低温空气分离制氮是工业气体行业的基础工艺，可大规模生产高纯度氧气和氮气。首先，将环境空气压缩并冷却至低温（低于-150°C），使其液化。然后，利用氮气（-196°C）和氧气（-183°C）的沸点差异，通过一系列蒸馏塔实现氮气和氧气的连续分离。现代低温空气分离装置 (ASU) 每小时可输出数千标准立方米 (Nm³/h) 的纯氮，使其成为满足超大连续需求的理想选择。低温空气分离制氮系统广泛应用于工业领域，以满足此类需求。通过同时生产氧气甚至氩气，低温装置实现了极高的整体效率。低温空气分离制氮为最大容量的工业气体供应提供了支持。
低温空气分离 工艺
低温空气分离制氮工艺可分为几个关键阶段：
- 空气压缩和净化：环境空气被压缩至中等压力（通常为 4–10 个大气压），并通过过滤器和分子筛去除水分和二氧化碳。去除杂质可防止冷区结冰和堵塞。
- 多级冷却： 净化后的加压空气分阶段冷却。它依次经过热交换器和膨胀涡轮或阀门。渐进式焦耳-汤姆逊膨胀（节流）迅速降低温度，使其接近空气的液化点（约 -190°C）。
- 低温蒸馏 一部分空气液化后，进入蒸馏塔。常见的装置是两个相连的蒸馏塔。在下部（压力较高）的蒸馏塔中，沸点较高的氧气聚集在塔底，而富含氮气的蒸汽则上升到上部蒸馏塔。通过连续回流和再沸腾，超纯氮气从上部蒸馏塔的顶部被抽出。
- 产品萃取和再压缩：高纯度氮气（通常为95%至99.999%，具体取决于设计）在所需压力下从塔顶抽出。一些装置还会冷却并抽出液氮流。同时，富氧液体或蒸汽被收集和提纯，如有需要，侧线抽出装置可产生氩气。
现代低温空气分离制氮系统兼顾了高纯度和大规模生产。但其缺点在于复杂性和成本：低温装置需要大型压缩机、换热器、隔热冷箱和高耸的蒸馏塔。设备必须能够承受极低的温度。通常，一台商用空气分离装置每小时可处理数万立方米的空气。由于将大量空气冷却至低温需要消耗大量能源，因此与结构更简单的系统相比，低温空气分离装置的运行成本相对较高。
绩效与经济效益
低温空气分离制氮装置经过优化，可实现极高的产能和纯度。现代化的空气分离装置 (ASU) 可提供从几百到数万 Nm³/h 的氮气流量。纯度可通过控制回流比和压力进行调节。实际上，低温空气分离装置通常可实现 95%–99.9% 的氮气纯度，而特殊装置可满足特定需求，达到 ≥99.99% 的纯度。这种超高纯度对于电子和特种化学品等行业至关重要。大型一体化工厂通常以 99.5%–99.9% 的氮气纯度运行，同时生产液氧或液氩作为副产品，以提高整体效率。低温空气分离制氮装置通常服务于综合工业园区，通过联产氧气和氩气来提高整体效率。
然而，低温制氮需要消耗大量能量。将大量空气冷却至低温需要强大的制冷循环，而这主要由空气压缩机驱动。粗略估计，通过低温空分装置生产高纯度氮气（~99.9%）大约需要消耗每立方米氮气0.6-0.8千瓦时的能量。绝对值而言，这意味着每吨氮气需要消耗数百千瓦时的能量。纯度较低或装置规模较小会略微降低能耗，但与同等产量的变压吸附（PSA）或膜分离装置相比，低温空分装置的能耗始终更高。
低温空气分离氮气在大容量下可实现显著的效率提升。
经济效益有利于规模化。资本成本：低温空分装置的资本支出非常高。大型装置通常耗资数千万美元。一个粗略的经验法则是，每吨年氧气产能的成本约为 200 至 300 美元。这比小型 PSA 或膜分离装置的单位产能成本高得多。对于小流量（例如 <3,000 Nm³/h），低温空分装置的单位产能成本可能比 PSA 系统高出 20% 至 50%。然而，随着规模的扩大，规模经济效应开始显现。在非常大的规模（远大于 10,000 Nm³/h）下，低温装置的单位资本成本可能会降低。换句话说，日处理量达数百吨的低温装置可能因其巨大的处理能力和多种产品而具有经济效益。大型钢铁、化工或电力联合企业通常能够接受高额的资本支出，因为同一空分装置还能提供氧气和氩气，从而抵消成本。
