低温空气分离 是从空气中大量生产高纯度氮气的基石技术。空气中约含78%的氮气，使其成为一种储量丰富的原料。在低温空气分离制氮过程中，大气中的空气被冷却至极低温度直至液化，然后通过蒸馏，根据不同组分的沸点差异将其与氧气和其他组分分离。由于该工艺能够生产出纯度极高且产量足以满足高要求应用的氮气，因此在工业领域变得至关重要。以下各节详细介绍了低温空气分离制氮工艺的工作原理、涉及的关键设备、低温生产的优势、所生产氮气的常见用途，以及它与其他生产方法的比较。
低温空气分离制氮工艺步骤详解
通过低温空气分离法生产氮气涉及多个阶段。该过程的关键步骤如下：
- 空气压缩：首先，吸入环境空气，并由大型空气压缩机将其压缩至更高的压力（通常约为 6-8 巴）。压缩空气不仅会增加其压力，还会升高其温度；因此，在压缩阶段之间使用中间冷却器来去除压缩产生的热量。压缩空气为下游的净化和冷却步骤提供必要的驱动力，从而启动低温空气分离制氮过程。
- 预冷和净化：压缩空气随后进入预冷单元和净化系统。在预冷阶段，空气通过冷却水或制冷冷却至接近正常环境温度（例如，约 10°C），从而冷凝掉大部分水分。接下来，空气流经分子筛吸附器（通常称为预净化单元，PPU），去除残留的水蒸气、二氧化碳和任何碳氢化合物。去除这些杂质对于低温空气分离制氮工艺至关重要；否则，它们会在后续的低温步骤中冻结成冰或干冰，堵塞设备。经过此净化阶段后，空气洁净干燥（露点极低），即可进行低温冷却。
- 低温冷却和液化：接下来，在低温空气分离制氮过程中，净化后的加压空气进入隔热冷箱内的换热器系统。在这里，空气与来自蒸馏塔的冷氮气和冷氧气流进行热交换，逐步冷却。随着空气流经多级换热器，其温度急剧下降。最终，空气达到低温（约-170°C至-190°C）并开始液化。在许多系统中，膨胀涡轮（涡轮膨胀机）提供额外的冷却：一部分高压空气（或氮气）通过涡轮膨胀，进一步降低其温度，产生实现和维持液化所需的制冷量。到此步骤结束时，空气成为处于低温状态的液态和冷气混合物。
- 塔式分馏 在低温空气分离制氮工艺中，低温液化空气被送入分馏塔系统进行分离。大多数低温空气分离装置采用双塔结构。第一塔是高压分馏塔（工作压力约为5-8 bar），进入的液态空气在此开始分离。氮气的沸点（-196 °C）低于氧气（-183 °C），因此氮气会汽化并上升到塔顶，而富氧液体则聚集在塔底。来自高压塔顶部的氮气蒸汽（其中仍含有少量氧气和氩气杂质）随后被导入第二塔低压分馏塔（工作压力接近环境压力，约为1.2 bar）。在低压塔中，进行进一步的提纯：高纯度氮气在该塔顶部获得，氧气（如果装置配置有氩气回收功能，则氩气也会被回收）则在塔底浓缩。一个名为再沸器-冷凝器的热交换装置将两个塔连接起来：它将来自高压塔的氮气蒸汽冷凝以提供液体回流，同时蒸发富氧液体以供给低压塔。通过这种连续的回流和回流过程，上升的蒸汽和下降的液体实现了越来越高的分离纯度。氮气在低压塔顶部被逐步提纯至所需纯度（通常为99.9%至99.999%）。
- 产品收集与交付：在低温空气分离制氮工艺结束时，高纯度氮气从低压塔顶部收集。根据工厂设计和最终用途要求，该氮气可以以气态或液态形式排出。气态氮气通过热交换器升温至环境温度（回收冷能），然后输送至储罐或管道以供使用。如果需要超低温液氮 (LIN) 产品，则部分氮气保持液态并送至隔热低温储罐。同样，氧气和氩气副产品（如果回收）也从塔系统中的相应位置排出。最后，氮气产品——无论是以压力气态还是低温液态形式交付——均可分发给最终用户或用于下游工艺。
这种多步低温空气分离制氮工艺能耗高，但效率极高。它利用热力学原理，精确控制温度和压力，将空气彻底分离成氮气和其他成分。最终得到的氮气纯度极高，且产量巨大。
