工业上氮气的介绍
工业上氮气的介绍
工业氮气是一种无色无味的气体，占空气体积的 78%，化学性质稳定，不易与其他物质发生反应。
氮气是一种以单质形式存在于空气之中的气体，由瑞典化学家舍勒发现，后被法国化学家拉瓦锡确认为元素，并命名为 “Nitrogen”，中国清代化学家徐寿将其译为 “淡气”，现代改为 “氮气”。
在标准情况下，氮气的气体密度是 1.25g・dm-3，在标准大气压下，冷却至 -195.8℃时，变成没有颜色的液体，冷却至 -209.86℃时，液态氮变成雪状的固体。氮气在水里溶解度很小，在常温常压下，1 体积水中大约只溶解 0.02 体积的氮气，是个难于液化的气体。通常市场上供应的氮气都盛于黑色气体瓶中保存。
氮气分子的分子轨道式中，三对电子形成两个 π 键和一个 σ 键，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，是已知的双原子分子中最稳定的。
二、工业氮气的生产方法
（一）膜分离法
膜分离法是以空气为原料，在一定压力条件下，利用氧和氮等不同性质的气体在膜中具有不同的渗透速率来使氧和氮分离。这种方法具有结构更为简单、体积更小、无切换阀门、维护量更少、产气更快（≤3 分钟）、增容方便等优点。它特别适宜于氮气纯度≤98% 的中、小型氮气用户，具有最佳功能价格比。而当氮气纯度在 98% 以上时，它与相同规格的 PSA 制氮机相比价格要高出 15% 以上。
（二）深冷空分法
深冷空分法是一种传统的制氮方法，已有近九十年的历史。它以空气为原料，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（在 1 大气压下，液氧的沸点为 -183℃，液氮的为 -196℃），通过液态空气的精馏，使它们分离来获得氮气。
深冷空分制氮设备复杂、占地面积大，基建费用较高，设备一次性投资较多，运行成本较高，产气慢（12～24h），安装要求高、周期较长。综合设备、安装及基建诸因素，3500Nm3/h 以下的设备，相同规格的 PSA 装置的投资规模要比深冷空分装置低 20%～50%。因此深冷空分制氮装置宜于大规模工业制氮。
（三）分子筛空分法（变压吸附法）
分子筛空分法是以空气为原料，以碳分子筛作为吸附剂，运用变压吸附原理，利用碳分子筛对氧和氮的选择性吸附而使氮和氧分离的方法，通称 PSA（Pressure Swing Adsorption）制氮。分子筛对氧和氮的分离作用主要是基于这两种气体在分子筛表面的扩散速率不同，碳分子筛是一种兼具活性炭和分子筛某些特性的碳基吸附剂。
碳分子筛具有很小微孔组成，孔径分布在 0.3nm～1nm 之间。较小直径的氧气扩散较快，较多进入分子筛固相，这样气相中就可以得到氮的富集成分。一段时间后，分子筛对氧的吸附达到平衡，根据碳分子筛在不同压力下对吸附气体的吸附量不同的特性，降低压力使碳分子筛解除对氧的吸附，这一过程称为再生。变压吸附法通常使用两塔并联，交替进行加压吸附和解压再生，从而获得连续的氮气流。
与传统制氮法相比，它具有工艺流程简单、自动化程度高、产气快（15～30 分钟）、能耗低，产品纯度可在较大范围内根据用户需要进行调节，操作维护方便、运行成本较低、装置适应性较强等特点，故在 1000Nm3/h 以下制氮设备中颇具竞争力，越来越得到中、小型氮气用户的欢迎，PSA 制氮已成为中、小型氮气用户的首选方法。
三、工业氮气的用途
（一）工业领域
1.合成纤维、合成树脂、合成橡胶等的重要原料。
工业氮气是合成纤维（锦纶、腈纶）、合成树脂、合成橡胶等的关键原料，在化工生产中发挥着重要作用。
2.作为保护气体，用于瓜果、食品、灯泡填充气，防止物品氧化；还可用于粮食储存，使其不霉烂、不发芽。
由于氮的化学惰性，常用作保护气体，如填充瓜果、食品、灯泡等，防止物品被氧化。用氮气填充粮仓，可使粮食不霉烂、不发芽，长期保存。
3.与高纯氦气、高纯二氧化碳一起，用作激光切割机的激光气体。
氮气可与高纯氦气、高纯二氧化碳一起，作为激光切割机的激光气体，为工业加工提供助力。
