简介： 低温空气分离是目前工业大规模生产氮气的主要方法。该工艺首先吸入环境空气，压缩（通常压缩至5-10巴），进行净化，然后冷却至低温（约-180至-190℃），使主要成分液化，并通过蒸馏进行分离。这套用于制氮的低温空气分离利用了氮气、氧气和氩气沸点的差异。氮气（沸点 -196°C）挥发性最强，以塔顶蒸汽的形式收集，而氧气（沸点 -183°C）则在塔底冷凝。得益于这种分馏，低温装置能够以高产能供应高纯度氮气（通常为 99.5%–99.99%）。此类系统非常适用于液化天然气 (LNG) 等能源密集型行业，这些行业需要大量的惰性气体。
工艺概述
低温空气分离工艺主要包括以下几个步骤：
- 空气压缩：环境空气经过过滤，分阶段压缩（中间有冷却装置），压力达到约 5-8 巴。更高的压力可以提高制冷效率。
- 净化：压缩空气通过分子筛吸附器或冷阱，去除水分、二氧化碳和碳氢化合物。这可以防止冷箱内结冰和堵塞。
- 冷却和液化：洁净的高压空气通过多流换热器（冷箱），与冷的物料流逆流而上。涡轮膨胀机或焦耳-汤姆逊阀提供额外的制冷。空气温度降至约-185°C时，部分液化。
- 分馏：冷空气进入高压精馏塔（HP塔）。在该塔中，上升的蒸汽将氮气从塔顶排出，而液氧（含少量氩气）则聚集在塔底。富氧液体随后被送入低压精馏塔（压力接近1巴），上升的蒸汽将剩余的氮气除去。纯液氧从塔底排出，纯氮气则从低压精馏塔的塔顶排出。如有需要，氩气通常通过侧塔从中间液流中回收。
- 产品收集：分离后的气流被收集并进行处理。氮气（纯度约为99.5%–99.99%）被加热至环境温度，并通常进行压缩以便输送。一部分（约占5%–10%）通常被液化成液氮（LN₂）用于储存和应对高峰需求。液氧（LOX）则通过泵送或汽化来满足其规格要求。
通过压缩、提纯、冷却和蒸馏这一系列工序，可以高效地制取高纯度氮气。在稳定状态下，设计良好的空分装置（ASU）可以连续运行，正常运行时间超过90%，并利用回流和可控的温度梯度来确保所需的纯度和回收率。
设备和操作
低温空分装置的关键设备包括无油空气压缩机、净化器（分子筛）、板翅式或钎焊铝制换热器（冷箱）、涡轮膨胀机和蒸馏塔。高压塔的工作压力通常在 5–8 bar 左右，而低压塔的工作压力接近 1–2 bar。换热器的冷端（冷箱出口）温度通常为 –180 至 –190°C，与产品的沸点相匹配。
精确控制至关重要：回流比和塔温均需调整以达到纯度目标。例如，提高低压塔的回流比可提高氧气回收率（及纯度），而略微降低回流比则可使更多氮气逸出。在热力方面，该工艺通过逆流换热回收大部分冷量——排出的冷气体冷却进入的压缩空气。约10%的氮气被液化为液氮（LN₂）以储存冷量。剩余的氮气（纯度>99.5%）以气态形式输送。
以下是为液化天然气设施服务的大型低温空分装置的设计参数示例：
| 范围 | 示例值 |
|---|---|
| 空气供给速率（标准条件） | 67,000 Nm³/h（约1,600吨/天） |
| 高压柱压 | 6 bar |
| 低压柱压 | 1.2 bar |
| 冷端（冷箱）温度 | –185 °C |
| 氮气生产（气体） | 1570吨/天 |
| 液氮（LN₂）生产 | 157吨/天 |
| 氮气纯度（气体） | ~99.5% |
| 电力消耗 | ~30,000 kW |
表 1：用于 LNG 应用的大量氮气生产的低温空分装置的示例设计参数。
这些数值代表了现代大型空分装置的典型值。实际上，输出功率和功率会因设计而异。单位能耗约为每标准立方米氮气0.3-0.5千瓦时（典型值为0.3-0.4千瓦时/标准立方米）。（相当于每生产一吨氧气约需150-200千瓦时。）高效换热器和多级膨胀装置用于降低能耗。在一些装置中，部分冷量通过泵送液氧回收（这比压缩冷气效率更高）。
