工业气体

工业气体是为了在产业中使用而制造的气态物质。常见的工业气体有氮、氧、二氧化碳、氩、氢及乙炔，也有许多的其他气体或是气体混合物，以气体钢瓶的型式提供。工业气体的产业包括有提供相关制造设备的产业、工业气体供应商及使用厂商。工业气体的制造也属于广义化学工业中的一部分（而工业气体也常视为是特殊化学品）。

工业气体应用在许多的产业中，例如石油产业、石油化工产品、化学产业、电能产业、采矿业、炼钢、金属、环境保护、医学、药品、生物技术、食品、水利、肥料、核动力、电子学及航空航天。工业气体一般会卖给其他工业客户，再将大量气体分装为钢瓶，或是利用管线方式提供给客户。

有些大规模的工业气体订单成交时，会伴随着供应批发的代理商，业务中也包括贩售或出租气体钢瓶，以及相关设备或技术人员。有些非工业场合也会有工业气体需求，例如系留气球、针对啤酒桶的气体、焊接气体及焊接设备、LPG及氧疗。

小规模的工业气体零售就不只限于工业气体公司或其客户。可以利用许多小型手持的气体容器（例如是钢瓶、罐子、墨盒，胶囊），可以提供液化石油气、丁烷、丙烷、二氧化碳或是一氧化二氮。例如气弹奶油、二氧化碳气弹及气泡水机都会用到。

## 早期气体应用史

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人类从自然环境中使用的第一种气体应该就是空气，远古时期的人类发现在火旁边吹气或是扇风会使火更大。人类也用烧火时产生的烟来熏食物，并且用将水煮沸产生的水蒸汽来烹煮食物。

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远古时期的人类就知道二氧化碳，是食品发酵处理的副产产品，其中也包括酒，在中国新石器时期的贾湖遗址中就有记录，约在公元前7000至6600年之间。中国约在公元前500年就开始使用天然气，当时人们发现可以将地上渗出的气体透过竹管运送，作为煮沸海水的原料。二氧化硫是罗马人用在制酒上的，他们会燃烧由硫作的蜡烛，放在空的酒容器中，使其中气味保持清新，不会有醋的味道。

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早期对气体的了解包括了经验证据以及炼金术的原科学，后来随着科学方法以及化学科学的建立，科学家们开始积极地识别以及了解这些工业气体。

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根据化学史得知，在18世纪及19世纪的第一次工业革命中，识别了许多的工业气体，也有些是首次制备出较纯的气体。依照发现时间来排列，分别是二氧化碳（1754年）、氢气（1766年）、氮气（1772年）、一氧化二氮（1772年）、氧气（1773年）、氨（1774年）、氯气（1774年）、甲烷（1776年）、硫化氢（1777年）、一氧化碳（1800年）、氯化氢（1810年）、乙炔（1836年）、氦气（1868年）、氟气（1886年）、氩气（1894年）、氪气、氖气及氙气（1898年）及氡气（1899年）。

二氧化碳、氢气、一氧化二氮、氧气、氨气、氯气、二氧化硫及人工燃气史在十九世纪就已经使用，主要是用在食品添加物、制冷、医疗、燃气及煤气灯。像有加二氧化碳的碳酸水是在1772年制造，1783年商品化。1786年开始使用氯气来漂白纺织品，1844年首次在牙医麻醉时使用一氧化二氮。此时使用的工业气体是化学反应产生气体后直接使用。像产生氢气的启普发生器就是在1844年发明的。像氢气、硫化氢、氯气、乙炔及二氧化碳等气体都是透过简单的气体析出反应生成。乙炔在1893年开始商业化生产，1898年开始用乙炔产生器来产生气炉及煤气灯需要的燃料，不过后来电力取代了乙炔照明上的用途，液化石油气在1912年开始商品化，因此烹调用乙炔的使用需求也开始下降。

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一开始只能供应少量的工业气体，但工业化时的工业气体需求量也开始增加，因此也加快有关大量工业气体生产的发明及技术创新。著名的气体工业生产方式包括用水电解来产生氢气（1869年）及氧气（1888年），生产氧气的布林过程（1884年）、生产氯气的氯碱法（1892）以及制氨气的哈柏法（1908年）。

冷冻空调的发展也开始了空气调节及气体液化上的进步。二氧化碳在1823年液化，是最早液化的气体。第一个蒸气压缩制冷循环是由醚为工质，是由雅各布·帕金斯在1834年发展，1873年发明了使用氨的类似循环，另一个使用二氧化硫的类似循环是在1876年。液氧和液氮都是在1883年首次制备，第一次制备液氢是在1898年，而液氦是在1908年第一次生产。液化石油气是在1910年首次制备，有关液化天然气的专利是在1914年申请，首次商业化生产是在1917年。