运行成本：电力是主要支出。由于空气压缩机和制冷系统在高负荷下持续运行，低温空分装置（ASU）每立方米氮气（N₂）的耗电量高于变压吸附（PSA）或膜分离装置。如前所述，低温装置生产高纯度氮气时，耗电量约为0.7千瓦时/立方米，而PSA装置生产95-99%纯度氮气时，耗电量约为0.3千瓦时/立方米。此外，由于低温设备需要专业技术人员，其维护和人工成本也更高。总之，如果某个场所的氮气需求量适中或负荷波动较大，则结构简单的PSA/膜分离装置通常总成本更低。但如果需求量巨大且稳定，则低温空分装置会因其规模优势而更具竞争力。
另一种评估成本的方法是比较现场制取和购买气体的成本。对于大型用户而言，现场制取低温氮气的成本可能仅为每立方米几美分（包括摊销后的资本支出）。相比之下，购买液氮或钢瓶装氮气的成本通常是现场制取的 2-4 倍，因为其中还包括运输、储存和处理费用。现场制取低温氮气还可以提供液态产品和其他增值气体。
与PSA/VPSA和膜系统的比较
除了低温空分装置外，常见的制氮技术还有变压吸附/变压吸附 (PSA/VPSA) 装置和膜分离装置。每种装置都有其自身的优势和局限性：
- 变压吸附/变压吸附 (PSA/VPSA)：这些技术使用吸附剂床（例如碳分子筛）优先吸附氧气，从而获得富氮气产品。它们可以生产纯度为 95%–99.5%（优化设计可达约 99.9%）的氮气，并采用模块化撬装设备。PSA 装置可在数分钟内启动，且结构相对紧凑。在氮气纯度相近的情况下，其运行能耗（约 0.25–0.4 kWh/Nm³）低于低温装置。初始投资成本适中。然而，PSA 系统通常用于处理量不超过几千 Nm³/h 的氮气——超过此规模，低温装置则更为经济。
- 真空压升压吸附 (VPSA)：一种利用真空提高压升压回收率的压升压 (PSA) 变体。它具有与压升压 (PSA) 类似的纯度极限（约 95-99%），并具有许多共同的特性。
- 膜分离 这类系统使用聚合物膜，氧气透过速度比氮气快。膜分离装置结构非常简单，几乎可以瞬间启动，维护成本低。然而，它们的氮气纯度通常最高只能达到约 95-98%（更高的纯度需要多级系统），而且流量有限（每个膜组几百 Nm³/h）。对于中等纯度的应用，其能耗较低（与低流量下的变压吸附 (PSA) 系统相当）。膜分离在小型、简单的应用中表现出色，但无法达到低温装置所需的超高纯度或超高流量。
下表总结了主要区别：
| 范围 | 低温空气单元 | PSA / VPSA | 膜分离 |
|---|---|---|---|
| N₂纯度范围 | 95%–99.9%（特殊单位可达≥99.99%） | 约95%–99.5%（优化PSA后可达99.99%） | 约90%–98%（实际最大值约99%） |
| 容量范围 | 非常大（数百至超过 100,000 Nm³/h） | 小型至中型（10–5,000 Nm³/h） | 小型（典型值为 1–500 Nm³/h） |
| 启动时间 | 非常长（数小时至一天） | 短（几分钟到一小时） | 非常短（几秒到几分钟） |
| 资金成本 | 高（大型专用工厂） | 中等（滑橇式装置） | 低（紧凑型系统） |
| 运行功率 | 高（高纯度时为 0.5–0.8+ kWh/Nm³） | 中等 (0.2–0.4 kWh/Nm³) | 低（类似于低流量时的PSA） |
| 维护 | 复杂（专业低温维护） | 中等（标准阀门/塔） | 结构简单（活动部件少） |
| Flexibility | 低（专为稳定运行而设计） | 高（易于调节的输出） | 高（非常灵活，即插即用） |
| 典型应用 | 散装供应（钢铁厂、石油化工企业、散装气体码头） | 行业多样（制药、食品、电子、中型化工） | 即时使用（实验室、激光切割、小型商店） |
这项对比表明，当工厂需要超高纯度或超大产量的氮气，而PSA/膜分离技术无法经济高效地满足需求时，通常会选择低温空气分离制氮。实际上，大型工厂有时会采用混合系统（低温空气分离装置加PSA/增压装置），以兼顾高产能和灵活性。
成本分析
