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 空氣由各種氣體組成，其中氮?dú)猓∟2）和氧氣（O2）共占樣品總體積的99.03%左右。干燥的空氣中含有大約78.08%的氮?dú)?，大約20.95%的氧氣和大約0.93%的氬氣，以及一些其他氣體的痕跡，如氫氣、氖氣、氦氣、氪氣、氙氣和二氧化碳。環(huán)境空氣可能含有不同數(shù)量的水蒸氣（取決于濕度）和其他由自然過(guò)程和人類活動(dòng)產(chǎn)生的氣體。 氧氣和氮?dú)馐峭ㄟ^(guò)空氣分離過(guò)程產(chǎn)生的，這需要將空氣分離成其成分。稀有氣體，例如氬氣、氪氣可以作為空氣分離過(guò)程的副產(chǎn)品被回收。

將空氣分離成其組成氣體是通過(guò)實(shí)施特定的空氣分離技術(shù)完成的。目前有不同的空氣分離技術(shù)，每一種技術(shù)都旨在利用空氣組成氣體之間物理性質(zhì)的不同屬性。換句話說(shuō)，空氣分離技術(shù)是基于這樣一個(gè)事實(shí)，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(guò)利用某種物理特性來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如（i）區(qū)分組成氣體的分子大小，（ii）區(qū)分通過(guò)某些材料的擴(kuò)散速度差異，（iii）特殊材料對(duì)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(shù)包括低溫、吸附、化學(xué)過(guò)程、聚合膜和離子傳輸膜（ITM）。在這些技術(shù)中，低溫空氣分離技術(shù)處于其生命周期的成熟階段，因此，它是目前現(xiàn)有技術(shù)中唯一可行的方法，用于大規(guī)模生產(chǎn)氧氣、氮?dú)夂蜌鍤獾瓤諝猱a(chǎn)品。

空氣分離技術(shù)被用于生產(chǎn)氧氣和/或氮?dú)?，有時(shí)也作為液體產(chǎn)品。一些設(shè)備也生產(chǎn)氬氣，要么是氣體，要么是液體，要么是兩者都有。 所有空氣分離過(guò)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(shù)或低溫技術(shù)。 采用非低溫空氣分離技術(shù)的空氣分離廠使用接近環(huán)境溫度的分離過(guò)程生產(chǎn)氣態(tài)氧氣或氮?dú)猱a(chǎn)品。這些設(shè)備生產(chǎn)的氧氣通常純度為90％至95.5％，或氮?dú)馔ǔ?5.5％至99.5％無(wú)氧?？諝夥蛛x設(shè)備可以生產(chǎn)比氧氣多三倍以上的氮?dú)猓ǔ１３?:1至1.5:1的氮氧產(chǎn)品比例。

低溫工藝是由卡爾-馮-林德在1895年首次開發(fā)的，并由喬治-克勞德在1900年代進(jìn)行了改進(jìn)，用于小規(guī)模生產(chǎn)氧氣，以滿足各種工業(yè)流程的要求，如焊接和切割，以及作為醫(yī)療氣體。

工業(yè)規(guī)模的低溫空氣分離始于20世紀(jì)初，促進(jìn)了冶金業(yè)和其他高度依賴氧氣、氮?dú)夂蜌鍤獾墓I(yè)部門的發(fā)展。低溫空氣分離設(shè)備（ASP）的特點(diǎn)是產(chǎn)品質(zhì)量好、容量大、可靠性高。盡管有其他新興的空氣分離技術(shù)，低溫空氣分離技術(shù)仍然是氧氣生產(chǎn)的基本技術(shù)。低溫空氣分離設(shè)備最常用于生產(chǎn)高純度的氣體產(chǎn)品。然而，對(duì)于需要大量氣體的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這種技術(shù)的使用受到限制，通常每天需要幾百噸以上的分離氣體。他們可以生產(chǎn)氣體或液體產(chǎn)品。

低溫空氣分離技術(shù)是利用氣體的沸點(diǎn)差異進(jìn)行分離。它是基于這樣一個(gè)事實(shí)，即空氣的不同組成氣體具有不同的沸點(diǎn)，通過(guò)在溫度和壓力方面操縱直接環(huán)境，空氣可以被分離成其組成部分。氧氣在1個(gè)大氣壓和0攝氏度下的沸點(diǎn)是零下182.9攝氏度，在6個(gè)大氣壓和0攝氏度下的沸點(diǎn)是零下160.7攝氏度。氮?dú)獾南鄳?yīng)沸點(diǎn)是零下195.8攝氏度和零下176.6攝氏度，氬氣的沸點(diǎn)分別是零下185.8攝氏度和零下164.6攝氏度。