工业气体产业没有具体的开始时点，不过许多人会以1880年代建立第一个高压气瓶为准。一开始气瓶是因为用在碳酸饮料的碳酸化以及饮料填充。1895年发展了冷冻压缩循环，因此可以进行液化空气，例如卡尔·冯林德开始了大量的氧气制备，另外在1896年发现了大量的乙炔可以储存在丙酮中，而且不会爆炸，因此可以安全的将乙炔装瓶运送。

另外一个工业气体的应用是1900年代利用氧气及乙炔进行的焊接及金属切割。后来发展了越来越多的工业气体生成方式，因此许多气体就可以用气瓶的型式贩售，不需要配合气体生成器。

## 气体制备技术

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空气分离设备（ASU）借由分离过程精炼空气，可以大量的制备氮气、氩气及氧气，这三种气体常常会制备成低温的液体。为了达到够低的蒸馏温度，空气分离装置会用热泵及冷冻循环，透过焦耳-汤姆孙效应来达到冷冻的目的。

除了上述主要气体外，空气分离是唯一可以制备痕量气体稀有气体氖、氪及氙的方式。

低温技术也可以将气体液化，制备液化天然气、液氢及液氦。在天然气处理时，会将天然气经过氮气抑制单元，透过低温技术去除氮氧，若是天然气田中有足够的氦，精炼符合成本的话，也可以用此程序也可以从天然气中制备氦。较大的工业气体公司都在其专业领域投资了许多的专利，特别是低温技术。

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其他工业界中制备气体的主要技术是蒸汽重整。蒸汽重整是将天然气及水蒸汽转换为包括氢和一氧化碳的合成气，而其副产品为二氧化碳。部分氧化及自热重整（autothermal reforming）也是类似的制程，不过需要空气分离装置中所分离的氧气。合成气是氨或甲醇化学合成的原料。产生的二氧化碳是酸性气体，多半会透过胺处理移除。分离的二氧化碳可以截存至碳捕集石油储存，或是用来提高原油采收率。

空气分离和氢重整技术是工业气体技术的基础，也是许多燃料气化反应技术（例如整体煤气化联合循环）、热电联产、费托合成天然气制合成油架构中所需的技术。有许多氢气制备的方式，在英国的奥克尼岛也用氢气作为代替碳氢化合物的碳中和替代燃料（有关氢气的使用可以参考氢经济）。NASA的航天飞机是使用液氢为火箭推进剂。

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此外，也有一些较简单的气体分离技术，例如在变压吸附或真空吸附制程中，会用到的气体分离膜或分子筛，也会用在氮气产生器或制氧机中，用来产生较不要求纯度的空气气体。其他制造少量气体的例子有化学氧产生器或氧气浓缩器.

除了空气分离以及合成气重整产生的主要气体外，工业界也可以生产许多其他的气体。有些气体单纯就是其他产业的副产品，而有些可能需要从大型的气体供应商来购买，并且精炼并且重新装填。不过也有一些气体有其生产的制程。例如氯化氢可以由在氯气中燃烧氢气来制备，硝酸铵略为加热，热分解后会产生一氧化二氮。氟的制备要透过电解，而在空气或是氧气中电晕放电可以生成臭氧。

有一些和气体制备相关的服务及技术，例如真空（可能是医疗气体系统需要的），净化的压缩空气，或是制冷。另一种特殊的系统是非活性气体产生器。有些工业气体公司也会提供一些相关的化学物质，特别像是溴及环氧乙烷等液体。

## 配气系统

### 气体供应方式

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若是室温及一般压力下是气体的化学物质，多半压缩气体的方式供应。会使用压缩机压缩气体，再透过管路装填到压力容器（例如气弹、气瓶或压缩空气长管拖车）内。气瓶是最常用的气体储存来源

不过不是所有的工业气体都会用气态的方式运送。有些气体在常温下是可以加压液化的蒸气，因此可以加压为液压，配合适当的容器运送。工业气体的相变也使其在室温下是良好的制冷剂，最有这类效果的业气体有氨（R717）、丙烷（R290）、丁烷（R600）及二氧化硫（R764）。氯气也有类似特性，不过因为其毒性、腐蚀性，以及容易和其他物质反应，因此很少作为制冷剂使用。若些气体在温度够低时也会有相变，例如乙烯（R1150）、二氧化碳（R744）、乙烷（R170）、一氧化二氮（R744A）及六氟化硫。不过只有在压力小于临界压力下时才可以液化，对于C2H4是9 °C，CO2是31 °C、C2H6是32 °C，N2O是36 °C，SF6是45 °C。

