氮氣常見的制備方法大全

氮氣的制取方法有哪些？氮氣常用的制備方法有液態(tài)空氣分餾法、深冷分離法、膜分離法、變壓吸附法（PSA法）、變壓吸附法（PSA法）等。氮是地球上第30大最豐富的元素。考慮到氮氣占大氣量的4/5，即占大氣的78%以上，我們幾乎可以使用無限量的氮氣。
液態(tài)空氣分餾法
氮氣主要是從大氣中分離或含氮化合物的分解制得的。[1]每年通過液化空氣生產(chǎn)超過3,300萬噸的氮氣，然后使用分餾的方法在大氣中生產(chǎn)氮氣以及其他氣體。
深冷分離法
深冷分離法又稱為低溫精餾法，利用空氣中氮氣與氧氣的沸點不一致來分離氧氣和氮氣。由于氮氣的沸點（-196℃）低于氧氣（-183℃），在液態(tài)空氣的蒸發(fā)過程中，液氮比液氧更容易變成氣態(tài)，而在空氣液化過程中，氧氣比氮氣更容易變成液態(tài)。由于氮氣與氧氣的沸點相差不大，液態(tài)空氣與氣態(tài)空氣需經(jīng)過反復(fù)多次的蒸發(fā)、冷凝、再蒸發(fā)過程（該過程稱為低溫精餾過程），最終在精留塔頂部氣相餾分中就可以過得較高高純度的氮氣，氮氣的純度取決于精餾塔的塔板級數(shù)和精餾效率。
深冷分離法工藝已經(jīng)歷了100多年的發(fā)展，先后經(jīng)歷了高壓、高低壓、中壓和全低壓流程等多種不同的工藝流程。隨著現(xiàn)代空分工藝技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展，高壓、高低壓、中壓空分流程已基本被淘汰，能耗更低、生產(chǎn)更安全的全低壓流程已成為大中型低溫空分裝置的首選。全低壓空分工藝根據(jù)氧氮產(chǎn)品壓縮環(huán)節(jié)不同，又分為外壓縮流程和內(nèi)壓縮流程。全低壓外壓縮流程生產(chǎn)出低壓氧氣或氮氣，然后經(jīng)外置的壓縮機將產(chǎn)品氣體壓縮至所需壓力供給用戶。全低壓內(nèi)壓縮流程將精餾產(chǎn)生的液態(tài)氧或液態(tài)氮在冷箱內(nèi)通過液體泵加壓至用戶所需壓力后汽化，并在主換熱器內(nèi)復(fù)熱后供給用戶。主要工藝過程為原料空氣過濾、壓縮、冷卻、純化、增壓、膨脹、精餾、分離、復(fù)熱、外供。
膜分離法
膜分離技術(shù)是基于薄膜對氣體組分具有選擇性滲透和擴散的特性，以達到氣體分離和純化的目的。氣體中各種組分透過膜的速度不同，每種組分透過膜的速度與該氣體的性質(zhì)、膜的特性和膜兩面的分壓差有關(guān)。透過膜的氣體組分不可能達到100%的純度。氣體分離膜通常可分為多孔材質(zhì)和非多孔材質(zhì)，它們無機物（多孔玻璃、陶瓷、金屬、電子導(dǎo)電性固體和鈀合金等）或有機高分子（微孔聚乙烯、多孔醋酸纖維、均質(zhì)醋酸纖維、聚硅氧烷橡膠和聚碳酸脂）組成。
凈化后的壓縮空氣經(jīng)過緩沖罐，聯(lián)合過濾器后由膜組一端進入，氣體分子在壓力作用下首先在膜的高壓側(cè)接觸。混合氣體在膜的高壓側(cè)表面以不同的溶解度溶于膜內(nèi)，然后在膜兩側(cè)壓力差的推動下，混合氣體的分子以不同的速度向膜的低壓側(cè)擴散。經(jīng)過溶解和擴散兩個過程的選擇，最終混合氣體被分離成各個組分。例如：空氣、氧氣的透過速度大于氮氣，經(jīng)過膜分離之后，高壓側(cè)留下的氣體富氮，而透過去的氣體富氧。
變壓吸附法（PSA法）
該方法是以壓縮空氣為原料，一般以分子篩為吸附劑，在一定的壓力下，利用空氣中氧氣和氮氣分子在不同分子篩表面吸附量的差異，在一定時間內(nèi)氧在吸附相富集，氮在氣體相富集，實現(xiàn)氧、氮分離；而卸壓后分子篩吸附劑解析再生，循環(huán)使用。[3]吸附劑除了分子篩之外，還可應(yīng)用活性氧化鋁、硅膠等。
目前，常用變壓吸附制氮裝置是以壓縮空氣為原料，碳分子篩為吸附劑，利用氧和氮在碳分子篩上的吸附容量、吸附速率、吸附力等方面的差異及分子篩對氧和氮隨壓力不同具有不同的吸附容量的特性來實現(xiàn)氧、氮分離。首先，空氣中的氧被碳分子篩優(yōu)先吸附，從而在氣相中富集氮氣。為連續(xù)獲得氮氣，需兩個吸附塔交替工作。