介绍
低温空气分离法是生产大量高纯度氮气的主要工业方法。环境空气（约含78%的氮气和21%的氧气）首先经过过滤和压缩（通常压缩至5-10巴），以提高制冷效率。然后对压缩空气进行净化，去除二氧化碳和水分，最后冷却至低温（约-180至-190°C），使氧气和氩气液化。分馏塔利用各组分沸点不同的特性（氮气沸点为-196°C，氧气为-183°C，氩气为-186°C）来分离气体。最终，从塔顶连续输出气态氮气（纯度通常为99.5-99.99%），同时收集液态氧气（和氩气）作为副产品。
在运行过程中，用于生产氮气的低温空气分离装置 (ASU) 持续稳定运行。净化后的高压空气进入多流换热器的冷箱，并被流出的冷流体逐步冷却。膨胀涡轮机或焦耳-汤姆逊阀提供额外的制冷，使部分空气完全液化。冷却后的部分液化空气被送入高压精馏塔（约 5-8 巴）。在该塔中，富氧液体聚集在底部，富氮蒸汽上升到顶部。富氧液体随后被输送到低压塔（约 1-2 巴）进行进一步纯化，而高纯度氮气蒸汽则从塔顶抽出。一部分氮气产品（通常为 5-10%）被有意液化（液氮）并储存起来，这有助于维持制冷平衡并满足高峰需求，其余部分则以气态形式输送。
流程步骤
在用于生产氮气的低温空气分离装置中，需要遵循以下步骤：
- 压缩：环境空气被吸入，并通过多个阶段（带中间冷却）压缩至更高的压力（通常为 5-10 巴表压）。在冷却之前压缩空气比压缩冷气体更节能。
- 净化：高压空气流经吸附器（分子筛和活性氧化铝），去除水、二氧化碳和碳氢化合物。去除这些杂质可以防止冷箱内结冰和堵塞。
- 预冷和制冷：净化后的空气通过一个由热交换器组成的冷箱，在那里，空气被流出的低温产品流逐步冷却。膨胀式涡轮机或焦耳-汤姆逊阀提供额外的制冷，使部分空气完全液化。
- 分馏：冷却后的部分液化空气进入分馏塔。在高压塔（约 5-8 巴）中，富含氧气的液体聚集在底部，富含氮气的蒸汽上升到顶部。液态氧被送入低压塔（约 1-2 巴）进行进一步提纯，而氮气蒸汽则从塔顶排出，作为最终产品。
- 产品回收：氮气（通常纯度为 99.5% 至 99.99%）被加热至环境温度。大部分氮气以气态形式排出；一小部分（约 5% 至 10%）被液化（液氮），用于储存并通过闪蒸提供制冷。氧气和氩气作为底部或侧流收集，并根据工厂设计作为副产品出售或进行处理。
设计精良的空气分离装置（ASU）可以实现高运行时间和对气体纯度的精确控制。操作人员通过调整回流比和塔压来满足规定的氮气纯度要求。例如，提高低压塔的回流比可以提高氮气纯度，但这需要额外的再沸腾和制冷能量。
关键设备和设计注意事项
用于生产氮气的低温空气分离装置的主要设备包括：
- 空气压缩机：多级离心式或往复式压缩机（无油或油润滑），用于将环境空气压缩至设计压力（通常为 5-8 巴）。较高的排气压力可以提高制冷效率，但也会增加功耗。
- 净化系统：分子筛或氧化铝吸附床可去除水分、二氧化碳和碳氢化合物，使其含量降至非常低的水平，以避免在低温部分发生冻结。
- 冷箱式换热器：高效板翅式或管式换热器，利用流出的低温产品流冷却高温压缩空气。换热器的低温端通常可达到约 –180 °C。
- 膨胀制冷：涡轮膨胀机或焦耳-汤姆逊阀提供额外的冷却。在许多设计中，一部分高压氮气通过涡轮膨胀机膨胀，产生低温，并通常用于驱动压缩机（涡轮膨胀机能量回收）。
- 精馏塔：通常包括一个高压塔（运行压力约为 5-8 巴）和一个低压塔（运行压力约为 1-2 巴），每个塔内都装有塔盘或规整填料。这些精馏塔负责分离过程，在塔顶产生氮气蒸气，在塔底产生液氧（和氩气）。
- 产品压缩机和泵：分离后，氮气通常会被压缩，然后输送到管道或用于工艺流程。如果生产的是液态产品（液氮、液氧），则会将其泵送到储罐中。
操作压力和温度的选择旨在实现最佳效率。例如，典型的设计方案可能采用压力约为 6 bar 的高压塔和压力约为 1.2 bar 的低压塔。冷箱出口温度通常约为 -185 °C。所有设备都必须能够承受这些低温高压条件。在用于生产氮气的低温空气分离装置中，设计人员必须确保每个组件都能承受这些极端操作条件。下表总结了关键设计参数。