上述物质若在以200巴的压力加压，因为其压力超过临界压力，也可以以气体（非蒸气，无法冷却液化）的方式储存在气瓶中供应。其他的气体只有在冷却到够低温时才能以液态的方式供应。所有的气体若在已可以凝结为液体的温度，都可以作为制冷剂使用。例如氮气（R728）及甲烷（R50）都是低温下的冷冻剂。

二氧化碳的性质比较特别，在一般压力，温度较低时为固体，称为干冰，在室温下则升华为气体。二氧化碳要在压力超过三相点压力5.1 bar以上，才可能变成液体。

乙炔的供应方式也和其他气体不同，因为乙炔不稳定，容易爆炸，因此储存时会溶在丙酮中，并且装置在有多孔性材质的钢瓶内。乙炔也是少数在一般压力下不会相变为液体的工业气体。

### 气体输送方式

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主要的工业气体可以大量生产，并且利用管道运输输送给客户，不过也可以将气体包装后运送给客户。

大部分的气体都可以装填在气体钢瓶中贩售，有些则是以液体的形式，装在适当的容器（例如杜瓦瓶），或是以卡车运送的散装液体。工业界一开始是用气体钢瓶来运送气体，避免在客户端制备气体，不过像是炼钢厂或是炼油厂之类的大型客户，会在客户附近设置大型的气体制造厂（一般称为“现场”设施），以避免使用大量的气缸歧管。另外一种供应工业气体的方式是由化学工厂来制备气体，而不是直接供应气体。工业气体公司本身有有运行气体设备或是处理这类气体的经验，因此还可以依照客户气体设备的维护合约，提供设备操作员。

有些物体若以气体的形式使用，有危险性，例如氟因为活性大，有高危险性。工业界一些会用氟化氢或是氢氟酸代替。另一种处理高活性气体的作法是在需要气体时才在需要的地点生成气体，并立刻使用，例如臭氧会用臭氧生成机来生成。

气体输送的选项包括有直接现场产生气体、管路运送、散装输送（卡车、铁路、船），在气体钢瓶中的瓶装气体等。

散装液化气体一般会输送到终端客户的储存罐中。终端客户一般会再配合其自身小型的输送系统，用气体钢瓶（或是装有液化气体的容器）装填。有毒气体或是可燃气体一般是在储存在终端客户的气柜中，避免因外在火源失火，或是有气体漏出的情形。

## 工业气体的定义

工业气体是许多特别为了工业生产而制造，在常温，平常压力下为气态的物质。工业气体是化学物质，可能是化学元素，也可能是有机化合物或无机化合物，若是分子，多半是分子量较小的分子。工业气体也可能是许多气体的混合物。工业气体的价值是在其化学组成，可能是原材料、在制程中需要的物质，有用的产品，或是有特别的用途。

“工业气体”一词有时会限缩成气体公司贩售的主要气体，像是氮气、氧气、二氧化碳、氩气、氢氧、乙炔及氦气。对于其他的气体，不同公司所给的分类不同，不过多半会分为：“特殊气体”、“医疗气体”、“燃气”或“气态制冷剂”，不过气体也可能因为其用途或产业而命名”，例如“焊接气体”或“呼吸用气体”，也可能依其来源来名类，例如“大气气体”，或是以供应方式来分类，例如“包装气体”，主要的气体也可能会称为“大宗气体”或“常用气体”。

原则上，工业气体公司所贩售的气体或是混合物应该都有某种的工业价值，因此应该都算是“工业气体”。不过实务上，会列为工业气体的多半是化合物，或是有准确比例及化学成分的混合物，以小容量贩售，或是为了特殊应用，有高纯度 (气体)的需求（例如气焊和气割）。

一般而言，若气体的主要用途是作为燃料，在一些定义下不会算是工业气体。例如天然气是工业上使用的气体，主要用作燃料，偶尔才作为制造原料，以狭义的定义来看，不算是工业气体。在石油产业中较少用到“工业气体”的词语，因为石油产业制造的烃是来自自然资源或是来自炼油厂。而像液化石油气或液化天然气是复杂的混合物，其中成分的比例也常有变化。石油化工业也是比较特别的，像石油提炼中的石化产品（例如乙烯）一般也不会称为“工业气体”。