低温空气分离系统的关键组成部分
低温空气分离装置（通常称为空气分离单元，ASU）由多个集成组件构成，每个组件在氮气生产中都发挥着关键作用：
- 主空气压缩机：一台强大的压缩机吸入大气空气，并将其提升至所需的高压（约 6-10 巴），以启动低温空气分离制氮过程。通常采用带中间冷却的多级压缩机，以在控制温度的同时达到所需的压力。压缩机通常是系统中最大的耗电设备之一，它提供驱动整个低温过程所需的压缩空气。
- 预净化单元 (PPU)：空气在进入冷箱之前，会先经过净化系统。现代空分装置 (ASU) 使用预净化单元，该单元包含一个或多个装有吸附剂（分子筛）的容器，用于去除进气中的水分 (H₂O)、二氧化碳 (CO₂) 和碳氢化合物。这可以防止低温设备中结冰或形成 CO₂ 固体。预净化单元通常包括一个冷却器，用于将空气预冷至约 5–10 °C，并通过冷凝去除大部分水分；以及两个吸附床，它们交替进行空气处理和再生（使用加热的废氮气），以提供连续的洁净空气。
- 换热器：低温板翅式或盘管式换热器通过将热量传递给离开蒸馏塔的低温气态产品来冷却进入的空气。它们以近乎逆流的方式运行，通过回收来自出口冷流的冷量，使加压空气的温度接近其液化温度。高效的换热器是该工艺的核心，确保来自产品和废液的冷能以最小的损失预冷进入的空气。
- 膨胀涡轮机（膨胀器）：为了达到液化空气所需的极低温度，需要使用膨胀涡轮机。这种涡轮膨胀机将一部分高压气流（可以是空气或氮气）膨胀至较低压力。气体膨胀时会做功（通常用于驱动连接的发电机或另一级压缩机），同时气体温度显著下降。因此，膨胀机提供的制冷效果是对仅靠热交换器所能达到的制冷效果的补充。如果没有膨胀机，该过程将难以高效地达到极低温。
- 蒸馏塔： 空分装置的核心是蒸馏塔系统，通常由两个垂直塔组成，它们并排安装在冷箱内。高压塔在高压下对液化空气进行初步分离，低压塔则在接近大气压的条件下进一步细化分离。塔内设有多个塔盘或填料，以促进上升的蒸汽和下降的液体之间的接触，从而实现分馏。在低压塔的顶部，冷凝器将氮气蒸汽液化以提供回流；在高压塔的底部，再沸器将富氧液体汽化——这些集成组件有助于在塔之间传递热量。蒸馏塔确保氮气、氧气和氩气（如果回收）根据其沸点分离至所需的纯度。
- 低温冷箱上述组件——尤其是那些在低温下运行的热交换器、蒸馏塔以及相关的阀门和管道——都被封装在一个隔热的冷箱内。这是一个大型密封容器（通常填充珍珠岩隔热材料），能够使内部设备保持在极低的温度，并隔绝外部热量。冷箱可以防止设备上结冰或结霜，并保持内部的制冷量，从而提高低温工艺的热效率。
- 产品储存和汽化：空气分离并提取氮气后，产品气体或液体通常会被送入储存和供应系统。对于气态氮，可以使用增压压缩机来提高产品气体的压力，以满足管道或终端用户的要求（因为从低压塔中排出的氮气接近环境压力）。对于液氮输出，使用隔热储罐将液氮保持在 -196 °C。通常还会安装蒸发器或汽化器，以便根据需要将液氮转化回气态，从而以所需的压力和温度向客户提供气体。虽然这些储存和输送组件本身并非蒸馏过程的一部分，但它们确保了以所需状态向用户提供氮气产品。
低温空气分离制氮工艺中的每个部件都必须经过精心设计和维护。压缩、热交换、膨胀和蒸馏等过程相互交织，使得整个工艺高度同步。即使是微小的故障（例如阀门泄漏或热交换器结垢）也会影响纯度或效率，因此稳健的设计和控制至关重要。
低温制氮的优势
低温空气分离制氮工艺在工业和科研应用中具有几个显著优势：
- 超高纯度：低温空气分离制氮工艺可实现极高的氮气纯度（99.99% 至 99.999% 甚至更高）。这种纯度水平很难通过非低温方法获得。低温蒸馏不仅能去除氧气，还能去除其他痕量气体，从而制得适用于半导体制造、航空航天应用和其他超洁净工艺的氮气。
