西安氣體廠家 | 液氮的制備方法有哪些？

液氮的制備核心是將氣態氮氣（占空氣78%）液化，主流方法以“空氣分餾法”為主（工業規模化生產），實驗室或小規模場景可采用輔助制備技術，具體分類及細節如下：

一、主流制備方法：空氣分餾法（工業級/大規模生產，占全 球液氮產量95%以上）

這是最成熟、成本最 低的規模化制備技術，核心原理是利用空氣中各組分（氮、氧、氬等）的沸點差異，通過深度冷卻和精餾分離，最終將氮氣液化。具體分為“低溫精餾法”（主流）和“中壓精餾法”（適配特定場景），步驟統一如下：

1.預處理：凈化空氣（去除雜質）

先將空氣吸入壓縮機，同時通過“過濾器”去除灰塵、顆粒物等固體雜質；

再通過“吸附塔”（填充分子篩）去除空氣中的水分（H?O）、二氧化碳（CO?）、碳氫化合物（如甲烷）等——這些雜質在低溫下會結冰或凝固，堵塞設備管道，必 須提前清除。

2.空氣壓縮與冷卻

將凈化后的空氣加壓至10~20MPa（高壓可降低液化所需溫度），壓縮過程中空氣會因摩擦生熱，需通過“冷卻器”（水冷或風冷）將溫度降至常溫（約25℃）；

若采用“膨脹機絕熱膨脹”技術（主流工業設備），會將加壓空氣進一步冷卻至-100℃左右，為后續液化做準備。

3.精餾分離：提取高純度氮氣

將冷卻后的空氣送入“雙級精餾塔”（由下塔“高壓塔”和上塔“低壓塔”組成）：

下塔（高壓塔，壓力約0.6MPa）：空氣在此部分液化，利用氮氣（沸點-195.8℃）比氧氣（沸點 -183℃）更容易汽化的特性，塔頂收集到高純度氣態氮氣（純度≥99.99%），塔底則得到富氧液空（含氧量約40%）；

上塔（低壓塔，壓力約0.1MPa）：將下塔的富氧液空進一步精餾，再次分離剩余雜質，最終得到高純度氮氣（純度可達到99.999%以上，滿足工業、醫療需求）。

4.液化與儲存

從精餾塔頂部導出的高純度氣態氮氣，通過“換熱器”與低溫液空進行熱交換，進一步冷卻至- 195.8℃（氮氣沸點），使其液化；

將液態氮導入專用絕熱容器（如大型低溫儲罐），或分裝至杜瓦瓶，完成制備。

特點：

優點：產量大（單套設備日產液氮可達數百噸）、純度高（可定制99.99%~99.9999%）、成本低、連續生產；

適用場景：工業規模化供應（如化工、金屬加工、食品冷凍等行業）。

二、實驗室/小規模制備方法（產量小、成本高，適配即時使用需求）

1.液氮發生器（現場制備）

原理：本質是“小型化空氣分餾系統”，集成了空氣壓縮、凈化、冷卻、膜分離/精餾分離、液化等模塊，無需外接大型設備；

流程：空氣經壓縮凈化后，通過“中空纖維膜”（初步分離氮氧，氮氣純度先提升至 95%~99%），再經小型精餾塔提純至99.99%以上，最后通過微型冷卻系統將氮氣液化；

特點：

優點：即產即用，無需儲存大量液氮，適合實驗室、小型醫院、科研機構（日均用量10~100 升）；

缺點：設備投資高，單位產量成本是工業分餾法的3~5倍，純度上限低于大型分餾設備（一般≤99.995%）。

2.低溫冷凝法（極小規模，科研場景）

原理：利用“液氦”或“制冷機”提供超低溫環境（低于氮氣沸點-195.8℃），將純氮氣（可采購鋼瓶裝高純氮氣）通入低溫冷凝腔，直接冷卻液化；

流程：鋼瓶高純氮氣（純度99.999%）經減壓后，緩慢通入液氮冷凝裝置（腔體溫度約- 200℃），氮氣在腔體內冷凝為液態，收集至小型杜瓦瓶；

特點：

優點：設備簡單，操作便捷，適合實驗室臨時少量制備（單次產量1~10升）；

缺點：依賴高純氮氣原料，成本極高，無法規模化生產，僅用于特殊科研實驗。

三、其他小眾制備方法（極少應用）

1.膜分離-液化聯用（低純度需求場景）

原理：先通過“膜分離技術”從空氣中直接分離出低純度氮氣（純度90%~95%），再將其壓縮冷卻至液化點，得到低純度液氮；

適用場景：對液氮純度要求不高的工業場景（如管道吹掃、簡單冷卻），優點是設備緊湊，缺點是純度低、成本高于工業分餾法。

2.節流膨脹液化法（早期技術，已淘汰）

原理：將高壓純氮氣（約10MPa）通過“節流閥”快速減壓，利用“焦耳-湯姆遜效應”（高壓氣體減壓后溫度驟降）使氮氣冷卻液化；

缺點：能耗極高，液化效率低（僅約5%~10%），僅用于早期實驗室，現已被液氮發生器和分餾法替代。