化学产业有时对“工业气体”的定义也有不同，像氨及氯气有时会视为化学品（尤其是以液态方式供应时），而不视为是工业气体

手持容器的少量气体供应有时也不视为是工业气体，因为其用途算是个人使用而不是工业用，供应者也不一定是化学药品商。

这些区分是基于这些产业的感知边界（虽然在实务上其实有些重叠），很难有科学化的精确定义。以下也是一些产业中的重叠之处：

燃气（像是都市煤气）以往会视为是工业气体，而合成气常视为是石化产品，虽然其生产技术是工业气体核心制造技术。另外，垃圾掩埋沼气、生物气体或废物转制能源以及氢制造技术也都有技术重叠的情形。

氦气是工业气体，不过其制备来源是来自天然气的生产。

若气体存放在气瓶中，比较容易视为是工业气体（用作燃料的例外）。

丙烷在用作冷媒时视为是工业气体，不过若在液化天然气制造时用来当冷媒，虽然两者的技术是重叠的，但后者就不算是工业气体。

## 气体

### 元素气体

已知可从自然资源取得的气态化学元素有氢、氮、氧、氟、氯以及稀有气体，这些都称为元素气体。这些元素大部分都是原始核素，只有氡是自然界的痕量同位素，因为其所有同位素都是放射性衰变后产生的放射性核素（目前还不确定原子序数超过108以上的人工合成元素中，是否存在气体元素，目前有学者推测112号及114号元素是气体）

元素气体中，在标准状况（STP）下是稳定双原子单质分子的有氢气（H2）、氮气（N2）、氧气（O2）以及卤素中的氟气（F2）及氯气（Cl2）。稀有气体都是单原子气体。

在工业气体中会用元素气体来区分这些气体以及其他化学成分为化合物的气体。元素气体中都是非金属元素。

氡的化学性质稳定，但具有放射性，没有稳定同位素。其中最稳定的同位素氡222，其半衰期3.8天。其用途主要因为其放射性而不是其化学特性，因此在工业气体中需要特殊的处理。氡气可能是铀矿床处理竹的副产物。

在这些气体元素中，只有氯气的临界温度高于标准状况的温度，因此常温下氯气可以加压变成液体。而溴和汞在标准状况下为液体，标准状况下会是液态元素和其元素蒸气共存。

- 空气中的气态元素
- 氮（N2）
- 氧（O2）
- 氩（Ar）
- 惰性气体元素
- 氦（He）
- 氖（Ne）
- 氩（Ar）
- 氪（Kr）
- 氙（Xe）
- 氡（Rn）
- 其他的元素气体
- 氢（H2）
- 氯（Cl2）：其实属于蒸气
- 氟（F2）

### 其他常见的工业气体

以下列出气体公司会贩售的常见气体

- 气体化合物
- 氨（NH3）
- 二氧化碳（CO2）
- 一氧化碳（CO）
- 氯化氢（HCl）
- 一氧化二氮（N2O）
- 三氟化氮（NF3）
- 二氧化硫（SO2）
- 六氟化硫（SF6）
- 气体烃
- 甲烷（CH4）
- 乙炔（C2H2）
- 乙烷（C2H6）
- 乙烯（C2H4）
- 丙烷（C3H8）
- 丙烯（C3H6）
- 丁烷（C4H10）
- 丁烯（C4H8）
- 重要气体混合物
- 空气
- 呼吸用气体
- 合成气体（forming gas）
- 焊接屏蔽气体
- 合成气（synthesis gas）
- 液化天然气循环中用的混合冷媒

### 重要的液化气体

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以下列出重要的液化气体：

- 从空气中制备
- 液氮（LIN）
- 液氧 (（LOX）
- 液态氩（LAR）
- 有许多不同的制备来源
- 液态二氧化碳
- 从烃原料生产
- 液氢
- 液氦
- 从烃原料生产的气体混合物
- 液化天然气（LNG）
- 液化石油气（LPG）

## 工业气体应用

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工业气体会以钢瓶与钢瓶组使用，而液态的工业气体会用用钢瓶储存。其应用相当广泛，以下是一些应用的例子：

## 公司

- AGA AB（已并入林德集团）
- Airgas（已并入液化空气集团）
- 液化空气集团
- Air Products & Chemicals
- 巴斯夫
- BOC集团（已并入林德集团）
- Gulf Cryo
- 林德集团（以前的Linde AG）
- 日本气体（太阳日酸公司的一部分）
- 梅塞尔工业气体集团
- Mox-Linde气体
- 普莱克斯
- Matheson Tri-Gas（太阳日酸公司的一部分）