氣/天），或者（iii）需要高壓氧氣。低溫空氣分離器需要一個多小時的時間來啟動。此外，由于低溫技術可以産生如此高純度的氧氣，廢氮流也具有可用的質量。這可以為與低溫空氣分離設備相結合的工藝增加相當大的經濟效益。

将空氣低溫分離成其組成氣體涉及各種工藝。在低溫空氣分離設備中需要将這些過程結合起來，其中最基本的是（i）空氣壓縮，（ii）空氣淨化，（iii）熱交換，（iv）蒸餾，和（v）産品壓縮。圖1顯示了這些過程。

圖1 涉及低溫空氣分離的基本過程

低溫空氣分離設備是以低溫空氣分離過程為基礎的。 自20世紀初商業化以來，該基本工藝作為一種工業工藝一直在不斷發展。由于希望在各種所需的純度和壓力水平下盡可能有效地生産特定的氣體産品和産品組合，已經出現了大量的工藝配置變化。這些空氣分離工藝循環與壓縮機械、熱交換器、蒸餾技術和氣體膨脹機技術的進步同步發展。

蒸餾過程是整個過程的核心，因為它将空氣實際分離成其成分。生産的空氣産品具有一定的純度，這被定義為100％純空氣産品的數量與輸出的空氣産品總量的比率。

在蒸餾過程中，使用了托盤。托盤的基本功能是使下降的液體和上升的氣體有效接觸。因此，托盤為（i）冷卻和部分冷凝上升的氣體，以及（ii）加熱和部分汽化下降的液體提供了舞台。圖2顯示了一個帶有分餾盤的典型蒸餾塔。這個蒸餾柱隻有一個蒸餾器和一個冷凝器。蒸餾是通過有效的液體-氣體接觸實現的，而這是通過下降的液體和上升的氣體之間的适當接觸實現的。最易揮發和較難揮發的元素的各自純度在每個托盤上都不同，蒸餾柱的下側和上側是兩個極端，這也是獲得純淨元素的地方。

圖2 用于生産氧氣和氮氣的帶有分餾盤的典型蒸餾塔

圖2顯示，托盤為上升的氣體提供了一定的阻力，因此産生了壓降。壓降要盡可能小，因為它對空氣壓縮機的能源消耗有很大影響，也是托盤技術發展的一個重要參數。蒸餾填料是正在使用的另一項技術，與部分蒸餾托盤相比，它可以确保總壓降小得多，并改善液體-氣體接觸。

為了生産氧氣，需要氧氣和氮氣的液體混合物和一個底部裝有汽化器的柱子，而為了生産氮氣，需要氧氣和氮氣的氣體混合物和一個頂部裝有冷凝器的柱子，在這個過程中，也會産生一種富含氧氣的副産品。通過将這兩種類型的柱子堆疊在一起，并将在氮氣柱底部獲得的富氧液體輸送到氧氣柱的頂部，就有可能隻用一個冷凝器來生産氧氣和氮氣。這在圖2中顯示。

富氧液體進入上部蒸餾塔的頂部，通過蒸餾，在同一塔的底部産生液态氧（LOX）。通過下層蒸餾塔頂部的氣态氮（GAN）和上層蒸餾塔底部的液态氧之間的熱交換，液态氧汽化為氣态氧（GOX）。在上層塔的頂部也會産生一種廢品，由氮氣和氧氣的混合氣體組成。

在實踐中，冷凝器的功能由一個熱交換器完成，它确保适當的熱量從GAN轉移到LOX，反之亦然，以便使LOX汽化和GAN冷凝，這是蒸餾塔連續運行所需要的。在這個模型中，蒸餾塔是相互堆疊的，但也有可能将它們并排放置，就像實踐中偶爾做的那樣。

低溫空氣分離過程是一個能源密集型的低溫過程，将空氣分離成其組成氣體。氧氣分離的能源消耗是氧氣純度的一個增加函數。電能成本是空氣分離廠發生的最大的單一運營成本。它通常在與生産氣體和液體産品有關的運營成本的三分之一或三分之二的範圍内。由于鋼鐵行業廣泛使用氧氣、氮氣和氩氣，這些氣體的價格影響到鋼鐵和鋼鐵産品的生産成本。ASP的能源效率在很大程度上受到氧氣和氮氣生産比例的影響，可以根據要求改變。

圖3 一個典型的低溫空氣分離廠的流程圖

空氣分離的低溫過程中的步驟

在空氣分離的低溫過程中，有幾個步驟。第一步是對進入的空氣進行過濾、壓縮和冷卻。在大多數情況下，空氣被壓縮在5兆帕和8兆帕之間，這取決于産品結構和所需的産品壓力。在這一步驟中，壓縮空氣被冷卻，當空氣通過一系列的級間冷卻器和最後一級壓縮後的後冷卻器時，進入空氣中的大部分水蒸氣被冷凝和去除。

第二步包括去除雜質，特别是，但不限于，殘留的水蒸氣和二氧化碳（CO2）。這些成分被去除，以滿足産品質量規格，并在空氣進入設備的蒸餾部分之前。有兩種去除水蒸氣和二氧化碳的基本方法。它們是（i）分子篩裝置（ii）反轉交換器。大多數新的空氣分離廠都采用分子篩預淨化裝置來去除進入的空氣中的水蒸氣和二氧化碳。用于去除水蒸氣和二氧化碳的換熱器對較小的設備來說更具成本效益。在利用換熱器的設備中，壓縮空氣進料的冷卻是在兩套釺焊鋁熱交換器中完成的。當使用逆轉式熱交換器時，安裝冷吸收裝置以去除任何碳氫化合物。