當(dāng)需要滿足三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中的任何一個(gè)時(shí)，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(gè)多小時(shí)的時(shí)間來(lái)啟動(dòng)。此外，由于低溫技術(shù)可以產(chǎn)生如此高純度的氧氣，廢氮流也具有可用的質(zhì)量。這可以為與低溫空氣分離設(shè)備相結(jié)合的工藝增加相當(dāng)大的經(jīng)濟(jì)效益。

將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(shè)備中需要將這些過(guò)程結(jié)合起來(lái)，其中最基本的是（i）空氣壓縮，（ii）空氣凈化，（iii）熱交換，（iv）蒸餾，和（v）產(chǎn)品壓縮。圖1顯示了這些過(guò)程。

圖1 涉及低溫空氣分離的基本過(guò)程

低溫空氣分離設(shè)備是以低溫空氣分離過(guò)程為基礎(chǔ)的。 自20世紀(jì)初商業(yè)化以來(lái)，該基本工藝作為一種工業(yè)工藝一直在不斷發(fā)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產(chǎn)特定的氣體產(chǎn)品和產(chǎn)品組合，已經(jīng)出現(xiàn)了大量的工藝配置變化。這些空氣分離工藝循環(huán)與壓縮機(jī)械、熱交換器、蒸餾技術(shù)和氣體膨脹機(jī)技術(shù)的進(jìn)步同步發(fā)展。

蒸餾過(guò)程是整個(gè)過(guò)程的核心，因?yàn)樗鼘⒖諝鈱?shí)際分離成其成分。生產(chǎn)的空氣產(chǎn)品具有一定的純度，這被定義為100％純空氣產(chǎn)品的數(shù)量與輸出的空氣產(chǎn)品總量的比率。

在蒸餾過(guò)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臺(tái)。圖2顯示了一個(gè)帶有分餾盤的典型蒸餾塔。這個(gè)蒸餾柱只有一個(gè)蒸餾器和一個(gè)冷凝器。蒸餾是通過(guò)有效的液體-氣體接觸實(shí)現(xiàn)的，而這是通過(guò)下降的液體和上升的氣體之間的適當(dāng)接觸實(shí)現(xiàn)的。最易揮發(fā)和較難揮發(fā)的元素的各自純度在每個(gè)托盤上都不同，蒸餾柱的下側(cè)和上側(cè)是兩個(gè)極端，這也是獲得純凈元素的地方。

圖2 用于生產(chǎn)氧氣和氮?dú)獾膸в蟹逐s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，因此產(chǎn)生了壓降。壓降要盡可能小，因?yàn)樗鼘?duì)空氣壓縮機(jī)的能源消耗有很大影響，也是托盤技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要參數(shù)。蒸餾填料是正在使用的另一項(xiàng)技術(shù)，與部分蒸餾托盤相比，它可以確?？倝航敌〉枚?，并改善液體-氣體接觸。

為了生產(chǎn)氧氣，需要氧氣和氮?dú)獾囊后w混合物和一個(gè)底部裝有汽化器的柱子，而為了生產(chǎn)氮?dú)?，需要氧氣和氮?dú)獾臍怏w混合物和一個(gè)頂部裝有冷凝器的柱子，在這個(gè)過(guò)程中，也會(huì)產(chǎn)生一種富含氧氣的副產(chǎn)品。通過(guò)將這兩種類型的柱子堆疊在一起，并將在氮?dú)庵撞揩@得的富氧液體輸送到氧氣柱的頂部，就有可能只用一個(gè)冷凝器來(lái)生產(chǎn)氧氣和氮?dú)?。這在圖2中顯示。

富氧液體進(jìn)入上部蒸餾塔的頂部，通過(guò)蒸餾，在同一塔的底部產(chǎn)生液態(tài)氧（LOX）。通過(guò)下層蒸餾塔頂部的氣態(tài)氮（GAN）和上層蒸餾塔底部的液態(tài)氧之間的熱交換，液態(tài)氧汽化為氣態(tài)氧（GOX）。在上層塔的頂部也會(huì)產(chǎn)生一種廢品，由氮?dú)夂脱鯕獾幕旌蠚怏w組成。

在實(shí)踐中，冷凝器的功能由一個(gè)熱交換器完成，它確保適當(dāng)?shù)臒崃繌腉AN轉(zhuǎn)移到LOX，反之亦然，以便使LOX汽化和GAN冷凝，這是蒸餾塔連續(xù)運(yùn)行所需要的。在這個(gè)模型中，蒸餾塔是相互堆疊的，但也有可能將它們并排放置，就像實(shí)踐中偶爾做的那樣。

