氮氣系列（二）氮氣的製備

氮氣生產製造商 - 中國氮氣生產工廠和供應商 (xinfatools.com)

氮氣是空氣的主要成分，約佔空氣的78%。單質氮N2在正常條件下是無色無味的氣體。標準狀態下氣體密度為1.25g/L。熔點-210℃，沸點-196℃。液態氮是一種低溫冷媒（-196℃）。

今天我們就介紹國內外生產氮氣的幾種主要方法。

一般工業規模製氮方法有低溫空分制氮、變壓吸附制氮、膜分離制氮三種。

一：深冷空分制氮方法

深冷空分制氮是一種傳統的製氮方法，已有近幾十年的歷史。它以空氣為原料，對其進行壓縮、淨化，然後利用熱交換將空氣液化成液態空氣。液態空氣主要是液態氧和液態氮的混合物。利用液態氧和液態氮的沸點不同，透過液態空氣的蒸餾將其分離，得到氮氣。

優點：產氣量大，產品氮氣純度高。深冷製氮不僅可以生產氮氣，還可以生產液態氮，滿足液態氮的製程要求，可以儲存在液態氮儲存槽中。當間歇性氮氣負荷或空分設備小修時，儲槽內的液態氮進入汽化器並加熱，然後送至產品氮氣管道，以滿足製程裝置的氮氣需求。深冷式製氮機的運轉週期（指兩次大供暖之間的間隔時間）一般在1年以上，因此深冷式製氮機一般不考慮備用。

缺點：深冷式製氮可製得純度≧99.999%的氮氣，但氮氣純度受氮氣負荷、塔板數量、塔板效率和液態空氣中氧氣純度的限制，調節範圍很小。因此，對於一套深冷式氮氣設備來說，產品純度基本上是一定的，且不方便調節。由於深冷法是在極低的溫度下進行的，因此設備在投入正常運作之前必須有一個預冷的啟動過程。啟動時間，即從膨脹機啟動到氮氣純度達到要求的時間，一般不少於12小時；設備進入檢修前，必須有一段加熱解凍時間，一般為24小時。因此，低溫制氮設備不宜頻繁啟停，以長期連續運作為宜。

另外，深冷製程複雜、佔地面積大、基礎設施成本高、需要專門的維護力量、操作人員數量多、產氣速度慢（18～24小時）。適用於大規模工業製氮。

二：變壓吸附（PSA）制氮法

變壓吸附（PSA）氣體分離技術為非低溫氣體分離技術的重要分支。它是人們長期努力尋找比深冷法更簡單的空氣分離方法的結果。

1970年代，西德埃森礦業公司成功研發出碳分子篩，為PSA空分制氮工業化鋪平了道路。近30年來，這項技術發展迅速、日益成熟。已成為中小型製氮領域深冷空分的有力競爭者。

變壓吸附製氮以空氣為原料，碳分子篩為吸附劑。它利用碳分子篩選擇性吸附空氣中氧氣和氮氣的特點，利用變壓器吸附（變壓吸附、減壓脫附和分子篩再生）原理，在常溫下分離氧氣和氮氣，生產氮氣。

與深冷空分制氮相比，變壓吸附制氮具有顯著的優點：吸附分離在常溫下進行，製程簡單，設備緊湊，佔地面積小，啟動停止方便，啟動快、產氣快（一般約30分鐘）、能耗小、運作成本低、自動化程度高、操作維護方便、撬裝方便、無需專用基礎依需求，產品氮氣純度可在一定範圍內調節，氮氣產量≤3000Nm3/h。因此，變壓吸附制氮特別適合間歇性操作。

但迄今為止，國內外同業採用PSA制氮技術只能生產純度為99.9%（即O2≤0.1%）的氮氣。有的公司可生產99.99%純氮氣（O2≤0.01%）。從變壓吸附氮氣生產技術的角度來看，更高的純度是可能的，但生產成本太高，使用者不太可能接受。因此，採用變壓吸附制氮技術生產高純氮氣也必須添加後級淨化裝置。

氮氣純化方法（工業規模）

(1)加氫脫氧法。

在催化劑的作用下，氮氣中殘留的氧氣與添加的氫氣反應生成水，反應式為：2H2+O2=2H2O。再經由高壓氮氣壓縮機增壓除去水分，經後乾燥得到主要成分為：N2≥99.999%、O2≤5×10-6、H2≤1500×的高純氮氣。 -6。制氮成本約為0.5元/m3。

(2)加氫脫氧法。

此方法分為三個階段：第一階段加氫脫氧，第二階段脫氫，第三階段除水。得到成分如下的高純氮氣：N2≥99.999%，O2≤5×10-6，H2≤5×10-6，H2O≤10.7×10-6。制氮成本約為0.6元/m3。

(3)碳脫氧法。

在碳載催化劑的作用下（在一定溫度下），普通氮氣中殘留的氧與催化劑本身所提供的碳反應，生成CO2。反應式：C+O2=CO2。經過後續階段脫除CO2和H2O後，得到成分如下的高純氮氣：N2≥99.999%，O2≤5×10-6，CO2≤5×10-6，H2O≤10.7×10-6。制氮成本約為0.6元/m3。

第三：膜分離與空分制氮

膜分離和空分制氮也是非深冷製氮技術的新分支。它是1980年代國外迅速發展的一種新型製氮方法。近年來在我國得到推廣應用。

膜分離制氮以空氣為原料。在一定壓力下，利用氧和氮在中空纖維膜內滲透速率的不同，將氧和氮分離，取氮氣。與上述兩種制氮方式相比，具有設備結構更簡單、體積更小、無需切換閥門、操作維護更簡單、產氣速度更快（3分鐘內）、擴產更方便等特點。

但中空纖維膜對壓縮空氣的潔淨度要求更為嚴格。膜容易老化和失效，且難以修復。需要更換新膜。

膜分離制氮較適合氮氣純度需求≤98%的中小型用戶，此時具有最佳的功能價格比；當要求氮氣純度高於98%時，比同規格變壓吸附制氮裝置高約30%。因此，將薄膜分離制氮與氮氣純化裝置結合生產高純度氮氣時，一般氮氣的純度一般為98%，這會增加純化裝置的生產成本和運作成本。