西安气体厂家 | 液氮的制备方法有哪些？

液氮的制备核心是将气态氮气（占空气78%）液化，主流方法以“空气分馏法”为主（工业规模化生产），实验室或小规模场景可采用辅助制备技术，具体分类及细节如下：

一、主流制备方法：空气分馏法（工业级/大规模生产，占全 球液氮产量95%以上）

这是最成熟、成本最 低的规模化制备技术，核心原理是利用空气中各组分（氮、氧、氩等）的沸点差异，通过深度冷却和精馏分离，最终将氮气液化。具体分为“低温精馏法”（主流）和“中压精馏法”（适配特定场景），步骤统一如下：

1.预处理：净化空气（去除杂质）

先将空气吸入压缩机，同时通过“过滤器”去除灰尘、颗粒物等固体杂质；

再通过“吸附塔”（填充分子筛）去除空气中的水分（H₂O）、二氧化碳（CO₂）、碳氢化合物（如甲烷）等——这些杂质在低温下会结冰或凝固，堵塞设备管道，必 须提前清除。

2.空气压缩与冷却

将净化后的空气加压至10~20MPa（高压可降低液化所需温度），压缩过程中空气会因摩擦生热，需通过“冷却器”（水冷或风冷）将温度降至常温（约25℃）；

若采用“膨胀机绝热膨胀”技术（主流工业设备），会将加压空气进一步冷却至-100℃左右，为后续液化做准备。

3.精馏分离：提取高纯度氮气

将冷却后的空气送入“双级精馏塔”（由下塔“高压塔”和上塔“低压塔”组成）：

下塔（高压塔，压力约0.6MPa）：空气在此部分液化，利用氮气（沸点-195.8℃）比氧气（沸点 -183℃）更容易汽化的特性，塔顶收集到高纯度气态氮气（纯度≥99.99%），塔底则得到富氧液空（含氧量约40%）；

上塔（低压塔，压力约0.1MPa）：将下塔的富氧液空进一步精馏，再次分离剩余杂质，最终得到高纯度氮气（纯度可达到99.999%以上，满足工业、医疗需求）。

4.液化与储存

从精馏塔顶部导出的高纯度气态氮气，通过“换热器”与低温液空进行热交换，进一步冷却至- 195.8℃（氮气沸点），使其液化；

将液态氮导入专用绝热容器（如大型低温储罐），或分装至杜瓦瓶，完成制备。

特点：

优点：产量大（单套设备日产液氮可达数百吨）、纯度高（可定制99.99%~99.9999%）、成本低、连续生产；

适用场景：工业规模化供应（如化工、金属加工、食品冷冻等行业）。

二、实验室/小规模制备方法（产量小、成本高，适配即时使用需求）

1.液氮发生器（现场制备）

原理：本质是“小型化空气分馏系统”，集成了空气压缩、净化、冷却、膜分离/精馏分离、液化等模块，无需外接大型设备；

流程：空气经压缩净化后，通过“中空纤维膜”（初步分离氮氧，氮气纯度先提升至 95%~99%），再经小型精馏塔提纯至99.99%以上，最后通过微型冷却系统将氮气液化；

特点：

优点：即产即用，无需储存大量液氮，适合实验室、小型医院、科研机构（日均用量10~100 升）；

缺点：设备投资高，单位产量成本是工业分馏法的3~5倍，纯度上限低于大型分馏设备（一般≤99.995%）。

2.低温冷凝法（极小规模，科研场景）

原理：利用“液氦”或“制冷机”提供超低温环境（低于氮气沸点-195.8℃），将纯氮气（可采购钢瓶装高纯氮气）通入低温冷凝腔，直接冷却液化；

流程：钢瓶高纯氮气（纯度99.999%）经减压后，缓慢通入液氮冷凝装置（腔体温度约- 200℃），氮气在腔体内冷凝为液态，收集至小型杜瓦瓶；

特点：

优点：设备简单，操作便捷，适合实验室临时少量制备（单次产量1~10升）；

缺点：依赖高纯氮气原料，成本极高，无法规模化生产，仅用于特殊科研实验。

三、其他小众制备方法（极少应用）

1.膜分离-液化联用（低纯度需求场景）

原理：先通过“膜分离技术”从空气中直接分离出低纯度氮气（纯度90%~95%），再将其压缩冷却至液化点，得到低纯度液氮；

适用场景：对液氮纯度要求不高的工业场景（如管道吹扫、简单冷却），优点是设备紧凑，缺点是纯度低、成本高于工业分馏法。

2.节流膨胀液化法（早期技术，已淘汰）

原理：将高压纯氮气（约10MPa）通过“节流阀”快速减压，利用“焦耳-汤姆逊效应”（高压气体减压后温度骤降）使氮气冷却液化；

缺点：能耗极高，液化效率低（仅约5%~10%），仅用于早期实验室，现已被液氮发生器和分馏法替代。