工业氮气的制备及应用

　　工业氮是指工业生产过程中使用的氮气。氮气是一种无色、无臭、无味的气体，化学符号为N₂，在常温常压下化学性质不活泼。工业氮气的纯度根据不同的应用要求而不同，一般在99%~99.999%之间。

　　1.制备方法

　　深冷空分法：

　　这是工业上生产氮气的主要方法之一。此法是根据空气中各组分沸点不同，通过对空气进行深度冷冻液化，再利用分馏原理将氧气和氮气等气体分离。在标准大气压下，氧气的沸点为-183℃，氮气的沸点为-195.8℃。将空气压缩、冷却、液化后，液态空气先在蒸馏塔中加热，沸点较低的氮气先汽化分离，即可得到高纯度的氮气。此方法制得的氮气纯度较高，可达99.999%以上，可满足电子工业等工业应用对氮气纯度的极高要求。

　　变压吸附(PSA)法：

　　变压吸附法利用吸附剂对空气中氧、氮等组分吸附能力的差异来制取氮气。吸附剂(如碳分子筛)在压力下对氧等杂质的吸附作用强，而对氮的吸附作用较弱。当空气经过装有吸附剂的吸附塔时，氧等杂质被吸附在吸附剂表面，而氮气则经吸附塔流出。通过周期性改变吸附塔压力进行吸附再生，连续制得氮气。此方法具有设备简单、操作方便、能耗低等优点，制得的氮气纯度一般在99%~99.99%之间，常用于化工、冶金等行业。

　　2.应用领域

　　化工行业：

　　合成氨生产：氮气是合成氨的重要原料之一，在合成氨的哈伯-博施法中，氮气和氢气在高温、高压、催化剂作用下发生反应生成氨，反应方程式为：$N_{2}+3H_{2}\rightleftharpoons2NH_{3}$。工业氮气为合成氨提供了稳定的氮源，在生产过程中，氮气还可用于系统吹扫和置换，防止氧气等杂质与易燃易爆的氢气混合而引起爆炸。

　　化工产品保护气：在化工生产中，许多有机化合物和精细化学品对氧气、水分等物质敏感，例如在生产塑料、橡胶、涂料等产品时，使用工业氮气作为保护气，可防止产品在加工和储存过程中被氧化、受潮，从而保证产品的质量和性能。

　　电子行业：

　　半导体制造过程中，对环境洁净度和气体纯度要求极高。工业氮气用于制造过程中的清洗、蚀刻、干燥等工序。例如，在硅片清洗过程中，氮气可以吹走硅片表面的杂质和水分，而且由于其化学性质稳定，不会与硅片发生化学反应。在光刻、蚀刻工序中，氮气可以作为载气，将反应气体输送到反应室，并防止外界空气进入，确保工艺的准确性和可靠性。

　　冶金行业：

　　钢铁生产：在炼钢过程中，氮气可作为转炉炼钢、电炉炼钢的搅拌气体。通过向钢水中吹入氮气，可以加强对钢的搅拌，使钢的成分更加均匀，也有助于去除钢中的氢、氧等杂质，提高钢的质量。此外，在一些特殊钢，如不锈钢、高强度合金钢的生产中，也可加入氮作为合金元素，改善钢的性能。

　　有色金属冶炼：在铝、铜等有色金属的冶炼过程中，可用氮气覆盖熔体表面，防止金属被氧化。例如，在铝的冶炼过程中，氮气可有效阻止铝液与空气中的氧气反应生成氧化铝，减少金属损失，提高产品回收率。

　　食品工业：

　　食品包装：工业氮气用于食品包装，主要是为了延长食品的保质期。例如，在薯片、饼干等零食的包装中，充入氮气可消除包装内的氧气，防止食品氧化、变质、受潮。因为氧气会引起食品中的脂肪氧化、微生物生长等问题，而氮气作为惰性气体，可有效避免这些情况的发生。同时氮气还能使包装膨胀，起到缓冲作用，保护食品在运输、储存过程中不被挤压损坏。

　　饮料行业：氮气在啤酒、碳酸饮料等饮料的生产过程中也有应用，例如在啤酒灌装过程中，充入适量的氮气，可以改善啤酒的口感，使啤酒泡沫更加细腻持久。