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氮气在化学工业行业中的应用

更新时间:2009-12-30 16:35:00
       氮气是气体工业中最主要的产品之一,分为高纯氮气,纯氮气,液氮,工业氮气。在空气为原料的分离装置中,由于氮气在空气中含量高,分离后有大量的氮气。制氧装置的氮气一般作为副产品,而且氮气量比氧气量还大。随着经济的发展,氮气的市场不断扩大,销售量逐年递增。氮气在化学工业行业主要作为原料气和保护气氛使用。
1、氮气在化学工业行业中作为原料气
(1)用做合成氨的原料
合成氨是重要的基本化工产品,是氮肥的源头产品。氮是主要原料之一。在合成氨的工艺过程中,除少数情况外,大都不是使用纯氮的,多数是在制造氢过程中引入空气时带入的。
(2)用做生产石灰氮的原料
石灰(calcium cyanamide),又名氰氨(基)化钙,碳氮化钙,是重要的氮肥。纯净物为白色粉末或颗粒。含氮量约34%。含有杂质的产品一般为灰黑色粉末或小球粒,含氮量20%~22%。
与水作用生成氨和碳酸钙。
石灰氮是重要的氮肥,但不能直接被植物利用,必须经过水与三氧化碳的的转化作用才能被植物吸收。一般做基肥。适用于酸性土壤。
石灰氮对植物亦有毒,能杀死种子,施在成长植物的叶上,能使叶脱落,可用做脱液剂或除草剂。
由气体氮和碳化钙在电炉中加热到1000℃左右,结成块状物,冷却后粉碎和研细,再用少量水处理使残留的电石分解而制得。
(3)做合成金属氰化物的原料
氰化钠是重要的金属氰化物。19世纪20年代中朝,布哈法先后在美国,荷兰等国工业生产。该法以氮气、木炭、碳酸钠的原料,铁为催化剂。
反应温度为800~1000℃,反应产物用液氨浸取,再过滤、浓缩、结晶得产品氰化钠。该法原料易得,消耗不太高,但操作非常困难,生产规模较小。1947年以后已停止用该法生产。
(4)做合成金属氮化物的原料
氮气虽然在通常条件下很稳定,但在一定温度和压力下,却能和大多数元素结合形成相应的氮化物。其中Li3N最受工业界注目,它是当前所能提供最好成绩的固体锂电解质之一。其突出优点是制法简单,在潮湿的气氛中稳定,而且只要温度低于Li3N的熔点,它就能和固体或液体金属锂共存,这就有可能在锂电池中以金属锂为阳极,直接Li3N电解质接触。此外,在常温下,Li3N的离子电导率高,而电子电导率极低,甚至可忽略不计,这些都表明氮化锂是一种性能优良的固体电解质材料。当前,以Li3N做固体电解质的锂电池有Li/Li3/PbI2电池和Li/Li3N/TiS2电池等。Li3还是六方BN转变为立方BN的有效催化剂。
(5)做合成氮化硅的原料
氮化硅是一种极其重要的类金刚石型氮化物。它具有高强度、高硬度、耐氧化、耐腐蚀和抗热冲击等优良性能。
制法:粒度小于10μm和纯硅粉在NH3、N2-H2或N2气氛中加热1200~1450℃合成。反应得到的团块经破碎、研细即可。
AIN粉末可由金属铝粉和氮气在200℃下合成。
(6)用做包裹TiN涂层的载气
工业上广泛采用CVD法在钢铁、硬质合金或烧结碳化部件表面包裹TiN涂层。TiN涂层呈金黄色,具有金属光泽。涂层的生成就是氢气还原TiCl4中和Ti,Ti与N2反应生成TiN。如在软钢上的化学沉积条件是,反应所用TiCl4-N2-H2混合气中载气N2=2:1,流速为0.3dm3/min;温度为1000~1200℃。所用气体要求较高的纯度,气体中含有微量的氧或水都会使涂层破坏。
2、氮气在化学工业行业中作为保护气氛
由于氮气有很好的化学稳定性,价格便宜,作为无氧、干燥的惰性介质,广泛用做保护、吹除、充填等气体,以使化学性质活泼的物质不受氧化,减少设备的腐蚀。
如在许多易燃物质的反应器、贮罐中充入氮气,不但可以保护物料不受氧化,保持产品质量,还能保证安全,防止燃烧、爆炸事故发生。在聚合反应中充入氮气能保持催化剂的活性。在钢材轧制和金属热处理时充入氮气,可以减少金属在高温下的氧化,使表面光洁。在等离子电弧炉中充入氮气,生产氮化高速工具钢。在浮法玻璃生产过程中充入高纯氮气减少水汽污染,使表面光亮、蔬菜的代谢,使保存期增长。
在有色金属冶炼炉内充入氮气,可除低含氧量和湿度,减入氧化,提高产品质量。
在干燥剂与吸附剂再生时,用氮气作为吹除气可以在较高温度下再生,且省时、效果好。在电子工业中用氮气吹洗硅片,可保持硅片的干燥和清洁。氮气还用于吹扫易燃物流过的管道和贮存设备。用氮气吹除钢水,使钢中的氢含量除低,使钢强度大大提高。在高炉开工时吹入氮气(86%),可降低焦炭消耗,延长使用寿命。
熔床层用氮脱气,能使能强度提高。
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