介绍
深冷空气分离制氮是目前用于大规模生产高纯度氮气的领先工业工艺。这项技术利用极低的温度将空气液化，然后根据各组分的沸点进行分离。在美国，深冷空气分离装置（也称为空气分离单元，ASU）是石化、金属制造、电子、食品加工和医疗保健等行业氮气供应的重要组成部分。与其他制氮技术相比，该方法具有无与伦比的纯度（通常高达 99.999% N₂）和产量。尽管深冷空气分离技术能耗高且设备复杂，但在需要超高纯度或大规模生产氮气时，它仍然是事实上的标准，这巩固了深冷空气分离制氮在现代工业中的重要地位。
了解低温空气分离制氮的原理
低温空气分离的基本原理是空气中的每种组成气体都有独特的沸点。氮气的沸点比氧气低得多（在大气压下，氮气的沸点为 -196°C，即 -321°F；氧气的沸点为 -183°C，即 -297°F）。通过将空气冷却至低温（远低于 -150°C）使其液化，分离过程可以利用这些沸点差异。然后，低温精馏可以将氮气蒸发出来，并将其与液氧和其他组分分离。用于生产氮气的低温空气分离本质上是对液化空气进行分馏。当空气混合物在精馏塔内的精馏盘或填料上汽化和再冷凝时，氮气（挥发性更强的组分）会在上升的蒸汽中富集，而氧气（和氩气）则会在下降的液体中富集。通过精确控制精馏塔内的温度和压力，该过程可以获得高纯度的氮气流。由于需要制冷，这种低温精馏方法能耗较高，但在实现高纯度和高回收率方面，它是生产氮气的最佳方法。
现代低温空气分离装置将低温蒸馏过程保持在绝缘的冷箱内，以最大限度地减少热量泄漏。所有制冷均在内部产生，通常是通过膨胀一部分压缩气体（利用焦耳-汤姆逊效应或涡轮膨胀机）来产生所需的低温。低温装置中换热器和精馏塔的紧密集成确保了高效的热量回收——利用低温产品和废气流预冷进入的空气，从而显著提高整体能源效率。尽管压缩机和制冷设备耗电量巨大，但这种精密的传热集成对于使低温空气分离制氮在工业规模上实现经济可行性至关重要。
低温空气分离制氮的关键工艺步骤
通过低温空气分离法生产氮气涉及几个主要步骤，每个步骤都由集成回路中的专用设备完成。以下是该过程的主要阶段：
- 空气压缩：环境空气首先通过大型进气过滤器被吸入空分装置（ASU），并被压缩至高压（通常约为 5-8 巴，或 75-120 psig）。为了控制压缩过程中产生的热量，需要使用带有中间冷却器的多级空气压缩机。加压过程至关重要，因为它为后续的分离过程提供驱动力，同时也有助于制冷（因为高压气体膨胀后会产生冷却效应）。在此阶段结束时，空气压力已显著升高，并且其中大部分水蒸气已在中间冷却器中冷凝。这第一阶段有效地启动了低温空气分离制氮工艺。
- 预冷和净化：压缩空气接下来会通过预冷装置和净化系统。在预冷阶段，冷却器或热交换器会将空气冷却至接近环境温度（约 5-10°C），以冷凝出多余的水分。然后，空气流入预净化装置 (PPU)，该装置通常由两个分子筛吸附罐组成。这些分子筛床可以去除气流中残留的水蒸气、二氧化碳和碳氢化合物。去除这些杂质至关重要——即使只有几 ppm 的二氧化碳或水残留，它们也会在低温设备中冻结成固体并造成堵塞。PPU 的吸附床以循环方式运行（一个吸附，另一个则使用温暖干燥的废气进行再生），以确保向冷箱持续供应清洁干燥的空气。
- 低温冷却和液化：净化后，干燥的高压空气进入低温冷箱，并在其中逐步冷却至零下温度。空气流经一系列钎焊铝板翅式换热器，通过将热量传递给回流的冷产品和废气流，使其温度降至约-170°C至-185°C。当空气冷却到这个低温范围时，很大一部分会凝结成液体。为了达到完全液化所需的最低温度，该过程采用膨胀式涡轮机（涡轮膨胀机）。一部分加压空气（有时是富含氮气的气流）通过该涡轮机膨胀，从而对外做功（通常用于驱动发电机或辅助驱动主压缩机），并在此过程中使气体温度急剧下降。膨胀机提供了仅靠换热器无法实现的额外制冷量。到冷却阶段结束时，进入的空气已转化为低温条件下的液态空气和冷蒸汽的混合物。
- 分馏（分离）：大多数低温空气分离装置（ASU）采用双塔精馏系统。液化空气首先进入高压塔（约5-6巴），并在其中开始分离：富含氮气的蒸汽上升到顶部，而富含氧气的液体则聚集在底部。这种富含氮气的蒸汽（仍然含有少量O₂和Ar杂质）随后流入第二个低压塔（约1.2巴）进行最终纯化。两个塔通过再沸器-冷凝器单元进行热耦合，该单元将低压塔底部的富氧液体蒸发，并将高压塔顶部的氮气蒸汽冷凝。通过这两个塔中的连续回流和再沸过程，上升的蒸汽最终成为几乎纯净的氮气。在低压塔顶部，可以获得高纯度氮气（通常纯度为99.9%至99.999%）并将其抽出，而富含氧气的液体（包含大部分O₂和氩气）则留在底部。一些只需要中等纯度的氮气工厂可以使用单塔系统，但为了获得超高纯度和高效回收，双塔工艺是标准配置。（如果需要生产氩气，可以添加一个额外的侧塔来提取氩气，而不会污染主要的氮气和氧气产品。）
