深冷空分由許多系統(tǒng)組成，包括壓縮，凈化，精餾以及儲存。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)，對雜志進行吸附。然后空氣進入通過熱交換被冷卻到接近其露點，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，然后送往液體儲存罐。

由于熱交換器和蒸餾系統(tǒng)需要在極低的溫度下進行，需要放在隔熱性良好的冷箱中。但仍會存在冷量散失問題，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。這些透平膨脹機從冷箱中產(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。

單級精餾塔

1902年，卡爾·馮·林德 (Carl von Linde) 引入了第一個使用單個精餾塔的空氣蒸餾工藝。單級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，回流液與上升的蒸汽進行熱質(zhì)交換。在空氣的三種主要成分中，氮氣的揮發(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到蒸餾塔。當(dāng)蒸汽上升到蒸餾塔時，它變得富含氮氣，最后作為富氮氣從塔頂離開廢物流。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，也會從蒸餾塔底部連續(xù)抽出極少量的液態(tài)氧，以避免碳?xì)浠衔镌诩壑蟹e聚。通過與進入的氣流進行熱交換來降低環(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，因為離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，因此進料空氣中的相當(dāng)一部分氧氣會留在富氮蒸氣流中。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)計的雙級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。

雙級精餾塔

雙級精餾塔由高壓塔，低壓塔和之間的冷凝蒸發(fā)器組成。雙級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高壓塔底部，該精餾塔大約在6atm（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）運行。氣體自下向上，在高壓塔頂部得到一定純度的氮氣。氮氣在冷凝器中通過熱交換而變成液氮，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)減壓閥門進入低壓塔的頂部，作為回流液，該塔大約1.4atm運行。

高壓塔底部的富氧液空經(jīng)減壓閥門進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)生的氮氣進行熱交換，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)進行精餾。需要時，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，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)不斷進步，精餾塔的工作原理也在不斷創(chuàng)新。對稀有氣體也進行了提取，由于氬的沸點處于氮氧之間，在精餾塔中會產(chǎn)生氬的積聚現(xiàn)象。通過對精餾塔的工作原理改進，不僅提取了氬，還提升了氮、氧的純度。