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经过连续的蒸发和冷凝，物料在塔板或者填料表面上进行接触，实现传质和传热的交换，从而达到混合物中不同组分的有效分离，可以获得高纯度的产品。
空分设备对于不同的产品要求，需要相应的流程组织。要达到空气分离的目的，空分装置的工作基本上包括下列过程：
⑴ 空气的过滤和压缩
⑵ 空气中水分和二氧化碳的消除 ⑶ 空气被冷却到液化温度 ⑷ 冷量的制取 ⑸ 液化 ⑹ 精馏
⑺ 危险杂质的排除
错误！未找到引用源。 产品的压缩和贮存
以上的过程都必需建立在质量平衡及能量平衡的基础上,在正常运行的过程中要始终保持这种动态的平衡,因此,操作中要缓慢调节,以保证工况稳定。 2.2.1 空气的过滤和压缩
大气中的空气先经过空气过滤器过滤其灰尘等机械杂质，然后在离心式压缩机中被压缩到所需的压力，由中间冷却器提供级间冷却，压缩产生的热量被冷却水带走。理论上，级数越多，压缩过程越接近于等温过程，效率越高。
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2.2.2 空气中水分和二氧化碳的清除
加工空气中的水分和二氧化碳若进入空分设备的低温区后，会形成冰和干冰，就会阻塞换热器的通道和塔板上的小孔，因而配用分子筛吸附器来预先清除空气中的水分和二氧化碳，进入分子筛吸附器的空气温度约为10℃。分子筛吸附器成对切换使用，一只工作时另一只再生。再生可采用电加热或蒸汽加热。
吸附器的设计必须按照吸附的操作条件、吸附入口处的杂质浓度、吸附剂的性质等条件进行，然后按照工艺要求的纯化后最大允许浓度，来确定吸附器的尺寸及吸附剂数量。
分子筛吸附剂对所有碳氢化合物（CmHn）的吸附效率不尽相同，就吸附而言，对较大分子和较复杂分子更为有效，例如：对丙烷和丁烷的吸附要比乙烷效果好。实际上，乙炔在任何情况下都会被吸附的很好，而甲烷和乙烷无论采取什么吸附条件和吸附剂都不能除去。
2.2.3 空气被冷却到液化温度
空气的冷却是在主换热器中进行的，在其中空气被来自精馏塔的返流气体冷却到接近液化温度。与此同时，低温返流气体被复热。冷热气体间的温差造成的热量损失，为系统的复热不足热量损失。 2.2.4 冷量的制取
由于绝热损失、换热器的复热不足损失、冷箱中低温液体产品输出及液体泵压缩液体对系统的输入功等，系统不可避免地存在一些热量损失,而这一部分损失,需靠不断补充冷量的方式,进行补偿。分馏塔所需的冷量,是由压缩空气在膨胀机中，经等熵膨胀，以及系统的等温节流效应（如自由膨胀、气体通过节流阀的等焓膨胀）而获得的。 2.2.5 液化
液化的前提是，气体被另一种温度更低的气体或液体，冷却至露点温度。通常是低温低压气体或液体，来冷却高温高压气体，并使之液化。在起动阶段，加工空气在主换热器和过冷器中,与返流低温气体换热而被部分液化，在正常运行中，氮气和液氧的热交换,是在冷凝蒸发器中进行的，由于两种流体压力的不同，氮气被液化而液氧被蒸发，氮气和液氧分别由下塔和上塔供给，这是保证上、下塔精馏过程的进行所必需具备的条件。（注：起动时，大部分气体也是在主冷中被冷却至液化温度而被液化的）。 2.2.6 精馏
实现空气产品的最终分离,是在精馏塔中实现的。理论上,空气中的大多数成分,都可经
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过低温精馏得到分离。
空气产品的提取率,依照不同的流程而不同。提取率的高低，可以基本反映设备的技术水平,在同样理论板的情况下，体现了精馏的好与坏，但并不是衡量装置优劣的唯一条件，还应考虑产品构成、单位能耗及控制水平等诸多因素。随着全精馏技术的发展，以及增压透平膨胀机的应用，氩产品的提取率较常规制氩有较大的提高，这样氧、氮产品的提取率也相应提高。
空气中99.04%是氧气加氮气，0.932%是氩气，它们基本不变。氢、二氧化碳和碳氢化合物视地区和环境在一定范围内变化，空气中的水蒸汽含量,随着饱和温度和地理环境条件影响,而变化较大。水蒸汽和二氧化碳具有和空气不大相同的性质，在大气压力下，水蒸汽达到0℃和二氧化碳达到-79℃时，就分别变成冰和干冰。在空分设备的工艺流程中，冰和干冰会阻塞板式换热器的通道和精馏塔筛板上的小孔。因此这些组分必须在空气进入保冷箱前除去。空气中的危险杂质是碳氢化合物，特别是乙炔，在精馏过程中如乙炔在液空和液氧中浓缩到一定程度就有发生爆炸的可能，因此乙炔在液氧中含量规定不得超过0.1PPm，这必须予以充分的注意。稀有气体中的不凝性气体,如氖、氦气，由于其冷凝温度很低，总以气态集聚在冷凝蒸发器中，侵占了换热面积，而影响换热效果，因此也要经常排放。
空气中主要组分的物理特性如下表2.1和表2.2。
表2.1