| 范围 | 典型范围/值 |
|---|---|
| 供气压力（压缩机出口压力） | 5–10 巴（表压） |
| 冷箱出口（冷端）温度 | –170 to –190 °C |
| 氮气纯度（产品气体） | 99.5%–99.99%（按体积计） |
| 氮气生产速率（气体） | 每天约100-1500吨以上（每台设备） |
表1. 生产氮气的低温空气分离装置 (ASU) 的典型运行参数。
上表总结了典型数值。这些范围对于设备选型和设计至关重要。例如，大型工厂可能会将空气压缩至约 6 巴，冷却至 –185 °C，并生产纯度约为 99.5% 的氮气，产量约为 1000-1500 吨/天，同时还会生产液氧。小型装置的氮气产量相应较低。工程师在设计阶段会利用这些参数来确定精馏塔、换热器和压缩机的尺寸。
能源利用与效率
由于压缩和制冷需要消耗大量能量，低温空气分离制氮工艺本身就是一种高能耗过程。现代制氮装置通常每生产一标准立方米（Nm³）氮气需要消耗约 0.3-0.5 千瓦时的电能。（换算过来，生产一吨氧气大约需要 150-200 千瓦时的电能。）提高效率的措施包括使用高效换热器和多级膨胀。例如，大型系统通常会将一部分高压氮气通过涡轮机膨胀，从而产生制冷效果。设计人员必须平衡高压塔的运行压力：运行压力在 6-8 巴时可以提高制冷效率，但同时也会增加压缩功耗。通过调整这些压力并使用逆流式板翅式换热器，可以回收大部分产品流中的冷量。实际上，设计良好的低温空分装置可以实现高于 99.5% 的氮气纯度，回收率高，并且每生产一标准立方米氮气的电耗约为 0.3-0.5 千瓦时。
工业应用
低温空气分离制氮技术在许多需要大量高纯度氮气的行业中不可或缺。主要应用包括：
- 液化天然气 (LNG) 设施：大型液化天然气工厂依靠低温空气分离技术生产氮气，以供应气态和液态氮。气态氮用于净化管道和储罐并使其保持惰性，而液态氮 (LN₂) 则用于闭环循环（例如布雷顿制冷循环）中的制冷。
- 化工厂和石化厂：许多化工厂（例如合成氨、化肥、石化产品生产厂）需要大量氮气用于惰性气体保护、覆盖和吹扫。这些工厂通常依靠低温空气分离技术生产氮气，以满足其现场对高纯度氮气的需求。
- 半导体和电子产品制造：半导体制造需要超高纯度氮气（通常纯度高达 99.999% 或更高），用于晶圆退火和设备惰化等工艺。低温制氮装置可以达到这些纯度水平，并提供不含水分和碳氢化合物的氮气。
- 食品和饮料：氮气用于食品加工中的包装、保鲜和惰性气体保护。小型生产商可能会使用变压吸附制氮机，而大型企业可能会安装低温制氮装置（或购买液氮）以获得所需的产量和质量。
- 冶金与材料：金属热处理、焊接和金属生产等工艺通常在氮气环境下进行，以防止氧化。低温液氮为这些工艺提供大量氮气供应，确保气体质量稳定。
- 一般工业用途：许多行业使用氮气进行吹扫、干燥和压力输送。低温空气分离制氮技术可确保为这些用途提供稳定、洁净的氮气供应。
低温空气分离装置的设计目标是实现连续运行（通常每年运行时间超过 8000 小时），并具有高可靠性。它们可以生产气态和液态氮，这使得它们在需要液态产品或极高纯度产品时，与变压吸附（PSA）或膜分离系统相比具有优势。
结论
低温空气分离制氮技术为工业氮气需求提供了一种可靠的解决方案。通过压缩和液化空气，并利用分馏塔，这些装置能够持续供应大量超高纯度氮气。关键设计因素包括进气压力（通常为 5-8 巴）、冷箱温度（约 -180 °C）以及塔回流设置，以达到目标纯度（通常为 99.5% 或更高）。典型的大型装置每天可生产数百至数千吨高纯度氮气。
总而言之，当需要极高纯度或大批量氮气时，低温空气分离制氮技术仍然是行业标准。这项技术成熟可靠，并且能够在现场同时生产气态和液态氮，因此对于液化天然气工厂、化工厂、电子产品制造以及世界各地的许多其他应用领域都至关重要。这项技术确保工业生产过程能够获得稳定、高质量的氮气供应，以满足其惰性气体保护、制冷和工艺流程等方面的需求。
