氮气纯化方法加氢除氧法
在催化剂作用下,普氮中残余氧和加入的氢发生化学反应生成水,其反应式:2H2+O2=2H2O,再通过后级干燥除去水份,而获得下列主要成份的高纯氮:N2≥99.999 %,O2≤5×10-6,H2≤1500×10,H2O≤10.7×10。制氮成本在0.5元/m^3左右。
加氢除氧、除氢法
此法分,级加氢除氧,第二级除氢,第除水,获得下列组成的高纯氮:N2≥99.999%,O2≤5×10,H2≤5×10,H2O≤10.7×10。制氮成本在0.6元/m3左右。碳脱氧法在碳载型催化剂作用下(在一定温度下),普氮中之残氧和催化剂本身提供的碳发生反应,生成CO2。反应式:C+O2=CO2。再经过后级除CO2和H2O获得下列组成的高纯氮气:N2≥99.999%,O2≤5×10,CO2≤5×10,H2O≤10.7×10。制氮成本在0.6元/m左右。
变压吸附制氮
变压吸附(Pressure Swing Adsorption,简称PSA)气体分离技术是非低温气体分离技术的重要分支,是人们长期来努力寻找比深冷法更简单的空分方法的结果。七十年代西德埃森矿业公司成功开发了碳分子筛,为PSA空分制氮工业化铺平了道路。三十年来该技术发展很快,技术日趋成熟,在中小型制氮领域已成为深冷空分的强有力的竞争对手。
变压吸附制氮是以空气为原料,用碳分子筛作吸附剂,利用碳分子筛对空气中的氧和氮选择吸附的特性,运用变压吸附原理(加压吸附,减压解吸并使分子筛再生)而在常温使氧和氮分离制取氮气。
变压吸附制氮与深冷空分制氮相比,具有显著的特点:吸附分离是在常温下进行,工艺简单,设备紧凑,占地面积小,开停方便,启动迅速,产气快(一般在30min左右),能耗小,运行成本低,自动化程度高,操作维护方便,撬装方便,无须基础,产品氮纯度可在一定范围内调节,产氮量≤2000Nm3/h。但到2017年为止,除美国空气用品公司用PSA制氮技术,无须后级纯化能工业化生产纯度≥99.999%的高纯氮外(进口价格很高),国内外同行一般用PSA制氮技术只能制取氮气纯度为99.9%的普氮(即O2≤0.1%),个别企业可制取99.99%的纯氮(O2≤0.01%),纯度更高从PSA制氮技术上是可能的,但制作成本太高,用户也很难接受,所以用非低温制氮技术制取高纯氮还必须加后级纯化装置。
氮气分子中对成键有贡献的是三对电子,即形成两个π键和一个σ键。 对成键没有贡献,成键与反键能量近似抵消,它们相当于孤电子对。由于N2分子中存在叁键N≡N,所以N2分子具有很大的稳定性,将它分解为原子需要吸收941.69kJ/mol的能量。N2分子是已知的双原子分子中稳定的,氮气的相对分子质量是28。氮气通常不易燃烧且不支持燃烧。化学式为N2N原子有较高的电负性(3.04),它同电负性较低的金属,如Li(电负性0.98)、Ca(电负性1.00)、Mg(电负性1.31)等形成二元氮化物时,能够获得3个电子而形成N离子。
氮气加压减少油耗,保护环境。轮胎胎压的不足与受热后滚动阻力的增加,会造成汽车行驶时的油耗增加;而氮气除了可以维持稳定的胎压,延缓胎压降低之外,其干燥且不含油不含水,热传导性低,升温慢的特性,减低了轮胎行走时温度的升高,以及轮胎变形小抓地力提高等,降低了滚动阻力,从而达到减少油耗的目的
由于氮气有很好的化学稳定性,价格便宜,作为无氧、干燥的惰性介质,广泛用做保护、吹除、充填等气体,以使化学性质活泼的物质不受氧化,减少设备的腐蚀。
在有色金属冶炼炉内充入氮气,可除低含氧量和湿度,减入氧化,提高产品质量。在干燥剂与吸附剂再生时,用氮气作为吹除气可以在较高温度下再生,且省时、效果好。在电子工业中用氮气吹洗硅片,可保持硅片的干燥和清洁。氮气还用于吹扫易燃物流过的管道和储存设备。用氮气吹除钢水,使钢中的氢含量除低,使钢强度大大提高。在高炉开工时吹入氮气(86%),可降低焦炭消耗,延长使用寿命。熔床层用氮脱气,能使能强度提高。
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