4.作为食品保鲜保护气体。
氮气也作为食品保鲜保护气体，通过替换包装内氧气，抑制微生物和氧化反应，延长食品保质期。
5.在化工行业，用作保护气体、置换气体、洗涤气体、安全保障气体。
在化工行业，氮气主要用作保护气体、置换气体、洗涤气体、安全保障气体，广泛应用于化工反应过程中，隔绝氧气对反应的影响。
6.用作铝制品、铝型材加工，铝薄轧制等保护气体。
氮气可用作铝制品、铝型材加工，铝薄轧制等的保护气体，减少金属在加工过程中的氧化，使表面光洁。
7.用作回流焊和波峰焊配套的保护气体，提高焊接质量。
在电子制造过程中，氮气用作回流焊和波峰焊配套的保护气体，提高焊接质量，确保电子产品的可靠性。
8.在石油天燃气及采煤工业中，可提高井内压力、增大采油量，作为钻杆测度中的缓冲垫，还可用于酸化、压裂等井下作业，降低天然气热值，固化封堵原油管道，用于粉煤的压力输送等。
在石油天燃气及采煤工业中，油井内充入氮气不但可以提高井内压力，增大采油量，还可以作为钻杆测度中的缓冲垫。在井下作业中，氮气可用于酸化、压裂等，降低天然气热值，固化封堵原油管道，用于粉煤的压力输送等。
9.在化学工业中，是合成氨的主要原料，还可用于净化合成气、生产合成氰氨化钙等，在易燃液体物质的反应器、贮罐中充入氮气，可保护物料不受氧化，防止燃烧和爆炸事故发生。
在化学工业中，氮气是合成氨的主要原料之一。在合成氨的工艺过程中，多数是在制造氢过程中引入空气时带入氮气。此外，氮气还可用于净化合成气、生产合成氰氨化钙等。在易燃液体物质的反应器、贮罐中充入氮气，能保护物料不受氧化，防止燃烧和爆炸事故发生。
10. 在冶金工业中，主要作保护气和吹扫气，可减少金属的高温氧化，提高产品纯度和强度，降低焦炭消耗，延长使用寿命，还可生产氮化高速工具钢。
在冶金工业中，氮气主要用作保护气体和吹扫气体。在轧钢和金属热处理过程中，由于氮的保护，金属的高温氧化减少，表面光滑。向有色金属熔炼炉中充氮可以降低含氧量和温度，减少氧化，提高产品纯度。用氮气清洗钢水，降低钢水中的氢含量，提高产品强度。向高炉喷入 86% 的氮气可以降低焦炭消耗，延长使用寿命。向等离子弧炉中充氮可生产氮化高速工具钢。
11. 在电子工业中，需要采用纯度达 99.999% 以上的氮气作为保护气体，可作载气和保护气，在生产过程中保持硅片干燥与清洁，作化学反应气的携带气、惰性保护气和封装气等。
在电子工业中，需要采用纯度达 99.999% 以上的氮气作为保护气体。用干燥的氮气吹制硅片可以保持硅片干燥和清洁。在大型集成电路的制造中，高纯氮可用作化学反应气体的载气、惰性保护气体和封装气体。
12. 在机械加工中，液氮可用于金属的过度配合或静配合的装配，保持零件表面光洁度，延长零件磨损寿命，冷却刀具可提高寿命和表面光洁度。
在机械加工中，液氮用于金属的过度配合或静配合的装配，避免了高温氧化，可以保持零件表面的光洁度。用液氮泡过的零件加工后可延长磨损寿命。金属切削时用液氮冷却刀具寿命长，表面光洁度高等优点。
（二）其他领域
在科学技术方面，纯度高的氮气在气相色谱分析中是常用的载气，液氮是科学仪器或科学实验中的重要冷源。
在科学技术方面，纯度高的氮气在气相色谱分析中，是常用的载气。在科学仪器或科学实验中液氮是重要的冷源。
四、工业氮气在工业上的重要性
在机械制造业铸造过程中，氮气发挥着重要作用。它可用于冷却铸件和控制铸件的温度，防止铸件变形和裂纹。例如，在铸造过程中，氮气与氧气、氩气等工业气体共同作用，为铸件的质量提供保障。据相关资料显示，气体中的杂质含量会影响铸件质量，而选择纯度高、杂质含量低的氮气，能有效减少气孔、夹杂物等缺陷，提高铸件的力学性能。
在工业领域，氮气因其惰性可保护潜在的反应材料不与氧气接触，保持质量并确保安全。比如在化学工业中，氮气可作为合成氨的原料，还能用于净化合成气、生产合成氰氨化钙等。在易燃液体物质的反应器、贮罐中充入氮气，可保护物料不受氧化，防止燃烧和爆炸事故发生。
