氮氣的用途及氮氣制造方法

氮氣的常規用途：

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、不發芽，長期保存。液氮還可用作深度冷凍劑。作為冷凍劑在醫院做除斑，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，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。

現有的制氮工藝：
現場制氮是指氮氣用戶自購制氮設備制氮，工業規模制氮有三類：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的氧化劑將氨或銨鹽氧化，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），它適宜于大規模工業制氮，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公司成功開發了碳分子篩，為PSA空分制氮工業化鋪平了道路。三十年來該技術發展很快，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，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生反應，生成CO2。反應式：C+O2=CO2。再經過后級除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，氮氣質量更加穩定，是較適合磁性材料行業中一種氮氣純化方法。