能源利用与效率
由于压缩和制冷需要消耗能量，低温空气分离本质上是高能耗的。现代空分装置 (ASU) 中典型的多级压缩机和膨胀机每生产一吨氧气 (O₂) 大约消耗 150–250 kWh 的电能，或每生产一立方米氮气 (N₂) 消耗 0.3–0.4 kWh 的电能。该工艺连续运行以最大限度地提高效率。设计人员会优化压力水平：例如，6 bar 的高压塔比 4 bar 的高压塔需要更多的制冷，因此需要根据功率和设备尺寸来选择合适的塔尺寸和压力。采用高效换热器（板翅式）来尽可能多地回收冷量。涡轮膨胀机无需输入能量即可提供制冷；通常，一个膨胀级产生的能量会驱动反向气流上的增压器。简而言之，尽管低温分离需要大量的能量，但先进的工程设计（优化压力、高效传热和级联膨胀）可以最大限度地降低单位氮气的净能耗。
在液化天然气行业的应用
在液化天然气 (LNG) 工厂中，需要大量洁净氮气用于多种用途。因此，低温空气分离制氮技术是确保 LNG 安全高效运行的关键。氮气在 LNG 中的典型用途包括：
- 冷藏： Many LNG liquefaction trains incorporate nitrogen refrigeration cycles (e.g. open-cycle Brayton loops or nitrogen expanders) as precooling or main refrigerant stages. A cryogenic ASU can supply the bulk LN₂ needed for these loops. In some train designs, excess cold nitrogen from the ASU is routed to pre-cool the natural gas feed, leveraging the cold energy of the product gas.
- 惰性化和吹扫：氮气用于惰性化储罐、管道和工艺设备，以防止易燃混合物的形成。例如，在液化天然气船舶装卸过程中，储罐和软管会用液氮吹扫，以隔绝氧气。空分装置的液氮库存为这些安全操作提供支持。
- 冷能集成 液化天然气 (LNG) 再气化时会吸收热量并产生冷能。先进的工厂会将这种冷源与空分装置 (ASU) 集成；LNG 再气化产生的低温制冷剂可辅助 ASU 热交换器，从而降低总能耗。反之，ASU 气流产生的废冷可用于预冷 LNG 蒸汽或原料气。
- 管道氮气管理： 如果天然气中氮气过量，可以使用空分装置 (ASU) 产生的氮气进行脱氮，但这通常由专用的氮气回收装置 (NRU) 处理。更常见的情况是，空分装置产生的氮气用于满足规格要求或安全地为燃气轮机燃烧器供气（例如，在液化天然气 (LNG) 工厂的联合循环发电中）。
在实际应用中，大型液化天然气工厂可能会在厂区内配套建设空气分离装置以满足这些需求。例如，大型出口码头可能需要日产数千吨纯度为99%以上的氮气。在这种情况下，低温空气分离装置是首选，因为它们既能提供高纯度氮气，又能提供制冷和储存所需的液态氮气（液氮），而其他方法（如变压吸附或膜分离）难以在这种规模下实现这一点。
结论
低温空气分离是工业氮气供应的核心技术。它通过将过滤后的空气冷却至低温，并采用多级蒸馏，高效可靠地生产超纯氮气。在液化天然气 (LNG) 行业，这种用于氮气生产的低温空气分离技术通过提供制冷剂和惰性气体来支持液化过程，并可利用再气化产生的冷能来提高效率。现代空气分离装置 (ASU) 是高度集成的系统，通过平衡压缩、热交换和膨胀，在满足纯度和流量目标的同时，优化能耗。对于设计 LNG 设施的工程师而言，了解低温空气分离装置的参数和性能至关重要：这可以确保在满足制冷、安全和工艺稳定性所需的氮气需求的同时，尽可能降低能耗。
