工业气体被称为“工业血液”、“电子的粮食”,低温精馏法空气分离装备（下文简称空分装备）是目前大规模制取高纯氧、氮、氩等气体产品的主流技术。据统计,在钢铁和煤化工行业,空分装备所需能耗约占总能耗的10%~20%,在“2030年碳达峰”和“2060年碳中和”要求下,降低空分装备能耗势在必行。压缩模块能耗目前仍占空分装备能耗约80%,其中超过60%的压缩功以压缩余热的形式耗散而未加以利用,压缩余热回收利用可认为是空分装备节能的有效途径之一。本文围绕空分压缩余热特性,旨在探究可满足空分压缩余热回收需要的高效的结构方案、安全有效的运行方案、快速准确的动态模拟方案,探索了空分压缩余热回收系统的节能潜力和动态运行特性,为空分装备压缩系统节能提供理论指导。主要工作如下:（1）发展了基于节能、经济和环保性能的全局综合性能比较方法,提出了基于窄点温差的运行策略,从设计优化角度探索了系统节能潜力。空分压缩余热为级间余热,品位低、具有波动性且缺乏直接热利用场合,亟需探寻高效的余热回收利用结构方案和安全有效的运行方案。本文发展了基于节能、经济和环保性能的全局综合性能比较方法,并提出了基于窄点温差的运行策略。根据优化结果,有机朗肯-机械耦合蒸气压缩-空分压缩热回收系统（ORC-m-VCR）在所有设计工况下均具有最优性能,且本文提出的基于窄点温差的运行策略可实现系统全年正常工作并使得节能最大化。（2）设计并搭建了有机朗肯-机械耦合蒸气压缩实验台,分析了系统性能影响规律和动态响应特性,揭示了影响系统运行和性能的关键参数。有机朗肯-机械耦合蒸气压缩技术是ORC-m-VCR实现实际应用的核心技术。本文设计并搭建了有机朗肯-机械耦合蒸气压缩实验台,开展了变工况实验。根据实验结果和敏感性分析结果,ORC运行主要受ORC工质流量影响,VCR运行主要受节流阀开度影响,转速主要受电机转矩和节流阀开度影响。系统性能方面,节流阀开度和热水流量为影响制冷量的关键参数,节流阀开度和ORC工质流量则为影响系统COP的关键参数,系统COP最大可达0.61。动态响应方面,系统在变工况下响应较快,各参数延迟时间＜10 s,响应时间＜45 s。（3）提出了改进型换热器模型并结合BP神经网络算法的动态模拟方案,,预测了全工况动态运行特性,为系统实际安全有效运行提供理论指导。动态模型是预测系统实际运行特性的有效手段,而ORC-m-VCR流程复杂、解耦困难,导致动态模型建模难度大、计算时间长且准确度低。本文提出了密度分区平均处理的改进型集总参数换热器模型,并结合BP神经网络算法预测膨胀-压缩机性能的动态模拟方案。该动态模拟方案将滞后时间约100 s缩短至约20 s,平均相对误差＜10%。该60,000 Nm3/h等级ORC-m-VCR在全工况动态运行时,温度基本在设计值附近波动,响应时间约为4~8 min。系统全年节能约13.75 GWh,年均节能率和年均热回收率分别约7.4%和76.4%,折合CO2减排约9.9 Mt,具有巨大的节能和环保潜力。