- 大批量生产：低温空气分离制氮工艺是满足大规模制氮需求的理想选择。它每小时可生产数千至数万立方米的氮气。例如，一台大型空气分离装置每小时可生产 10,000 标准立方米或更多的氮气，足以供应大型钢铁厂或石化联合企业。低温系统的产能远超其他替代技术的典型产量，使其成为工业气体供应商和大型工厂的理想之选。
- 规模化成本效益：尽管低温空气分离制氮工艺的实施需要大量的资本投入，但它能带来规模经济效益——随着产能的增加，单位氮气的成本会降低。对于需要持续、大批量氮气供应的行业而言，从长远来看，大型低温制氮装置通常比运营多个小型制氮装置更具经济效益。
- 其他气体联产：低温空气分离制氮工艺的一大优势在于能够联产其他有价值的气体，例如氧气和氩气。该工艺在提供氮气的同时，还能分别产出氧气（用于医院、焊接和燃烧过程）和氩气（用于焊接、照明和电子行业）。这种多产品输出能够提升整体经济效益，因为单个工厂即可满足多种气体需求，或将多余的气体销售到其他市场。
- 连续运行可靠性： 实际上，低温空气分离制氮工艺全天候连续运行，这些系统高度自动化，最大限度地减少了停机时间。这对于无法承受供应中断的行业至关重要。一旦冷却并运行，空分装置 (ASU) 即可稳定运行，保证产品质量始终如一。其稳健的设计和先进的控制系统确保了长期稳定的性能，这对于需要不间断惰性气体供应的关键应用而言是一项关键优势。
低温氮的工业应用
采用低温空气分离制氮工艺获得的氮气广泛应用于各个行业。一些常见的工业应用包括：
- 化工和石油化工：低温空气分离制氮工艺生产的高纯氮气广泛用于化工厂和炼油厂的惰性气体保护和保护。它能置换反应器、储罐和管道中的氧气和水分，防止发生不必要的反应、氧化、火灾或爆炸。例如，在炼油和石油化工过程中，氮气吹扫可确保安全无氧的环境，从而保护挥发性化合物。
- 冶金与钢铁制造：钢铁厂和金属加工厂消耗大量的氮气。在炼钢过程中，氮气用于隔绝空气，防止熔融金属氧化，并用于清除转炉和铸造设备中的氧气。氮气还用于高温工艺的加压和冷却，从而提高热处理炉和金属加工的质量。这些应用需要可靠的氮气供应，通常由现场低温空气分离装置提供。
- 电子和半导体制造：电子行业依赖超纯氮气来营造可控的无污染环境。半导体制造过程中，氮气用于吹扫工艺设备和运输晶圆，因为任何氧气或水蒸气都可能损坏敏感的电子元件。低温空气分离制氮工艺可提供这些精密任务所需的纯度，确保在微芯片、LED 和其他半导体器件的生产过程中保持惰性气氛。
- 食品饮料行业：食品加工商将氮气用于包装和冷冻。在气调包装中，氮气被注入食品包装（例如零食、咖啡、新鲜农产品），以置换氧气，并通过减缓氧化和微生物生长来延长保质期。液氮还用于速冻食品——其极低的温度可以快速冷冻产品，从而保持其质地和营养价值。啤酒厂和饮料生产商可能会使用氮气来冲洗储罐和管道，以及对饮料进行碳酸化或加压（例如在氮气饮料中）。
- 医疗保健和实验室：医院和实验室经常使用低温空气分离制氮工艺生产的氮气，用于各种用途，例如为医疗设备供电、保存生物样本或作为分析仪器的载气。低温工厂生产的液氮对于冷冻保存至关重要——它用于在超低温下冷冻和储存生物样本（如血液、组织或生殖细胞）。低温生产工艺生产的氮气纯度高且易于获取，使其适用于这些对温度要求极高的应用。
这些例子说明了低温氮气在众多领域的重要性。凡是需要惰性气氛或极低温环境的领域，低温空气分离产生的氮气都是这些工艺的基础。
与其他氮生产方法的比较
为了完整起见，有必要将低温空气分离制氮工艺与其他常见的制氮方法进行比较，即变压吸附和膜分离：
