深冷空分由許多系統(tǒng)組成，包括壓縮，凈化，精餾以及儲(chǔ)存。其中精餾系統(tǒng)是深冷空分的核心步驟，本文主要介紹精餾系統(tǒng)中精餾塔的工作原理。壓縮后的空氣通過分子篩純化系統(tǒng)，對(duì)雜志進(jìn)行吸附。然后空氣進(jìn)入通過熱交換被冷卻到接近其露點(diǎn)，最后冷卻的空氣被送到蒸餾塔中。液氧、液氮或液氬等液態(tài)產(chǎn)品可以從蒸餾塔系統(tǒng)中生產(chǎn)出來，然后送往液體儲(chǔ)存罐。

由于熱交換器和蒸餾系統(tǒng)需要在極低的溫度下進(jìn)行，需要放在隔熱性良好的冷箱中。但仍會(huì)存在冷量散失問題，因此向冷箱提供制冷以保持內(nèi)部設(shè)備的低溫。為此現(xiàn)代低溫設(shè)備采用同樣封閉在冷箱中的透平膨脹機(jī)。這些透平膨脹機(jī)從冷箱中產(chǎn)生功并使設(shè)備保持在所需的溫度。以上是空氣蒸餾系統(tǒng)的基本步驟，接下來將重點(diǎn)描述蒸餾系統(tǒng)?？諝庹麴s是空氣分離設(shè)備的核心，其布置隨產(chǎn)品的數(shù)量和純度而變化。

單級(jí)精餾塔

1902年，卡爾·馮·林德 (Carl von Linde) 引入了第一個(gè)使用單個(gè)精餾塔的空氣蒸餾工藝。單級(jí)精餾塔的工作原理首先空氣通過壓縮、凈化和冷卻使其接近露點(diǎn)溫度，在蒸餾塔底部（槽）的冷凝器中冷凝。冷凝的液態(tài)空氣通過減壓閥門，送至蒸餾塔的頂部作為回流液，沿塔板自上而下流動(dòng)，回流液與上升的蒸汽進(jìn)行熱質(zhì)交換。在空氣的三種主要成分中，氮?dú)獾膿]發(fā)性最大，氧氣的揮發(fā)性最小，氬氣的揮發(fā)性居中。結(jié)果從蒸餾塔流下的液體含氧較多，稱為富氧液空或釜液。

蒸餾所需的蒸汽是通過與冷凝器中的冷凝空氣進(jìn)行熱交換，使貯槽中的富氧液體沸騰來提供的。從集水坑上升的一部分蒸汽被收集為氣態(tài)氧產(chǎn)品，而其余部分則允許向上移動(dòng)到蒸餾塔。當(dāng)蒸汽上升到蒸餾塔時(shí)，它變得富含氮?dú)?，最后作為富氮?dú)鈴乃旊x開廢物流。如果需要，從蒸餾塔的槽中收集液態(tài)氧產(chǎn)品流。即使當(dāng)液態(tài)氧不是所需產(chǎn)品時(shí)，也會(huì)從蒸餾塔底部連續(xù)抽出極少量的液態(tài)氧，以避免碳?xì)浠衔镌诩壑蟹e聚。通過與進(jìn)入的氣流進(jìn)行熱交換來降低環(huán)境溫度。雖然早期工廠生產(chǎn)的氧氣純度為80-90%，但單塔工藝可以提供高純度的氧氣。

單蒸餾塔工藝的問題是氧氣的回收率低，因?yàn)殡x開蒸餾塔頂部的富氮蒸氣流中氧氣的最低濃度被限制在與頂部進(jìn)料的液態(tài)空氣平衡的值。由于空氣中的氧氣濃度相當(dāng)高，因此進(jìn)料空氣中的相當(dāng)一部分氧氣會(huì)留在富氮蒸氣流中。為了獲得更高的氧氣回收率，離開蒸餾塔頂部的富氮蒸氣流中的氧氣濃度必須很低。換句話說，兩種產(chǎn)品流都應(yīng)該是相對(duì)純凈的。這就要求回流到蒸餾塔頂部的液體也應(yīng)該比較純凈。Georges Claude在1903年使用分凝設(shè)備提供解決方案，然而卡爾·馮·林德在1910年設(shè)計(jì)的雙級(jí)精餾塔徹底改變了該行業(yè)，并且仍然是現(xiàn)代低溫制氧廠的主力。

雙級(jí)精餾塔

雙級(jí)精餾塔由高壓塔，低壓塔和之間的冷凝蒸發(fā)器組成。雙級(jí)精餾塔的工作原理由空氣通過壓縮、凈化和冷卻后送到一個(gè)高壓塔底部，該精餾塔大約在6atm（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）運(yùn)行。氣體自下向上，在高壓塔頂部得到一定純度的氮?dú)?。氮?dú)庠诶淠髦型ㄟ^熱交換而變成液氮，一部分作為高壓塔回流液流下，至底部變成富氧液空（通常約為 35% 的氧氣）。另40%的液體經(jīng)減壓閥門進(jìn)入低壓塔的頂部，作為回流液，該塔大約1.4atm運(yùn)行。

高壓塔底部的富氧液空經(jīng)減壓閥門進(jìn)入低壓塔中部作為回流液，參加精餾過程。在低壓塔底部可以得到純度很高的液氧。液氧通過冷凝器與高壓塔產(chǎn)生的氮?dú)膺M(jìn)行熱交換，液氧吸熱蒸發(fā)。蒸發(fā)出來的氣氧一部分作為產(chǎn)品引出，另一部分氣氧在低壓塔自下而上繼續(xù)進(jìn)行精餾。需要時(shí)，一些液態(tài)氧也可以作為產(chǎn)品從污水坑中回收。

在雙塔布置中，高壓塔的主要目的是從進(jìn)料空氣中蒸餾和提供兩股飽和液體流，液氮回流和富氧液空。在低壓塔中，富氧液空被蒸餾以提供所需的氧氣產(chǎn)品流。液氮流在低壓塔頂部提供急需的液體回流。通過在高壓塔中使用足夠多的分離級(jí)，高壓塔頂部的氣氮含氧量越少。因此來自低壓塔頂部的液氮回流的氧氣濃度降至極低水平。這不僅可以將液氮回流作為有用的產(chǎn)品流進(jìn)行回收，也使氧氣的回收率非常高。

隨著工業(yè)的發(fā)展，深冷空分技術(shù)不斷進(jìn)步，精餾塔的工作原理也在不斷創(chuàng)新。對(duì)稀有氣體也進(jìn)行了提取，由于氬的沸點(diǎn)處于氮氧之間，在精餾塔中會(huì)產(chǎn)生氬的積聚現(xiàn)象。通過對(duì)精餾塔的工作原理改進(jìn)，不僅提取了氬，還提升了氮、氧的純度。