第三步是針對産品和廢氣流的額外傳熱，以使氣流達到低溫（-185攝氏度）。這種冷卻是在釺焊鋁制熱交換器中進行的，它允許在進入的空氣進料和離開分離過程的冷産品和廢氣流之間進行熱交換。 在熱交換過程中，離開的氣體流被加熱到接近環境空氣的溫度。 從氣态産品流和廢氣流中回收制冷，可以最大限度地減少設備生産的制冷量。低溫蒸餾所需的非常低的溫度是由一個制冷過程産生的，其中包括一個或多個高壓過程流的膨脹。

第四步是蒸餾過程，将空氣分離成所需産品。為了制造氧氣，蒸餾系統使用兩個串聯的蒸餾柱，通常稱為高壓和低壓柱。 制氮機可以隻有一個柱子，盡管很多有兩個。 氮氣從每個蒸餾柱的頂部離開，而氧氣則從底部離開。 在初始（高壓）塔中産生的不純氧在第二個低壓塔中進一步提純。氩氣的沸點與氧氣的沸點相似，并優先與氧氣呆在一起。如果需要高純度的氧氣，那麼就要去除氩氣。去除氩氣是在低壓柱中氩氣濃度最高的地方進行的。 被去除的氩氣，通常在一個額外的 "牽引 "粗氩蒸餾塔中處理，該蒸餾塔與低壓柱氩氣精煉設施是一體的。冷氣态産品和粗氩可以被排放出去，在現場進一步加工，或作為液體收集，或汽化以産生氣态氩。

從空氣分離柱中出來的廢物流通過前端的熱交換器被送回。 當它們被加熱到接近環境溫度時，就會對進入的空氣進行冷卻。 進料和産品流之間的熱交換使設備的淨制冷負荷最小化，從而使能源消耗最小化。

制冷是在低溫水平下産生的，以補償進入冷設備的熱量洩漏和進出氣體流之間的不完全熱交換。在空分廠的制冷循環中，一個或多個高壓氣流（可以是進氣、氮氣、廢氣、進料氣體或産品氣體，這取決于設備的類型）被降低壓力，從而冷卻氣流。為了最大限度地提高冷卻和設備的能源效率，減壓（或膨脹）是在膨脹機（一種形式的渦輪機）内進行的。 從氣流中去除能量，使其溫度比通過閥門的簡單膨脹更低。 膨脹機産生的能量被用來驅動工藝壓縮機、發生器或任何其他能源消耗設備。

氣态産品通常在相對較低的壓力下離開冷箱（包含蒸餾塔和其他在非常低的溫度下運行的設備的絕緣容器），經常剛剛超過一個大氣壓（絕對值）。 一般來說，輸送壓力越低，分離和淨化過程的效率就越高。然後，産品氣體在壓縮機中被壓縮到産品氣體所需的壓力，以供其使用。

低溫空氣分離過程中在非常低的溫度下運行的部分（例如蒸餾塔、熱交換器和冷互連管道）要有良好的絕緣性。 這些項目位于密封（和氮氣吹掃）的 "冷箱 "内，冷箱是相對較高的結構，截面為矩形或圓形。冷箱内裝有岩棉，以提供絕緣并盡量減少對流。根據設備的類型和能力，冷箱的邊長可以達到2米到4米，高度為15米到60米。

氩氣的生産

純淨的氩氣通常是通過多步驟工藝從粗氩中生産出來的。傳統的方法是在 "脫氧 "裝置中去除粗氩中存在的2%至3%的氧氣。 這些小型裝置在一個含有催化劑的容器中把氧氣和氫氣化學地結合起來。由此産生的水在分子篩幹燥器中很輕松被去除（冷卻後）。然後，無氧氩氣流在 "純氩 "蒸餾塔中被處理，以去除殘留的氮和未反應的氫。

填料柱蒸餾技術的進步創造了第二種氩氣生産方式，即完全低溫氩氣回收，它使用非常高（但直徑小）的蒸餾柱來進行困難的氩氣/氧氣分離。一個設備所能生産的氩氣量受到蒸餾系統中處理的氧氣量的限制，再加上其他一些影響回收率的變量。這些變量包括作為液體生産的氧氣量和設備運行條件的穩定性。由于空氣中自然形成的氣體比例，氩氣産量按體積計算不能超過氧氣進料率的4.4%，或按重量計算不能超過5.5%。

液體産品的生産

當在低溫空分設備中生産液體産品時，通常會在基本的空分設備中加入（或集成）一個補充的制冷裝置。這個裝置被稱為液化器，使用氮氣作為主要工作液體。 液化器的容量可以從空分設備容量的一小部分到空分設備的氧氣加氮氣和氩氣的最大生産能力。

液化器中使用的基本工藝循環幾十年來一直沒有改變。一個典型的液化器吸入接近環境溫度和壓力的氮氣，将其壓縮，冷卻，然後将高壓氣流膨脹以産生制冷。較新和較舊的液化器之間的基本區别是，随着低溫熱交換器制造技術的改進，低溫熱交換器的最大工作壓力等級已經提高。如果一個典型的新液化器采用了更高的峰值循環壓力和更高效率的膨脹器，那麼它的能源效率可能比三十年前的液化器更高。

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