名 称 氮 氧 氩 二氧化碳 氦 氖 氪 氙 化学符号 N2 O2 Ar CO2 He Ne Kr Xe 体积百分比 78.084 20.95 0.932 0.03 0.00046 0.0016 0.00011 0.000008 重量百分比 75.5 23.1 1.29 0.05 0.00006 0.0011 0.00032 0.00004
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表2.2
名称 氮 氧 氩 氦 氖 氪 氙 化学 符号 N2 O2 Ar He Ne Kr Xe 气化温度 ℃ -195.8 -183 -185.7 -268.9 -246.1 -153.2 -108.0 熔化温度 ℃ -209.86 -218.4 -189.2 -272.55 -248.6 -157.2 -111.8 密 度 Kg/m3(G) 1.25 1.43 1.784 0.18 0.748 1.735 1.664 Kg/L(L) 0.81 1.14 1.4 0.125 1.204 2.155 3.52 ℃ -147 -119 -122 -267.7 -228.7 -63.7 +16.6 临 界 点 10-1MPa(G) 34.5 51.3 49.59 2.335 28.13 56 60.1 分离过程可获得相当产量的高纯度产品。
精馏过程（以筛板塔为例）是借助塔板，使上升蒸汽与下降液体不断接触，液体中易挥发组分吸热蒸发，气体中难挥发组分放热冷凝，而在任何一块塔板上，液体的平均组分都应保持不变。这样，在塔的总高范围内，存在一定的浓度梯度，即在塔顶可获得高纯度的易挥发组分(N2)，而在塔底部可获得（O2）富集物。但是单靠一个单级精馏塔是无法彻底有效分离空气，要同时得到氧、氮产品，精馏系统必须有两个塔。
空气的精馏是在氧—氮混合物的气相与液相接触之间的热质交换过程中进行的，气体自下而上流动，而液体自上而下流动，该过程由筛板（填料）来完成。由于氧、氮组分沸点的不同，氮比氧易蒸发，氧比氮易冷凝。气体逐板（段）通过时，氮浓度不断增加，只要有足够多的塔板（填料），在塔顶即可获得高纯度的氮气；反之液体逐板（段）通过时，氧浓度不断增加，在下塔底部可获得富氧液空，在上塔底部可获得高纯度氧气。
在下塔中空气被初次分离成富氧液空和氮气，液空由下塔底部抽出后经节流送入和液空组分相近的上塔某段上，一部分液氮由下塔顶部抽出后经节流送入上塔顶部，液空和液氮在节流前先在过冷器中过冷。空气的最终分离是在上塔进行。产品氧气是由上塔底部抽出，而氮气由上塔顶部抽出，并通过主换热器复热到常温后送出。 2.2.7 危险杂质的排放
空气中的危险杂质是碳氢化合物，特别是乙炔。在精馏过程中如乙炔在液空和液氧中浓缩到一定程度就有发生爆炸的可能，因此,乙炔在液氧中含量规定不得超过0.1PPm。 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
国内外的研究发现，氧化亚氮（N2O）在主冷中的集聚，也有可能性导致爆炸发生，因此，它在主冷中的含量，也应积极控制。
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我们基本可以认为，冷凝蒸发器是空分装置里较危险的设备，特别是干式蒸发器。在冷凝蒸发器中，由于液氧的不断蒸发，将会使碳氢化合物有浓缩的危险，即当一定的碳氢化合物溶解物，在达到极限而出现过饱和时，就会出现，这些碳氢化合物将以固体或液体的形式,富集在液氧槽表面或底部，从而导致在液氧中形成易爆炸的混合物。但是只要从冷凝蒸发器中连续排放部分液氧,就可防止浓缩。而当在冷凝蒸发器中提取液氧时（不小于1%氧产量），就可以不用再另外排放液氧,来防止碳氢化合物浓缩。对于从冷凝蒸发器中，液氧直接用来转化为产品的空分设备，如液氧内压缩流程、全液体装置，碳氢化合物是较难浓缩的。
表2.3为碳氢化合物的物理性能表，表2.4为碳氢化合物在液氧中的最大允许浓度表。
表2.3为碳氢化合物的物理性能 蒸发器内杂质的溶解极限 成份 甲烷 乙烷 乙炔 乙烯 丙烷 丙烯 正丁烷 异丁烷 1丁烯 异丁烯 1、3丁二烯 戊烷 1戊烷 代号 PPM(体积) CH4 C2H6 C2H2 C2H4 C3H8 C3H6 C4H10 C4H10 C4H8 C4H8 C4H6 C5H12 C5H10 可混合 250,000 6 30,000 60,000 10,000 700 2,500 1,500 200 25 50 300 PPM(体积) 0.12 5.2X10-6 2.4X10-2 2.0X10-3 5.0X10-7 5.0X10-7 6.0X10-7 在液氧中的挥发度 表2.4为碳氢化合物在液氧中的最大允许浓度
主蒸发器内的最大允许浓度 成份 代号 高 PPM 甲烷 乙烷 CH4 C2H6 250 125 特高 PPM 500 250 在富液中的浓度 高 PPM(体积) 2.5 5.0 开封赛普空分设备有限公司 - 13 -