氮氣的制備方法有哪些?
現(xiàn)場制氮/工業(yè)制氮
自增壓液氮罐
現(xiàn)場制氮是指氮氣用戶自購制氮設(shè)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,最常氮氣氣氛爐氮氣氣氛爐用的是如下幾種方法:
1、加熱亞硝酸銨的溶液: (343k)NH4NO2 ===== N2↑+ 2H2O
2、亞硝酸鈉與氯化銨的飽和溶液相互作用: NH4Cl + NaNO2 === NaCl + 2H2O + N2↑
3、將氨通過紅熱的氧化銅: 2 NH3 + 3 CuO === 3 Cu + 3 H2O + N2
4、氨水與溴水反應(yīng):8 NH3 + 3 Br2 (aq) === 6 NH4Br + N2↑
5、重鉻酸銨加熱分解: (NH4)2Cr2O7===N2↑+Cr2O3+4H2O
6、加熱疊氮化鈉,使其熱分解,可得到很純的氮氣,2NaN3===2Na+3N2↑
深冷空分制氮
它是一種傳統(tǒng)的空分技術(shù),已有九十余年的歷史,它的特點是產(chǎn)氣量大,產(chǎn)品氮純度高,無須再純化便可直接應(yīng)用于磁性材料,但它工藝流程復(fù)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(chǎn)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(shù)是非低溫氣體分離技術(shù)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(jié)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(shù)發(fā)展很快,技術(shù)日趨成熟,在中小型制氮領(lǐng)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(shè)備緊湊,占地面積小,開停方便,啟動迅速,產(chǎn)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(chǔ),產(chǎn)品氮純度可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié),產(chǎn)氮量≤2000Nm3/h。但到目前為止,除美國空氣用品公司用PSA制氮技術(shù),無須后級純化能工業(yè)化生產(chǎn)純度≥99.999%的高純氮外(進口價格很高),國內(nèi)外同行一般用PSA制氮技術(shù)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(shù)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(shù)制取高純氮還必須加后級純化裝置。
膜分離空分制氮
膜分離空分制氮也是非低溫制氮技術(shù)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(nèi)推廣應(yīng)用還是近幾年的事。
自增壓液氮罐
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(shè)備結(jié)構(gòu)更簡單、體積更小、無切換閥門、操作維護也更為簡便、產(chǎn)氣更快(3min以內(nèi))、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(fù),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,此時具有最佳功能價格比;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。