低溫空氣分離過(guò)程是一個(gè)能源密集型的低溫過(guò)程，將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(gè)增加函數(shù)。電能成本是空氣分離廠發(fā)生的最大的單一運(yùn)營(yíng)成本。它通常在與生產(chǎn)氣體和液體產(chǎn)品有關(guān)的運(yùn)營(yíng)成本的三分之一或三分之二的范圍內(nèi)。由于鋼鐵行業(yè)廣泛使用氧氣、氮?dú)夂蜌鍤?，這些氣體的價(jià)格影響到鋼鐵和鋼鐵產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。ASP的能源效率在很大程度上受到氧氣和氮?dú)馍a(chǎn)比例的影響，可以根據(jù)要求改變。

圖3 一個(gè)典型的低溫空氣分離廠的流程圖

空氣分離的低溫過(guò)程中的步驟

在空氣分離的低溫過(guò)程中，有幾個(gè)步驟。第一步是對(duì)進(jìn)入的空氣進(jìn)行過(guò)濾、壓縮和冷卻。在大多數(shù)情況下，空氣被壓縮在5兆帕和8兆帕之間，這取決于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和所需的產(chǎn)品壓力。在這一步驟中，壓縮空氣被冷卻，當(dāng)空氣通過(guò)一系列的級(jí)間冷卻器和最后一級(jí)壓縮后的后冷卻器時(shí)，進(jìn)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(zhì)，特別是，但不限于，殘留的水蒸氣和二氧化碳（CO2）。這些成分被去除，以滿足產(chǎn)品質(zhì)量規(guī)格，并在空氣進(jìn)入設(shè)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(zhuǎn)交換器。大多數(shù)新的空氣分離廠都采用分子篩預(yù)凈化裝置來(lái)去除進(jìn)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(duì)較小的設(shè)備來(lái)說(shuō)更具成本效益。在利用換熱器的設(shè)備中，壓縮空氣進(jìn)料的冷卻是在兩套釬焊鋁熱交換器中完成的。當(dāng)使用逆轉(zhuǎn)式熱交換器時(shí)，安裝冷吸收裝置以去除任何碳?xì)浠衔铩?/p>

第三步是針對(duì)產(chǎn)品和廢氣流的額外傳熱，以使氣流達(dá)到低溫（-185攝氏度）。這種冷卻是在釬焊鋁制熱交換器中進(jìn)行的，它允許在進(jìn)入的空氣進(jìn)料和離開分離過(guò)程的冷產(chǎn)品和廢氣流之間進(jìn)行熱交換。 在熱交換過(guò)程中，離開的氣體流被加熱到接近環(huán)境空氣的溫度。 從氣態(tài)產(chǎn)品流和廢氣流中回收制冷，可以最大限度地減少設(shè)備生產(chǎn)的制冷量。低溫蒸餾所需的非常低的溫度是由一個(gè)制冷過(guò)程產(chǎn)生的，其中包括一個(gè)或多個(gè)高壓過(guò)程流的膨脹。

第四步是蒸餾過(guò)程，將空氣分離成所需產(chǎn)品。為了制造氧氣，蒸餾系統(tǒng)使用兩個(gè)串聯(lián)的蒸餾柱，通常稱為高壓和低壓柱。 制氮機(jī)可以只有一個(gè)柱子，盡管很多有兩個(gè)。 氮?dú)鈴拿總€(gè)蒸餾柱的頂部離開，而氧氣則從底部離開。 在初始（高壓）塔中產(chǎn)生的不純氧在第二個(gè)低壓塔中進(jìn)一步提純。氬氣的沸點(diǎn)與氧氣的沸點(diǎn)相似，并優(yōu)先與氧氣呆在一起。如果需要高純度的氧氣，那么就要去除氬氣。去除氬氣是在低壓柱中氬氣濃度最高的地方進(jìn)行的。 被去除的氬氣，通常在一個(gè)額外的 "牽引 "粗氬蒸餾塔中處理，該蒸餾塔與低壓柱氬氣精煉設(shè)施是一體的。冷氣態(tài)產(chǎn)品和粗氬可以被排放出去，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)一步加工，或作為液體收集，或汽化以產(chǎn)生氣態(tài)氬。

從空氣分離柱中出來(lái)的廢物流通過(guò)前端的熱交換器被送回。 當(dāng)它們被加熱到接近環(huán)境溫度時(shí)，就會(huì)對(duì)進(jìn)入的空氣進(jìn)行冷卻。 進(jìn)料和產(chǎn)品流之間的熱交換使設(shè)備的凈制冷負(fù)荷最小化，從而使能源消耗最小化。

