氮气用途和制取方法

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氮气用途随着科学技术的进步和经济的发展,氮的应用范围日益扩大,并已深入许多工业部门和日常生活领域。以氮气为基本成分的氮其气氛热处理,是为了节能和充分利用自然资源的一种新技术新工艺,它不仅节省原料消耗,而且经济、安全、不污染环境。业已表明,几乎所有常规的热处理工序,包括淬火、退火、渗碳、碳氮共渗、软氮化及复碳等都可采用氮基气氛来完成,所处理的金属零件在质量上可与传统的吸热式气氛热处理相媲美。近十多年来,国内外的研究、开发和应用万兴未艾,已取得了丰硕的成果。在电子元件和半导体等生产过程中,需要采用纯度达99.999%以上的氮气作保护气体。目前,我国已将高纯氮作为载气和保护气应用在彩电显像管、大规模集成电路、液晶及半导体硅片等生产过程。高纯氮还是化纤生产中至关重要的保护气体,氮气纯度愈高,化纤产品和颜色愈漂亮。如今,我国一些新建化纤厂都设置生产高纯氮的装置。氮还有“灵丹炒药”之称而受人青睐,它和人民的日常生活密切相关。我国已试验成功“真空充氮”贮藏大米,以及其他粮食包括小麦、大麦、玉米和稻谷等,使之在保管中不蛀虫、不发热、不霉变,以安全渡夏。其方法是将粮食用塑料布严密封闭,抽成低真空状态,然后充入纯度为98%左右的氮气,并保持商外压力平衡,使粮堆降氧,压低粮食的呼吸强度,抑制了微生物繁殖,蛀虫在36小时内因缺氧而全部死亡。据报道,这种降氧杀虫的方法不仅节省费用(约为采用磷化锌等剧毒药品熏杀所需费用的百分之一),而且保护粮食的新鲜和营养价值,防止了细菌传染和药品污染。充氮贮藏水果、蔬菜等是一种先进的贮藏、保鲜方法,它使水果、蔬菜在高氮低氧的环境中,减缓陈代谢,并进入冬眠状态,抑制后熟,从而长期保持鲜嫩。据试验,充氮贮藏的苹果,8个月后仍香脆爽口,每公斤苹果的保鲜费在1角钱左右。充氮贮藏可大大减少水果旺季损耗,又可保证水果淡季市场供应,同时提高了出口果品质量。茶叶抽气充氮包装,即将茶叶放入双层铝箔(或尼龙聚乙烯一铝复合箔)的袋内,抽除空气,注入氮气,封口密封。一年后茶质新鲜,茶汤清澈明亮,滋味淳香。氮在航天技术和国防工业方面有重要的用途:众所周知,人造卫星上天,必须子解太空,而太空是一个“既黑又冷和高真空”的宇宙。人们要在地面上仿造“天堂”就要建造“空间模拟室”,为宇宙空是进行有关的地面试验。模拟宇宙空间要采用液氮和液氦,美国的大型空间模拟室每月要耗用氮气约30万m3来进行大型模拟风洞试验。为了确保易燃易爆的火箭液氢装置的安全运行,在适合部位都装上氮气灭火器。高压氮气是火箭燃料(液氢一液氧)的压送气和燃烧管路的清扫气。通常,在飞机起飞前和降落后,采用氮气吹扫发动机燃烧室,以清除爆炸危险,确保安全。此外,原子反应堆,也采用氮气作为保护气体。随着工业发展,各方面对氮气的需求日益增长。1989年,日本按氮气销售量统计,钢铁工业(包括有色金属)约占10%,化学工业(包括陶瓷)约占50%,汽车、拖拉机及造船工业约占4%,一般机械工业约占3%,电子工业约占20%,其他方面约占13%。近几年来,美国氮气消耗量每年以11%的速度递增。从氮的应用情况来看,我国还远未所及,但随着国民经济的不断的发展和四化建设的进行,氮在我国的应用范围将日益扩大,各方面对氮气的需要也将不断增加。氮的一些典型用途金属热加工光亮淬火、光亮退火、渗碳、碳氮共渗、软氮化等氮基气氛热处理的氮源,焊接及粉末冶金烧结过程保护气等电子工业大规模集成电路、彩电显像管、电视机和收录机元件及半导体处理的氮源,焊接及粉末冶金烧结过程保护气等冶金工业连铸、连轧、钢材退火保护气氛,转炉顶底复合吹氮炼钢,炼钢转炉密封,高炉炼铁煤粉喷吹等工艺食品保鲜粮食、水果(果品)、蔬菜等的气调贮藏与保鲜,肉类、乳酪、榨菜、茶叶及咖啡等的充氮保鲜包装,果汁、生油及果酱等的充氮排氧保鲜,各类瓶洒的净化和覆盖等医药工业中药(人参)的充氮贮藏与保鲜,西药针剂充氮,贮罐及容器的充氮,药料气动传送的气源等化工工业置换、清洗、密封、检漏及保护的气体干法熄焦,催化剂再生,石油分馏,化纤生产等化肥工业氮肥原料,触媒保护,洗涤气等塑料工业塑料粒子的气动传输,塑料生产及贮藏防氧化等橡胶工业橡胶的包装与贮存,轮胎生产等玻璃工业浮法玻璃生产过程的保护气石油工业贮罐、容器、催化塔及管道等的充氮净化,管路系统的压力检漏等煤炭工业煤矿防灭火石油开发近海石油平台的气体覆盖,氮气压注开采石油,贮罐及容器惰化等仓储防止地窖、谷仓等仓库可燃粉尘的着火爆炸等海运油轮清洁气等航天技术火箭燃料增压剂,发射台置换气和安全保护气,宇航员操纵气,空间模拟室、飞机燃料管路的清洗气等其他油漆和涂料充氮排氧以防止油干燥的聚合作用,石油及天然气贮罐及容器的充氮排氧等。氮气的制取方法及供氮方式N2在自然界中分布很广,是空气的主要成分,主要以单质分子氮的形式存在于大气之中。在干燥空气中,N2的体积占空气的78.03%。因此,空气是制取氮气的最大原料库,它取之不尽,用之不竭。工业用氮气的制取总是以空气为原料,将其中的O2和N2分离而获得,其方法主要有:⒈低温精馏法(深冷法);⒉变压吸附法;⒊薄膜渗透法;⒋化学吸收法。低温精馏法已有近90年历史,工业上大规模生产氧、氮以此法最为经济,在空气分离方法中占有牢固统治地位。70年代初,变压吸附法的产品开始在市场上出现,经不断完善和改进,近年来在中小型空分设备中采用变压吸附法已可与低温精馏法竞争。薄膜渗透法的空分设备正从实验科研成果过渡到产品开发过程中,其制氮设备已有商品供应。化学吸收法现正处中间试验阶段,此法用于大规模的空气分离制氮有很大前途,但有不少技术问题需要解决。目前国内外供氮的方式,一般有以下几种:⑴制氮装置供氮⑵钢瓶供氮⑶管线供氮⑷贮液槽供氮我国现制氮装置大多采用深冷法,深冷空分作为一种传统的制氮方法,已为人类服务了几十年,至今它仍然是氮气供应的主要来源。然而,深冷空分装置复杂,设备投资、占地面积及基建费用等都比较大,操作、管理和维修也比较麻烦,因而70年代以来,国内外积极运用变压吸附分离理论研究开发分子筛空分的制氮技术。其设备简单、装置小巧,投资省,操作、维修方便,可实现自动化和电脑化运行,所以,它倍受青睐。

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