- 产品提取和升温：氮气产品以冷气体的形式从低压塔顶部抽出，此时已基本纯净。在输送之前，这种气态氮（GAN）通常会回流通过主换热器，在那里吸收进气空气的热量。通过回收这部分冷量，冷氮气升温至环境温度（同时冷却下一批进气空气）。升温至室温的氮气随后可以输送到储罐或直接进入管道进行分配。如果需要液态产品用于运输或特殊应用，许多工厂还会将一部分氮气输送到绝缘低温储罐中储存为液态氮（LIN）。同样，从低压塔底部产生的氧气副产品可以作为液氧抽出（如果需要使用），或者在不需要时直接排放。通常，任何积聚的氩气要么通过氩气侧塔进行提纯，要么留在富氧液体中。最后，工艺过程产生的废气（主要为残留氮气，含有微量氧气/氩气）会被释放（通常在用于再生PPU之后），从而完成低温空气分离制氮循环。
这一系列步骤展示了低温空气分离制氮技术如何将普通空气转化为高纯度氮气。整个过程经过高度优化，通过连续的热量集成和冷能回收，最大限度地提高了效率。值得注意的是，低温分离装置通常需要连续运行；从环境温度冷却到开始生产符合规格的产品可能需要数小时，因此它们不适合频繁停机或快速负荷变化。
关键设备和工艺组件
低温空气分离装置依赖于多个关键设备协同工作，每个设备负责处理循环过程中的特定环节：
- 主空气压缩机：这是一种多级（离心式或轴流式）压缩机，用于将大气空气压缩至所需的高压（约 6-7 巴）。它通常占工厂总能耗的最大份额。级间冷却器用于冷凝水分并降低空气温度，从而提高压缩效率。
- 预净化单元 (PPU)：由预冷器和分子筛吸附系统组成。它可以去除水分、二氧化碳和其他污染物，使其含量降至百万分之几的水平，从而防止冷箱内结冰。PPU 确保进入低温精馏部分的空气清洁干燥。
- 冷箱和换热器：冷箱是一个大型绝缘外壳，内部装有钎焊铝制换热器和精馏塔。换热器通过将进入空气的热量传递给低温流出的产品和废气流来冷却空气。这种高效的热交换可以回收制冷能量，并使加压空气进料在能量损失最小的情况下接近液化温度。
- 涡轮膨胀机：一种低温膨胀式涡轮机，通过膨胀一部分高压气流（空气或氮气）来产生额外的制冷效果。气体膨胀时，温度会显著下降。膨胀机通常还能通过驱动其他设备（例如发电机或增压压缩机）来回收能量，从而提高整体效率。
- 精馏塔：高大的圆柱形塔（通常在氮气空分装置中有两座），液化空气在此通过分馏进行实际分离。高压塔在约 5-6 巴的压力下进行初步分离，产生富含氮气的蒸汽和富含氧气的液体。低压塔（接近 1 个大气压）进一步精炼分离过程，最终得到高纯度氮气和液氧。这些塔通过再沸器-冷凝器相互连接，以促进它们之间的热量传递。还可以添加一个可选的氩气塔，用于提取高纯度氩气作为单独的产品。
- 再沸器-冷凝器单元：位于两个主塔交界处的热交换器，用于使低压塔中的富氧液体沸腾，同时冷凝高压塔中的氮气蒸汽。这个集成单元驱动两个塔同时进行精馏，是双塔系统实现节能高效运行的关键。
- 产品储存和输送：用于处理最终产品的配套基础设施。绝缘低温储罐用于储存液氮（以及可能生产的液氧），环境温度汽化器可根据需要将储存的液体转化为气体。对于气态产品的输送，高压低温泵可将液氮输送到汽化器以产生高压气体，或者分离后的压缩机可将气态氮压缩至所需的输送压力。这些系统确保以所需的压力、温度和相态向最终用户供应氮气产品。
所有这些组件必须协同工作。在严格控制下，压缩机、净化器、换热器和分离塔的无缝运行使空分装置能够连续生产符合严格纯度标准的氮气产品。正是这种集成设计使得低温空气分离制氮技术在工业应用中切实可行且可靠。
氮气生产的典型操作参数
下表总结了用于氮气生产的低温空气分离系统的关键工艺参数和典型条件：
| 范围 | 典型值/范围 |
|---|---|
| 进料空气成分（近似值） | 78% 氮气，21% 氧气，约 1% 氩气（按体积计） |
| 主空气压缩机排气口 | 约 6 巴（约 85-90 psig） |
| 高压柱压力 | ~5–6 bar |