- 变压吸附 (PSA)：PSA 系统通过使压缩空气通过吸附剂床层来生产氮气，吸附剂床层会捕获氧气并允许氮气通过。PSA 制氮机因其前期成本低、操作简便、启动迅速（可在几分钟内生成氮气）等优点，常用于中小规模的现场供氮。然而，PSA 通常只能提供纯度约为 95% 至 99.9% 的氮气。虽然 PSA 可以实现超高纯度（99.99% 或更高），但效率低下且成本高昂，通常需要多个吸附阶段，并且需要消耗更多电力。相比之下，低温空气分离制氮工艺能够可靠地生产更高纯度的氮气，并处理更大的氮气量，尽管其能耗更高且工艺更复杂。PSA 通常用于中等纯度需求或备用供氮，而低温空气分离制氮则适用于极高纯度或大批量连续输出的需求。
- 膜分离：膜式制氮机采用中空纤维聚合物膜，氧气渗透速度快于氮气，从而提高产品流中的氮气含量。膜式装置结构紧凑，几乎可以立即启动，非常适合低纯度要求（通常为90-99% N₂）和中小流量的应用。它们常用于储罐惰性化、为石油和天然气作业提供氮气、激光切割机等对便携性和简易性要求较高的场合。膜系统维护成本低，没有复杂的运动部件，但其纯度和产量无法达到低温和变压吸附（PSA）系统所能达到的水平。如果需要高纯度（>99.9%）或大规模供应，膜式制氮机就显得不切实际了。因此，膜式制氮机满足中等纯度和分散式需求，而低温工艺仍然是超高纯度和大批量生产的首选。
总之，非低温方法（变压吸附和膜分离）因其操作简便、投资成本低，非常适合小规模或低纯度要求的应用。当需要连续供应极高纯度或大量氮气时，尽管低温空气分离能耗较高且工艺复杂，但仍是首选技术。实际上，许多工业气体装置采用组合式工艺：低温装置用于基础负荷的高纯度氮气生产，并辅以变压吸附或膜分离装置来满足高峰需求或特定的低纯度氮气需求。
低温制氮系统的典型参数
下表列出了低温空气分离制氮工艺的典型设计和操作参数：
| 范围 | 典型值/范围 |
|---|---|
| 氮气纯度（产品） | 99.9% 至 99.999%（最高可达 5.0–6.0 N 级） |
| 生产能力 | 数百至数万 Nm³/h（可扩展） |
| 进气压力 | 压缩阶段后，压力约为 6–8 巴 |
| 蒸馏温度 | 低温工作范围，约-180°C至-196°C |
| 单位功耗 | 每生产1 Nm³ N₂，大约可产生0.5–0.7 kWh的能量 |
| 启动时间 | 需要几个小时才能冷却下来（大型植物需要 6-24 小时以上） |
Nm³/h = 标准条件下每小时的正常立方米数。上述数值会根据工厂规模、所需产品纯度和设计细节而有所不同。大型、先进的工厂通常比小型或老旧设计的工厂单位产品能耗更高。
结论
低温空气分离制氮工艺是一种成熟高效的制氮方法，能够以无与伦比的纯度和巨大的产量生产氮气。通过利用低温蒸馏和先进的工程技术，低温空气分离装置可以满足工业界对氮气和液态产品最严苛的需求。虽然基础设施和电力需求较高，但其优势包括可靠的批量生产、规模化的成本效益以及可灵活地联产氧气和氩气。这种可扩展性——从为中型制造工厂供气到为整个钢铁厂供气——使得低温技术成为工业气体供应链中不可或缺的一部分。在技术和工业需求不断增长的时代，低温空气分离制氮工艺仍然是提供稳定、高纯度惰性气体的黄金标准，而这种惰性气体对于全球无数工艺流程至关重要。
低温空气分离 是从空气中大量生产高纯度氮气的基石技术。空气中约含78%的氮气，使其成为一种储量丰富的原料。在低温空气分离制氮过程中，大气中的空气被冷却至极低温度直至液化，然后通过蒸馏，根据不同组分的沸点差异将其与氧气和其他组分分离。由于该工艺能够生产出纯度极高且产量足以满足高要求应用的氮气，因此在工业领域变得至关重要。以下各节详细介绍了低温空气分离制氮工艺的工作原理、涉及的关键设备、低温生产的优势、所生产氮气的常见用途，以及它与其他生产方法的比较。
