空气分离装置

空气分离设备将大气空气分离成其主要成分，通常是氮气和氧气，有时还会分离出氩气和其他稀有惰性气体。

最常用的空气分离方法是分馏。低温空气分离装置 (ASU) 用于提供氮气或氧气，并且通常同时生产氩气。

膜、变压吸附 (PSA) 和真空变压吸附 (VPSA) 等其他方法在商业上用于从普通空气中分离单一组分。用于半导体器件制造的高纯度氧气、氮气和氩气需要低温蒸馏。

同样，稀有气体氖、氪、氙的唯 一可行来源是使用至少两个蒸馏塔对空气进行蒸馏。氦气也在先进的空气分离工艺中回收。

纯气体可以通过首先冷却直到液化，然后在不同的沸点温度下选择性地蒸馏组分来从空气中分离出来。 该过程可以生产高纯度气体，但能源密集型。 该工艺由卡尔·冯·林德 (Carl von Linde) 在 20 世纪初率先提出，至今仍在用于生产高纯度气体。 他在 1895 年开发了它； 在首次用于工业应用之前（1902 年），该过程保持了七年的纯学术性。

低温分离过程需要热交换器和分离柱非常紧密地结合以获得良好的效率，并且所有用于制冷的能量都由单元入口处的空气压缩提供。

为实现低蒸馏温度，空气分离装置需要通过焦耳-汤姆逊效应运行的制冷循环，并且冷设备必须保存在绝热外壳（通常称为冷箱）内。 气体的冷却需要大量的能量来使这个制冷循环工作，并由空气压缩机提供。 现代 ASU 使用膨胀涡轮机进行冷却； 膨胀机的输出有助于驱动空气压缩机，以提高效率。该过程包括以下主要步骤：

• 在压缩之前，空气会预先过滤掉灰尘。
• 空气被压缩，最终输送压力由产品的回收率和流体状态（气体或液体）决定。 典型的压力范围在 5 到 10 巴表压之间。 气流也可以被压缩到不同的压力以提高 ASU 的效率。 在压缩过程中，水在级间冷却器中冷凝出来。
• 工艺空气通常通过分子筛床，去除所有残留的水蒸气和二氧化碳，后者会冻结并堵塞低温设备。 分子筛通常设计用于从空气中去除任何气态碳氢化合物，因为这些可能会在随后的空气蒸馏中成为问题，从而导致爆炸。 分子筛床必须再生。 这是通过安装多个以交替模式运行的单元并使用干燥的联产废气来解吸水来实现的。
• 工艺空气通过集成热交换器（通常是板翅式热交换器）并通过产品（和废物）低温流进行冷却。 部分空气液化形成富含氧气的液体。 剩余的气体富含氮气，在高压 (HP) 蒸馏塔中被蒸馏成几乎纯的氮气（通常 < 1 ppm）。 该塔的冷凝器需要制冷，这是通过将更多的富氧流进一步膨胀穿过阀门或通过膨胀机（反向压缩机）获得的。

• 或者，当 ASU 生产纯氧时，冷凝器可以通过与低压 (LP) 蒸馏塔（在 1.2-1.3 bar xxx压力下运行）中的再沸器进行热交换来冷却。 为了xxx限度地降低压缩成本，HP/LP 塔的组合冷凝器/再沸器必须在仅 1-2 K 的温差下运行，需要板翅式铝制热交换器。 典型的氧气纯度在 97.5% 到 99.5% 之间，影响氧气的xxx回收率。 生产液体产品所需的制冷是利用膨胀机中的焦耳-汤姆逊效应获得的，膨胀机将压缩空气直接送入低压塔。 因此，一定部分的空气不会被分离，必须从低压塔的上部作为废气流离开。
• 由于氩气的沸点（标准条件下为 87.3 K）介于氧气的沸点（90.2 K）和氮气的沸点（77.4 K）之间，因此氩气会在低压塔的下部积聚。 当生产氩气时，从氩气浓度最高的低压塔中抽取蒸汽侧取气。