氮氣的常規(guī)用途:
由于氮的化學惰性,常用作保護氣體,如:瓜果,食品,燈泡填充氣。以防止某些物體暴露于空氣時被氧所氧化,用氮氣填充糧倉,可使糧食不霉爛、不發(fā)芽,長期保存。液氮還可用作深度冷凍劑。作為冷凍劑在醫(yī)院做除斑,包,豆等的手術時常常也使用,即將斑,包,豆等凍掉,但是容易出現(xiàn)疤痕,并不建議使用。高純氮氣用作色譜儀等儀器的載氣。用作銅管的光亮退火保護氣體。跟高純氦氣、高純二氧化碳一起用作激光切割機的激光氣體。氮氣也作為食品保鮮保護氣體的用途。在化工行業(yè),氮氣主要用作保護氣體、置換氣體、洗滌氣體、安全保障氣體。用作鋁制品、鋁型材加工,鋁薄軋制等保護氣體。用作回流焊和波峰焊配套的保護氣體,提高焊接質量。用作浮法玻璃生產過程中的保護氣體,防錫槽氧化。
現(xiàn)有的制氮工藝:
現(xiàn)場制氮是指氮氣用戶自購制氮設備制氮,工業(yè)規(guī)模制氮有三類:即深冷空分制氮、變壓吸附制氮和膜分離制氮。利用各空氣的沸點不同使用液態(tài)空氣分離法,將氧氣和氮氣分離。將裝氮氣的瓶子漆成黑色,裝氧氣的漆成藍色。
實驗室制法
制備少量氮氣的基本原理是用適當?shù)难趸瘎被蜾@鹽氧化,最常用的是如下幾種方法:(以下dilute代表極稀)
(1)加熱亞硝酸銨的濃溶液:(69.85℃)
(2)亞硝酸鈉的飽和溶液與氯化銨的飽和溶液相互作用:
(3)將氨氣通過紅熱的氧化銅:
(4)氨水與溴水反應:
(5)重鉻酸銨加熱分解:
(6)加熱疊氮化鈉,使其受熱分解,可得到很純的氮氣:
(7)鐵與濃度極稀的硝酸反應:
深冷空分制氮
它是一種傳統(tǒng)的空分技術,已有九十余年的歷史,它的特點是產氣量大,產品氮純度高,無須再純化便可直接應用于磁性材料,但它工藝流程復雜,占地面積大,基建費用高,需專門的維修力量,操作人員較多,產氣慢(18~24h),它適宜于大規(guī)模工業(yè)制氮,氮氣成本在0.7元/m³左右。
變壓吸附制氮
變壓吸附(Pressure Swing Adsorption,簡稱PSA)氣體分離技術是非低溫氣體分離技術的重要分支,是人們長期來努力尋找比深冷法更簡單的空分方法的結果。七十年代西德埃森礦業(yè)公司成功開發(fā)了碳分子篩,為PSA空分制氮工業(yè)化鋪平了道路。三十年來該技術發(fā)展很快,技術日趨成熟,在中小型制氮領域已成為深冷空分的強有力的競爭對手。
變壓吸附制氮是以空氣為原料,用碳分子篩作吸附劑,利用碳分子篩對空氣中的氧和氮選擇吸附的特性,運用變壓吸附原理(加壓吸附,減壓解吸并使分子篩再生)而在常溫使氧和氮分離制取氮氣。
變壓吸附制氮與深冷空分制氮相比,具有顯著的特點:吸附分離是在常溫下進行,工藝簡單,設備緊湊,占地面積小,開停方便,啟動迅速,產氣快(一般在30min左右),能耗小,運行成本低,自動化程度高,操作維護方便,撬裝方便,無須專門基礎,產品氮純度可在一定范圍內調節(jié),產氮量≤2000Nm³/h。但到2017年為止,除美國空氣用品公司用PSA制氮技術,無須后級純化能工業(yè)化生產純度≥99.999%的高純氮外(進口價格很高),國內外同行一般用PSA制氮技術只能制取氮氣純度為99.9%的普氮(即O2≤0.1%),個別企業(yè)可制取99.99%的純氮(O2≤0.01%),純度更高從PSA制氮技術上是可能的,但制作成本太高,用戶也很難接受,所以用非低溫制氮技術制取高純氮還必須加后級純化裝置。
膜分離制氮
膜分離空分制氮也是非低溫制氮技術的新的分支,是80年代國外迅速發(fā)展起來的一種新的制氮方法,在國內推廣應用還是2010-2017年的事。
膜分離制氮是以空氣為原料,在一定的壓力下,利用氧和氮在中空纖維膜中的不同滲透速率來使氧、氮分離制取氮氣。它與上述兩種制氮方法相比,具有設備結構更簡單、體積更小、無切換閥門、操作維護也更為簡便、產氣更快(3min以內)、增容更方便等特點,但中空纖維膜對壓縮空氣清潔度要求更嚴,膜易老化而失效,難以修復,需要換新膜,膜分離制氮比較適合氮氣純度要求在≤98%左右的中小型用戶,此時具有較好功能價格比;當要求氮氣純度高于98%時,它與同規(guī)格的變壓吸附制氮裝置相比,價格要高出30%左右,故由膜分離制氮和氮純化裝置相組合制取高純氮時,普氮純度一般為98%,因而會增加純化裝置的制作成本和運行成本。
氮氣純化方法
1) 加氫除氧法
在催化劑作用下,普氮中殘余氧和加入的氫發(fā)生化學反應生成水,其反應式:2H2+O2=2H2O,再通過后級干燥除去水份,而獲得下列主要成份的高純氮:N2≥99.999 %,O2≤5×10-6H2≤1500×10-6,H2O≤10.7×10-6。制氮成本在0.5元/m³左右。
2) 加氫除氧、除氫法
此法分三級,一級加氫除氧,第二級除氫,第三級除水,獲得下列組成的高純氮:N2≥99.999%,O2≤5×1010-6,H2≤5×1010-6,H2O≤10.7×10-6。制氮成本在0.6元/m³左右。
3)碳脫氧法
在碳載型催化劑作用下(在一定溫度下),普氮中之殘氧和催化劑本身提供的碳發(fā)生反應,生成CO2。反應式:C+O2=CO2。再經(jīng)過后級除CO2和H2O獲得下列組成的高純氮氣:N2≥99.999%,O2≤5×10-6,CO2≤5×10-6,H2O≤10.7×10-6。制氮成本在0.6元/m³左右。
但上述三種氮氣純化方法中,方法(1)因成品氮中H2量過高滿足不了磁性材料的要求,故不采用;方法(2)成品氮純度符合磁性材料用戶的要求,但需氫源,而且氫氣在運輸、貯存、使用中都存在不安全因素;方法(3)成品氮的質量完全可滿足磁性材料的用氣要求,工藝中不使用H2,無加氫法帶來的問題,氮中無H2且成品氮的質量不受普氮波動的影響,故和其他氮氣純法相比,氮氣質量更加穩(wěn)定,是較適合磁性材料行業(yè)中一種氮氣純化方法。
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