氮气制取和氮气纯化方法

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。

    氮是空气的主要成份，约占空气的78%，单质氮N2 ，在常态下是一种无色，无臭的气体。在标态下的气体密度是1·25克/升。熔点心为-210℃，沸点-196℃。液态氮是一种低温致冷剂（-196℃）。

今天我们来介绍目前国内外制取氮气的几种主要方法。

一般工业规模制氮有三类：即深冷空分制氮、变压吸附制氮. 和膜分离制氮。

**： 深冷空分制氮法

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。它是以空气为原料，经过压缩、净化，再利用热交换使空气液化成为液空。液空主要是液氧和液氮的混合物，利用液氧和液氮的沸点不同，通过液空的精馏，使它们分离来获得氮气。

优点：产气量大，产品氮纯度高。深冷制氮不仅可以生产氮气而且可以生产液氮，满意需要液氮的工艺要求，并且可在液氮贮槽内贮存，当出现氮气间断负荷或空分设备小修时，贮槽内的液氮进入汽化器被加热后，送入产品氮气管道满意工艺装置对氮气的需求。深冷制氮的运转周期（指两次大加温之间的间隔期）一般为1年以上，因此，深冷制氮一般不考虑备用。

缺点：深冷制氮可制取纯度≧99.999%的氮气，但氮气纯度受到氮气负荷、塔板数量、塔板效率和液空中氧纯度等的限制，调节范围很小。因此，对于一套深冷制氮设备其产品纯度基本是一定的，不便调节。深冷法由于是在极低温度下进行的，设备在投入正常运行之前，必须有一个预冷启动过程，启动时间即从膨胀机启动至氮气纯度达到要求的时间一般不小于12h；设备在进入大修之前，必须有一段加温解冻的时间，一般为24h。因此，深冷法制氮设备不宜常常起、停，宜长时间连续运行

并且深冷工艺流程复杂，占地面积大，基建费用高，需专门的维修力量，操作人员较多，产气慢（18～24h），它适宜于大规模工业制氮。

第二：变压吸附(PSA)制氮法

变压吸附（Pressure SwingAdsorption，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，具有显著的优点：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，无须专门基础，产品氮纯度可在一定范围内调节，产氮量≤3000Nm3／h。因此，变压吸附制氮特殊适用于间断运行的情况。

但到目前为止，国内外同行目前一般用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PSA制氮技术制取高纯氮还必须加后级纯化装置。

氮气纯化方法（工业规模）

(1)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   高压氮气压缩机增压机,

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≤1500×10－6，H2O≤10．7×10－6。制氮成本在0．5元／m3左右。

(2)加氢除氧、除氢法。

　　此法分三级，**级加氢除氧，第二级除氢，第三级除水，获得下列组成的高纯氮：N2≥99．999％，O2≤5×10－6，H2≤5×10－6，H2O≤10．7×10－6。制氮成本在0．6元／m3左右。

(3)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≤5×10－6，CO2≤5×10－6，H2O≤10．7×10－6。制氮成本在0．6元／m3左右。

第三：膜分离空分制氮

膜分离空分制氮也是非低温制氮技术的新的分支，是80年代国外迅速发展起来的一种新的制氮方法，在国内推广应用还是近几年的事。

膜分离制氮是以空气为原料，在一定的压力下，利用氧和氮在中空纤维膜中的不同渗透速率来使氧、氮分离制取氮气。它与上述两种制氮方法相比，具有设备结构更简单、体积更小、无切换阀门、操作维护也更为简便、产气更快（3min以内）、增容更方便等特点。

但中空纤维膜对压缩空气清洁度要求更严，膜易老化而失效，难以修复，需要换新膜，

膜分离制氮比较适合氮气纯度要求在≤98％左右的中小型用户，此时具有**功能价格比；当要求氮气纯度高于98％时，它与同规格的变压吸附制氮装置相比，价格要高出30％左右，故由膜分离制氮和氮纯化装置相组合制取高纯氮时，普氮纯度一般为98％，因而会增加纯化装置的制作成本和运行成本。