制冷是在低溫水平下產(chǎn)生的，以補(bǔ)償進(jìn)入冷設(shè)備的熱量泄漏和進(jìn)出氣體流之間的不完全熱交換。在空分廠的制冷循環(huán)中，一個(gè)或多個(gè)高壓氣流（可以是進(jìn)氣、氮?dú)?、廢氣、進(jìn)料氣體或產(chǎn)品氣體，這取決于設(shè)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(shè)備的能源效率，減壓（或膨脹）是在膨脹機(jī)（一種形式的渦輪機(jī)）內(nèi)進(jìn)行的。 從氣流中去除能量，使其溫度比通過(guò)閥門的簡(jiǎn)單膨脹更低。 膨脹機(jī)產(chǎn)生的能量被用來(lái)驅(qū)動(dòng)工藝壓縮機(jī)、發(fā)生器或任何其他能源消耗設(shè)備。

氣態(tài)產(chǎn)品通常在相對(duì)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(yùn)行的設(shè)備的絕緣容器），經(jīng)常剛剛超過(guò)一個(gè)大氣壓（絕對(duì)值）。 一般來(lái)說(shuō)，輸送壓力越低，分離和凈化過(guò)程的效率就越高。然后，產(chǎn)品氣體在壓縮機(jī)中被壓縮到產(chǎn)品氣體所需的壓力，以供其使用。

低溫空氣分離過(guò)程中在非常低的溫度下運(yùn)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(xiàng)目位于密封（和氮?dú)獯祾撸┑?"冷箱 "內(nèi)，冷箱是相對(duì)較高的結(jié)構(gòu)，截面為矩形或圓形。冷箱內(nèi)裝有巖棉，以提供絕緣并盡量減少對(duì)流。根據(jù)設(shè)備的類型和能力，冷箱的邊長(zhǎng)可以達(dá)到2米到4米，高度為15米到60米。

氬氣的生產(chǎn)

純凈的氬氣通常是通過(guò)多步驟工藝從粗氬中生產(chǎn)出來(lái)的。傳統(tǒng)的方法是在 "脫氧 "裝置中去除粗氬中存在的2%至3%的氧氣。 這些小型裝置在一個(gè)含有催化劑的容器中把氧氣和氫氣化學(xué)地結(jié)合起來(lái)。由此產(chǎn)生的水在分子篩干燥器中很輕松被去除（冷卻后）。然后，無(wú)氧氬氣流在 "純氬 "蒸餾塔中被處理，以去除殘留的氮和未反應(yīng)的氫。

填料柱蒸餾技術(shù)的進(jìn)步創(chuàng)造了第二種氬氣生產(chǎn)方式，即完全低溫氬氣回收，它使用非常高（但直徑小）的蒸餾柱來(lái)進(jìn)行困難的氬氣/氧氣分離。一個(gè)設(shè)備所能生產(chǎn)的氬氣量受到蒸餾系統(tǒng)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產(chǎn)的氧氣量和設(shè)備運(yùn)行條件的穩(wěn)定性。由于空氣中自然形成的氣體比例，氬氣產(chǎn)量按體積計(jì)算不能超過(guò)氧氣進(jìn)料率的4.4%，或按重量計(jì)算不能超過(guò)5.5%。

液體產(chǎn)品的生產(chǎn) 

當(dāng)在低溫空分設(shè)備中生產(chǎn)液體產(chǎn)品時(shí)，通常會(huì)在基本的空分設(shè)備中加入（或集成）一個(gè)補(bǔ)充的制冷裝置。這個(gè)裝置被稱為液化器，使用氮?dú)庾鳛橹饕ぷ饕后w。 液化器的容量可以從空分設(shè)備容量的一小部分到空分設(shè)備的氧氣加氮?dú)夂蜌鍤獾淖畲笊a(chǎn)能力。

液化器中使用的基本工藝循環(huán)幾十年來(lái)一直沒有改變。一個(gè)典型的液化器吸入接近環(huán)境溫度和壓力的氮?dú)?，將其壓縮，冷卻，然后將高壓氣流膨脹以產(chǎn)生制冷。較新和較舊的液化器之間的基本區(qū)別是，隨著低溫?zé)峤粨Q器制造技術(shù)的改進(jìn)，低溫?zé)峤粨Q器的最大工作壓力等級(jí)已經(jīng)提高。如果一個(gè)典型的新液化器采用了更高的峰值循環(huán)壓力和更高效率的膨脹器，那么它的能源效率可能比三十年前的液化器更高。