| 低压柱压力 | 约 1.2 巴（接近大气压） |
| 冷蒸馏温度 | 柱体内的温度范围为 -175°C 至 -190°C。 |
| 氮气产品纯度 | 99.9% – 99.999%（纯度等级高达 5.0–6.0 “N”） |
| 氮气输送形式 | 常温下的气态氮（GAN），或温度约为-196°C的液态氮（LIN）。 |
| 典型工厂产能 | 每天数百至数千吨氮气（可扩展） |
| 单位能耗 | 每生产1立方米氮气（气体输出），耗电量约为0.4至0.6千瓦时。 |
| 启动时间（冷却时间） | 几个小时到一天（对于大型植物而言） |
（Nm³ 指标准状态下的标准立方米。“N”级表示纯度中小数点后9的个数；例如，5.0 N 表示纯度为 99.999%。）
这些数值会因工厂规模、设计优化和所需产品规格而异。由于机械设备和工艺集成方面的进步，大型现代化工厂的单位天然气产量能耗通常比规模较小或设计较旧的工厂更低。
低温空气分离制氮技术的优势和应用
低温空气分离制氮技术虽然投资巨大且需要消耗大量电力，但它在氮气生产方面具有几个关键优势：
- 超高纯度：低温分离工艺可以稳定地获得氧含量仅为百万分之几（ppm）甚至十亿分之几（ppb）的超高纯度氮气。这种纯度（通常为 99.999% 或更高）对于半导体制造、制药生产以及其他对氧气含量要求极高的敏感应用至关重要，因为即使是微量的氧气也可能导致问题。
- 产量巨大：低温空气分离装置每小时可供应数万立方米的氮气，或每天供应数百吨氮气。这使得它们非常适合通过管道网络为大型工业综合体（例如炼油厂、石化厂、钢铁厂）提供氮气，同时也能为大量可运输的液氮容器充装液氮，以便进行更广泛的分销。规模经济效应意味着大型工厂的单位氮气成本可以非常低。
- 其他气体的联产：低温分离装置可以配置成在生产氮气的同时，联产氧气和氩气（甚至包括氖、氪、氙等稀有气体），这些都是极具价值的副产品。这种灵活性最大限度地提高了空气作为原材料的利用率。例如，一台空气分离装置可以同时提供用于惰性气体保护的高纯度氮气、用于燃烧或医疗用途的氧气，以及用于特殊焊接或工业过程的氩气。
- 大规模运行的可靠性和效率：现代低温空气分离装置高度可靠，通常可以连续运行多年，停机时间极少。由于其产出的关键性，这些装置通常采用冗余设计和强大的安全系统。在极高的产量规模下，低温精馏（单位气体体积）比小型非低温系统更加节能，从长远来看，使其成为大批量供应最经济的选择。
通过低温分离法生产的氮气在众多行业中都不可或缺。在化工和石油精炼领域，气态氮用于惰化储罐和反应器、净化管道以及防止加工过程中发生氧化。电子和半导体行业需要超高纯度氮气，用于芯片制造和材料加工过程中的气氛控制。食品加工商使用液氮进行食品速冻，并维持无氧包装环境以延长保质期。金属制造商依靠氮气用于热处理炉，并保护活性金属免受空气氧化。医院和实验室使用氮气用于医疗设备运行、生物样本的低温保存以及作为分析仪器中的载气。在所有这些应用中，大规模的低温空气分离制氮技术都能确保稳定供应所需质量的氮气或液氮。
虽然非低温制氮机（例如变压吸附或膜分离系统）可以满足小规模或低纯度氮气的需求，但这些替代方案无法达到低温空气分离制氮技术所能实现的超高纯度和大产量。
结论
低温空气分离制氮技术是工业气体行业的基石，能够确保为现代工业提供所需纯度和数量的氮气。通过利用空气在极低温度下的热力学特性，低温空气分离装置可以生产纯度高达99.999%、日产量达数千吨的氮气。该工艺的特点是工程技术复杂但成熟可靠——从强大的压缩机和超低温精馏塔到先进的热交换和控制系统，无不体现着精密的工程设计。虽然能耗较高，但效率和工厂设计的持续改进不断优化着系统的性能。
对于研究人员和技术专业人员而言，了解这一过程至关重要，因为它影响着从生产经济效益到各种应用领域最终产品质量的方方面面。在美国乃至全球范围内，用于氮气生产的低温空气分离技术是制造业、医疗保健、科技和能源等行业运营的基础。随着新兴技术推动对高纯度气体需求的增长（例如，在生物技术、航空航天或可再生能源应用领域），低温空气分离技术也在不断发展，以更高效地满足这些需求。当需要极高的纯度、大产量和高可靠性时，低温空气分离制氮技术仍然是氮气生产的黄金标准，它为众多依赖这种惰性气体的工业创新和工艺流程提供了动力。展望未来，在任何需要大量超高纯度氮气的领域，低温空气分离制氮技术都将继续发挥不可或缺的作用。