液氮还可作为冷却剂用于食品冷冻等特殊应用。现代生活中，人们对食品的功效、口感和新鲜度要求越来越高，液氮速冻技术应运而生。与传统冷却方式相比，液氮冷冻速度快得多，能迅速降低食品表面温度，减少表面水分损失，同时快速冷冻食品中的水分形成微小冰晶，减少冰晶对细胞的伤害，降低食品解冻后果汁的损失率，提高冷冻产品质量，使其具有更好的口感和色泽，保留更多营养。
此外，液氮冷冻技术广泛应用于冷冻海鲜、家禽制品、水果、蔬菜和各种现成食品等，还具有设备占用空间小、能耗低、易清洗、制冷系统灵活等优点。
五、工业氮气的性质
（一）物理性质
单质氮在常况下是一种无色无臭的气体，在标准情况下的气体密度是 1.25g・dm-3。氮气与空气密度接近，比空气稍轻，密度为 1.251 g/L（0 ℃，1 atm）。在标准大气压下，冷却至 -195.8℃时变成无色液体，进一步降低温度至 -209.9℃时可变为雪状固态。
在常温常压下，1 体积水大约只溶解 0.02 体积的氮气，是个难于液化的气体。通常市场上供应的氮气都盛于黑色气体瓶中保存。液氮与氮气相比，具有体积小（0 ℃时两者体积比为 1/647，35℃时为 1/731）、易储存、运输量小等优点。
（二）化学性质
氮气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分子有 10 个电子进入分子轨道，其中 8 个成键电子和 2 个反键电子，键级为 3，稳定性非常高。N₂的分子轨道电子排布式为，表明该分子间存在 1 个 σ 键和 2 个 π 键，与路易斯结构式相一致。
氮气是一种双原子气体，结构稳定，化学性质稳定。氮气是一种惰性气体，不可燃，不助燃，不供人呼吸，无腐蚀性。在自然条件下，不发生化学反应。在一定条件下能与部分活泼金属和非金属单质化合。
与金属单质反应：氮可与一些特别活泼的金属反应，形成离子型氮化物。常温下能与锂直接化合生成氮化锂（Li₃N）；高温时能与镁、钙、钡、锶直接化合生成相应的氮化物，镁在空气中主要生成氮化镁，同时伴有少量的氧化镁（MgO）生成。这些离子型氮化物又能与水反应生成氢氧化物和 NH₃。
与非金属单质反应：氮气与氢气在高温、高压、催化剂条件下生成氨（工业制氨，人工固氮）；在放电条件或电弧作用下，氮气与氧气反应生成一氧化氮（NO）（自然固氮）。
与化合物反应：在胺氰法中，氮气和热电石反应，生成氰氨化钙和碳；然后热氨腈受到压力与水蒸汽发生反应，生成氨。
六、工业氮气的安全注意事项
（一）危险性
氮气虽然属惰性气体不可燃，但也存在一定危险性。空气中氮气含量过高时，会使吸入气氧分压下降，从而引起缺氧窒息。如果吸入高浓度氮气，患者会迅速昏迷，甚至因呼吸和心跳停止而死亡。此外，液氮汽化时会大量吸热，皮肤接触液氮会造成冻伤。
（二）急救措施
当吸入氮气浓度较高时，应迅速脱离现场至空气新鲜处，保持呼吸道通畅。若出现呼吸困难的情况，要及时给输氧。一旦呼吸心跳停止，应立即进行人工呼吸和胸外心脏按压术，并尽快就医。若被液氮冻伤，也应及时就医治疗。
（三）泄漏应急处理
- 迅速撤离泄漏污染区人员至上风处，并设置隔离区域，严格限制出入。这是为了确保人员远离泄漏源，避免吸入高浓度氮气导致窒息。
2.通知消防及相关单位。他们具备专业的处理设备和经验，能够迅速响应并采取有效措施控制泄漏。
3.应急处理人员戴自给正压式呼吸器，穿防寒服，戴防寒手套。这样可以保护应急处理人员免受氮气泄漏可能带来的危害，如缺氧和冻伤。
4.避免泄漏液体流入地下室或其他密闭有人工作空间，如无法避免应立即通知相关部门。因为氮气泄漏后可能在密闭空间积聚，增加窒息风险。
5.不要直接接触泄漏物。防止被液氮冻伤或因接触泄漏的氮气而导致缺氧。
6.尽可能切断泄漏源。从根本上控制泄漏，减少危害的扩大。
7.可用雾状水喷淋加速液体蒸发，但不可使水枪射至液体。雾状水可以帮助液氮蒸发，降低其对周围环境的影响。
8.防止气体在低凹处积聚，用排风机将漏出气送至空旷处。低凹处容易积聚氮气，增加窒息风险，将泄漏的气体排至空旷处可以降低危害。
9.禁止人员在低洼或下风区停留。低洼和下风区可能会聚集泄漏的氮气，人员停留在此处容易受到危害。