低温制氮 是指在极低温度下从空气中分离出高纯度氮气的过程。该方法利用了氮气和氧气在不同的低温下液化的原理（氮气在-196°C，氧气在-183°C），从而可以在蒸馏塔中实现分离。在典型的低温空气分离装置（ASU）中，过滤后的空气（约含78% N₂和21% O₂）被压缩，然后膨胀或通过热交换器冷却至约-180°C，使空气部分液化。由于氮气的沸点较低，它首先从低温液体中汽化，在塔顶产生近乎纯净的氮气。该工艺能够生产纯度从约99.5%到99.999%甚至更高的氮气，使其适用于要求苛刻的工业应用。
低温氮气生产工艺
- 空气压缩和净化：环境空气被吸入并压缩（多级压缩）至中等压力（通常为 5-10 巴），然后进行冷却。粗过滤、冷冻冷却和分子筛吸附器去除水分、二氧化碳和碳氢化合物，以保护下游设备。
- 低温冷却： 净化后的高压空气通过逆流式换热器和膨胀涡轮机（涡轮膨胀机或焦耳-汤姆逊阀）达到低温（约-180°C）。在这种条件下，较重的杂质会冻结，空气形成低温的液-汽混合物。
- 分馏：冷空气进入一个或多个蒸馏塔。沸点为-196°C的氮气汽化并上升到塔顶，而沸点为-183°C的氧气和其他较重的组分则以液态形式留在塔底。现代工厂通常采用高压塔向低压塔供液，以实现超高的纯度和收率（必要时可选配氩气回收塔）。
- 产品收集： 纯净的氮气从低压塔顶部抽出，加热至环境温度，并以管道压力输送给最终用户。一部分液氮（约占总产量的10%）也被收集并储存在保温罐中。储存的液氮可以汽化以满足高峰需求或作为备用供应。
低温氮气生产的关键设备
- 空气压缩机：多级往复式或离心式压缩机将进气压力提高到约 5-10 巴范围。各级之间的中间冷却器可去除热量并帮助冷凝水蒸气。
- 空气净化系统：压缩下游，空气通过聚结过滤器和分子筛干燥器（通常是双床 TSA），去除水、二氧化碳和油，以防止在低温部分结冰。
- 低温换热器（冷箱）：关键部件是低温冷箱，其中包含板翅式或盘管式换热器。这些换热器可实现进入的暖空气和排出的冷产品流之间的分级换热，逐步将工艺空气冷却至约-180°C。
- 膨胀涡轮机（涡轮膨胀机）：焦耳-汤姆逊阀和涡轮膨胀机通过膨胀高压空气或氮气来提供额外的冷却。涡轮膨胀机通常驱动氧气回路上的增压压缩机，同时为工艺过程提供制冷。
- 蒸馏塔： 分离的核心部件，通常由两根塔（高压塔和低压塔）组成，采用绝缘不锈钢制成。高压塔产生富氧液体和富氮蒸汽，并将其送入低压塔。低压塔顶部产生高纯度氮气蒸汽。
- 增压压缩机和泵： 减压装置和泵用于调节产品压力。例如，小型增压器可以提高液氧压力，而汽化器（使用蒸汽或温水的热交换器）可根据需要将储存的液氮转化回气体。
- 储存和产品处理： 绝缘低温储罐储存液氮，可根据需要将其汽化以满足高峰需求。控制阀和压力调节器确保将氮气以正确的纯度和压力输送给最终用户。
低温制氮性能参数
| 范围 | 典型值（低温氮气装置） |
|---|---|
| 氮气纯度（体积百分比） | ~99.5% – 99.999% |
| 流量（N₂，Nm³/hr） | 约5000-60000人（大规模） |
| 输送压力（巴） | 4 – 6（典型管道输送） |
| 单位能量（kWh/Nm³） | 约0.3 – 0.5（用于N₂生产） |
| ASU Capacity (O₂ output) | 每日氧气产量约100至5000吨以上 |
本表总结了低温制氮装置的关键设计参数。典型的现代空分装置（ASU）可提供接近100%纯度的氮气，产量可达每小时数千标准立方米。管道输送的压力通常在4-6巴范围内。单位制氮能耗约为每标准立方米氮气0.3-0.5千瓦时。大规模的氧气产量（每天数百至数千吨）意味着需要相应的巨大氮气生产能力。
低温制氮技术的应用
- 钢铁及金属：低温氮气在钢铁厂中广泛用于惰性气体保护和保护。例如，盛装熔融铁水的鱼雷钢包内充满氮气以防止氧化，氮气被鼓入熔融钢中以促进混合和均质化。
- 化工、石油化工和油气行业：大型化工厂和炼油厂使用氮气进行安全和工艺控制。氮气惰性化可保护反应器和储罐免受有害气体的侵害，并用于管道吹扫和压力测试。低温装置通常用于氨合成、石油化工原料生产和浮法玻璃熔炉。
- 半导体和电子行业：电子行业在半导体晶圆制造和显示器制造等工艺中需要超高纯度氮气（纯度达到五个九或更高）。低温氮气可为洁净室和光刻设备提供持续稳定的洁净干燥气体，用于吹扫、冷却和维持惰性环境。
- 食品、饮料和制药行业：在食品包装和药品生产中，氮气用于置换氧气（以延长保质期或维持无菌环境）。低温氮气（通常由液态氮气汽化而来）也可用于产品的快速冷冻或冷却。这些行业受益于现场制气，以确保可靠的气体质量和供应。
运营和经济方面的考虑
- 高纯度和高产能：低温制氮空分装置可稳定生产纯度≥99.5–99.999%的氮气，并可在极高的流量（数千立方米/小时）下运行。全天候24小时不间断输出，适用于大型流程工业。
- 规模经济：低温制氧厂规模越大越经济；当氧气日产量超过200-300吨时，尤其是超过500吨时，其成本效益就越高。在这样的规模下，单位气体的能源成本下降，高产量也使得资本投资物有所值。
- 能耗：低温制氮工艺能耗较高。典型的能耗约为每立方米氮气0.3-0.5千瓦时，高于小规模膜分离或变压吸附（PSA）系统。提高热集成度和使用高效膨胀机是降低能耗的关键途径。
- 运行因素：大型低温装置需要高额的资本投入，并且需要熟练的操作和维护人员。与PSA装置相比，它们的占地面积更大，启动时间更长。然而，它们也能生产有价值的副产品（高纯度氧气和氩气），并且能够满足更简单的系统无法达到的严格纯度和连续性要求。
结论
总之，采用空气分离法生产低温氮气仍然是目前行业内生产大量超纯氮气的标准方法。这些系统利用低温蒸馏技术，可提供纯度通常高于99.9%的氮气，满足炼钢、化工、半导体制造等行业的严格要求。虽然低温空气分离装置需要大量的资本投资和制冷能源，但它们能够实现规模经济效益（日产量达到数百吨时即可达到高效运行），并提供持续可靠的氮气供应。能量回收涡轮机、工艺优化以及与可变电源的集成等创新技术不断提升效率。随着行业需求的增长，现场低温空气分离装置通过模块化设计和更智能的控制系统不断改进，确保低温氮气生产仍然是专注于高纯气体生产的工厂设计者和运营者的关键技术。
