氮气系列（二）氮气的制备

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氮气是空气的主要成分，约占空气的78%。单质氮N2在正常条件下是无色无味的气体。标准状态下气体密度为1.25g/L。熔点-210℃，沸点-196℃。液氮是一种低温制冷剂（-196℃）。

今天我们就介绍一下国内外生产氮气的几种主要方法。

一般工业规模制氮方法有低温空分制氮、变压吸附制氮、膜分离制氮三种。

一：深冷空分制氮方法

深冷空分制氮是一种传统的制氮方法，已有近几十年的历史。它以空气为原料，对其进行压缩、净化，然后利用热交换将空气液化成液态空气。液态空气主要是液氧和液氮的混合物。利用液氧和液氮的沸点不同，通过液态空气的蒸馏将其分离，得到氮气。

优点：产气量大，产品氮气纯度高。深冷制氮不仅可以生产氮气，还可以生产液氮，满足液氮的工艺要求，可以储存在液氮储罐中。当间歇性氮气负荷或空分设备小修时，储罐内的液氮进入汽化器并被加热，然后送至产品氮气管道，以满足工艺装置的氮气需求。深冷制氮机的运行周期（指两次大供暖之间的间隔时间）一般在1年以上，因此深冷制氮机一般不考虑备用。

缺点：深冷制氮可制得纯度≧99.999%的氮气，但氮气纯度受氮气负荷、塔板数量、塔板效率和液空气中氧气纯度的限制，调节范围很小。因此，对于一套深冷制氮设备来说，产品纯度基本是一定的，且不方便调节。由于深冷法是在极低的温度下进行的，因此设备在投入正常运行之前必须有一个预冷的启动过程。启动时间，即从膨胀机启动到氮气纯度达到要求的时间，一般不少于12小时；设备进入检修前，必须有一段加热解冻时间，一般为24小时。因此，低温制氮设备不宜频繁启停，以长期连续运行为宜。

另外，深冷工艺复杂、占地面积大、基础设施成本高、需要专门的维护力量、操作人员数量多、产气速度慢（18～24小时）。适用于大规模工业制氮。

二：变压吸附（PSA）制氮法

变压吸附（PSA）气体分离技术是非低温气体分离技术的重要分支。它是人们长期努力寻找比深冷法更简单的空气分离方法的结果。

20世纪70年代，西德埃森矿业公司成功研制出碳分子筛，为PSA空分制氮工业化铺平了道路。近30年来，这项技术发展迅速、日趋成熟。已成为中小型制氮领域深冷空分的有力竞争者。

变压吸附制氮以空气为原料，碳分子筛为吸附剂。它利用碳分子筛选择性吸附空气中氧气和氮气的特点，利用变压吸附（变压吸附、减压脱附和分子筛再生）原理，在常温下分离氧气和氮气，生产氮气。

与深冷空分制氮相比，变压吸附制氮具有显着的优点：吸附分离在常温下进行，工艺简单，设备紧凑，占地面积小，启停方便，启动快、产气快（一般30分钟左右）、能耗小、运行成本低、自动化程度高、操作维护方便、撬装方便、无需专用基础根据要求，产品氮气纯度可在一定范围内调节，氮气产量≤3000Nm3/h。因此，变压吸附制氮特别适合间歇操作。

但迄今为止，国内外同行采用PSA制氮技术只能生产纯度为99.9%（即O2≤0.1%）的氮气。有的公司可生产99.99%纯氮气（O2≤0.01%）。从变压吸附氮气生产技术的角度来看，更高的纯度是可能的，但生产成本太高，用户不太可能接受。因此，采用变压吸附制氮技术生产高纯氮气还必须添加后级净化装置。

氮气提纯方法（工业规模）

(1)加氢脱氧法。

在催化剂的作用下，氮气中残留的氧气与添加的氢气反应生成水，反应式为：2H2+O2=2H2O。然后经高压氮气压缩机增压除去水分，经后干燥得到主要成分为：N2≥99.999%、O2≤5×10-6、H2≤1500×的高纯氮气。 10-6，H2O≤10.7×10-6。制氮成本约为0.5元/m3。

(2)加氢脱氧法。

该方法分为三个阶段：第一阶段加氢脱氧，第二阶段脱氢，第三阶段除水。得到成分如下的高纯氮气：N2≥99.999%，O2≤5×10-6，H2≤5×10-6，H2O≤10.7×10-6。制氮成本约为0.6元/m3。

(3)碳脱氧法。

在碳载催化剂的作用下（在一定温度下），普通氮气中残留的氧与催化剂本身提供的碳发生反应，生成CO2。反应式：C+O2=CO2。经过后续阶段脱除CO2和H2O后，得到成分如下的高纯氮气：N2≥99.999%，O2≤5×10-6，CO2≤5×10-6，H2O≤10.7×10-6。制氮成本约为0.6元/m3。

第三：膜分离与空分制氮

膜分离和空分制氮也是非深冷制氮技术的一个新分支。它是20世纪80年代国外迅速发展的一种新型制氮方法。近年来在我国得到推广应用。

膜分离制氮以空气为原料。在一定压力下，利用氧和氮在中空纤维膜内渗透速率的不同，将氧和氮分离，制取氮气。与上述两种制氮方式相比，具有设备结构更简单、体积更小、无需切换阀门、操作维护更简单、产气速度更快（3分钟内）、扩产更方便等特点。

但中空纤维膜对压缩空气的洁净度要求更为严格。膜容易老化和失效，且难以修复。需要更换新膜。

膜分离制氮更适合氮气纯度要求≤98%的中小型用户，此时具有最佳的功能价格比；当要求氮气纯度高于98%时，比同规格变压吸附制氮装置高30%左右。因此，将膜分离制氮与氮气纯化装置相结合生产高纯氮气时，一般氮气的纯度一般为98%，这会增加纯化装置的生产成本和运行成本。