鉴于这些工厂规模庞大，低温空分制氮装置需要大量的资本投资。资本支出主要来自大型压缩机、冷冻式换热器和高耸的蒸馏塔。一套适用于大型化工或化肥联合企业的现代化空分装置造价可能高达数千万美元。按单位成本计算，这远高于类似的变压吸附（PSA）系统。例如，行业数据显示，对于需求量低于几千立方米/小时的情况，低温装置的成本（按每立方米产能计算）可能比PSA装置高出20%至50%。而当需求量超过这个范围时，低温空分装置可以实现规模经济，最终每立方米的成本可能更低。在大型工厂中，由于空分装置还能生产氧气/氩气，从而提高整体经济效益，因此其成本是合理的。
运行成本也主要由电力消耗构成。空气压缩机是主要的能源消耗设备，制冷负荷也会增加电力消耗。在低温空分装置中，单位能耗高于同等氮气输出量的变压吸附（PSA）或膜分离装置。低温空分装置在生产纯度约为99.9%的氮气时，通常每立方米氮气消耗约0.6-0.8千瓦时。相比之下，同等纯度的变压吸附装置可能仅需0.25-0.4千瓦时/立方米（取决于纯度）。此外，由于低温系统需要专业技术人员，其维护成本也更高。
总之，如果电力成本很高，或者氮气需求量相对较小或间歇性，PSA 或膜分离式制氮机的总成本通常较低。但如果某个设施需要高纯度的非常大的连续氮气流量（通常>5,000–10,000 Nm³/h），那么低温空分装置在单位成本上可能更经济。现场低温制氮还可以帮助企业避免高昂的液氮运输成本。粗略估计，满负荷运行的现场低温制氮成本可能仅为每立方米几美分，而购买散装液氮（包括运输和处理）的成本通常是其数倍。
工业应用
因此，低温空气分离制氮成为满足最高产量、最高纯度需求的主要大宗供应来源。主要应用领域包括：
- 化工和石化厂：大型化工联合体（尤其是化肥/氨厂和炼油厂）使用氮气进行吹扫、汽提和保护。例如，氨合成需要高纯度氮气（通常由空分装置提供）。炼油厂和石化装置在加氢裂化装置和重整装置等反应器中使用氮气作为惰性气体或吹扫气。与炼油厂或化工园区毗邻的大型现场低温空分制氮装置，可提供稳定、高流量的氮气（通常纯度为99.9%以上）以及氧气，用于其他工艺。在钢铁生产中，低温空分制氮为连铸和热处理提供稳定的惰性气氛。
- 钢铁冶金：综合钢厂消耗大量气体。高纯氮气在连铸、钢包搅拌和退火炉中提供惰性气氛，以防止热钢氧化。轧制和热处理过程中，使用氮气或氮氩混合气来控制气氛。钢厂的低温装置通常每小时供应数千标准立方米的超纯氮气。与碱性氧气转炉中使用的氧气不同，这种氮气有助于温度控制和钢精炼，而不会引入氧气。
- 能源领域：在石油和天然气行业，氮气扮演着重要角色。提高采收率（EOR）项目会向油藏注入大量氮气以维持压力。海上平台或陆上区块可能会安装低温氮气发生器来满足这种持续的需求，而无需运输液氮。在发电和公用事业领域，氮气用于吹扫天然气管道、覆盖燃料罐以及冷却部件。低温空气分离氮气也是一些新兴技术不可或缺的一部分，例如液气储能（将空气液化并膨胀以产生能量）和气化工艺（使用高纯氧气并排放氮气副产品）。
- 其他行业：低温空分装置 (ASU) 生产的散装氮气用于玻璃制造（防止熔炉氧化）、半导体制造（超洁净氮气环境）和食品加工（散装包装气体）。在许多情况下，较小的变压吸附 (PSA) 装置或外购气体即可满足需求；低温氮气通常用于规模或纯度超出这些替代方案处理能力的场合。
总之，当产能或纯度需求超过变压吸附 (PSA) 或膜分离的实际限制时，低温空气分离制氮是理想之选。典型应用场景包括极高的连续需求（通常为 >5,000–10,000 Nm³/h，纯度 >99%）。低温空气分离装置 (ASU) 能够同时生产氧气和氩气，这进一步提升了其在化工、钢铁和能源一体化设施中的应用价值。
结论
低温空气分离制氮仍然是高产能、高纯度制氮的标杆技术。它通过液化和蒸馏空气，能够以其他方法无法企及的纯度和产量提供氮气（以及氧气和氩气）。其主要缺点是资本和电力成本显著更高，启动时间也更长。然而，在化工、钢铁和能源等对超大容量、稳定氮气供应至关重要的行业，低温空气分离装置往往是首选。它们拥有PSA或膜分离系统无法比拟的产量和多气体灵活性，这使得低温系统成为现代重工业不可或缺的组成部分。
