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空气分离简单说就是利用物理或者化学方法将将空气混合物各组进行分开，获得高纯氧气和高纯氮气以及一些稀有气体的过程。
深冷法（也称低温法）先将混合物空气通过压缩、膨胀和降温，直至空气液化，然后利用氧、氮汽化温度（沸点）的不同（在标准大气压下，氧的沸点为﹣１８３℃；氮的沸点为﹣１９６ ℃，沸点低的氮相对于氧要容易汽化这个特性，在精馏塔内让温度较高的蒸气与温度较低的液体不断相互接触，低沸点组分氮较多的蒸发，高沸点组分氧较多的冷凝的原理，使上升蒸气氮含量不断提高，下流液体中的氧含量不断增大，从而实现氧、氮的分离。
要将空气液化，需将空气冷却到﹣１７３ ℃以下的温度，这种制冷叫深度冷冻（深冷）；而利用沸点差将液态空气分离为氧气、氮气、氩气、氖气、氙气的过程称之为精馏过程。深冷与精馏的组合是目前工业上应用最广泛的空气分离方法；
氧气、氮气、氩气、氖气、氙气和其他物质一样，具有气、液和固三态。在常温常压下它们呈气态。在标准大气压下，氧气被冷凝至－183℃，氮气被冷凝至－196℃，氩气被冷凝至－186℃即会变为液态，氧气和氮气的沸点相差13 ℃，氩气和氮气的沸点相差10 ℃，空气的分离就是充分利用其沸点的不同来将其进行分离。
空气中除氧气、氮气和氩气外，还有氖气、氦气、氪气、氖气、氙气等稀有气体，这些稀有气体广泛应用在国防、科研及工业上，稀有气体的提取也直接关系到空分装置氧气的提取率和生产运行能耗。
压缩空气除去水分和二氧化碳等杂质后，经热交换系统和增压膨胀机制冷后进入下塔，在塔板上气体与液体接触，由于气、液之间温度差的存在,在进行传热和传质交换时,低沸点组分氮吸收热量开始蒸发,氮组分首先蒸发出来,温度较高的气体冷凝,放出冷凝热,气体冷凝时,首先冷凝氧组分.这过程一直进行到气相和液相的温度相等为止,也即气、液处于平衡状态。
这时,液相由于蒸发,使氮组分减少,同时由于气相冷凝的氧也进入液相,因此液相的氧浓度增加了,同样气相由于冷凝,使氧组分减少,同时由于液相的氮进入气相,因此气相的氮浓度增加了。多次的重复上述过程,气相的氮浓度就不断增加,液相的氧浓度也能不断的增加.这样经过多次的蒸发与冷凝就能完成整个精馏过程,从而将空气中的氧和氮分离开来。
空气在下塔被初步精馏为气氮、污液氮和富氧液空，以节流阀减压降温后送至上塔作为上塔的回流液，进一步实现精馏，最终在上塔顶部得到纯氮气，下部得到合格的液氧产品。
主冷凝蒸发器是连接上下塔实现精馏过程的纽带，起到承上启下的重要作用。根据压力对应液化温度成正比的特性，在主冷凝蒸发器中通过液氧将压力氮气冷凝为液氮，为上下塔提供回流液建立精馏工况，同时主冷氧侧的液氧被蒸发成气氧，进入上塔作为上升蒸气，主冷凝蒸发器换热工况的平衡直接关系到精馏工况的稳定。
空气中的灰尘等固体微粒称为机械杂质。这些固体微粒如不清除，会使高速旋转的空气透平压缩机和膨胀机的叶轮、导流器磨损加剧，如带到换热器中会污染换热器表面，导致传热系数下降阻力增大。这些会影响空气设备的正常运行。
空气中固体杂质的含量一般为0.005～0.01克/立方米空气。在冶金企业周围，可高达0.05克/立方米空气，灰尘粒度在0.15毫米以下，一般在空压机吸风口设置空气过滤器来清除空气中的固体杂质。
如前所述，深冷法分离空气，首先要使空气冷却和液化。空气的液化过程使一种能量的转换的过程。空气只要有足够的压力，才能通过膨胀机的节流效应产生足够的冷量，使它降到所需的温度，并从气态变成液态。
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