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绝不平“氮”|液化空气
信息发布日期: 2018-04-16
 稍有化学常识的人都知道,人类赖以生存的大气是由氮气、氧气、二氧化碳、水蒸汽和固体杂质微粒组成的混合物,其中氮气占了78%以上。氮气虽然不能供人类呼吸,也不助燃烧,却有着十分重要的用途。那么,看不见又摸不着的氮气是怎样被人们发现的呢?

                舍勒本是瑞典的药剂师,喜欢研究各种气体。同年,他做实验的时候,把一系列认为可以发出燃素的物质,如硫磺、松节油等分别放在密封的容器里点燃,再对燃烧后的气体进行测量。他发现剩下的气体虽然密度比空气小,但并不助燃。“原来,燃素没有在剩下的气体中!”舍勒得出这个结论后,便把这部分气体叫做“劣质空气”,燃烧耗掉的那部分叫“火空气”。

              燃烧的过程的“劣质空气”命名为Nitrogen(英文),意思是“无益于生命”。后来,我国清代化学家徐寿把“劣质空气”译成中文时写成“淡气”,意思是“冲淡”了空气中的氧气。再后来,科学家把“淡气”译成“氮气”。

               自氮气被发现后,科学家们做了大量实验,得到了液态氮;同时,他们把氮气运用到工业、农业、国防以及日常生活中。比如农业上使用最多的便是氮肥;用氮气填充粮仓,可使粮食不霉烂,不发芽。再如,博物馆的贵重字画,可保存在充满氮气的密封容器中,以防蛀虫,避免氧化。再如,在医疗上,作为深度制冷剂的液氮,可以冻死病变的细胞。而在工业上,由氮气制成的硝酸,是炸药的重要组成部分;钢经氮化后,钢的硬度、耐磨性都大大增强。

化学工业与化肥工业及石油化工、石油化纤工业,对氮的需求量都大。氮气的用途广泛,与人们生活息息相关,这期与大家分享氮气在其它行业的应用。

氮气化肥工业

氮气是氮肥工业的主要原料,如硝酸铵含氮36%、硫酸铵含氮21%、尿素含氮46.7%。氮气在氮肥厂开工生产前,或在系统大修后,还用来置换管道和容器内的空气或煤气,以确保安全操作。

合成氨

在小型水煤气制合成氨的工厂中,加氮后氮、氢比例稳定,操作平稳,同时可降低合成氨的电耗。此外还用精氮(99.99%)保护触媒。用纯液氮洗涤精制的氢氮混合气,使得惰性气体(甲烷和氢)极微,一氧化碳和氧的含量不超过20PPm。这个氮洗,氮气的消耗量约为750米3/吨氨左右。

应用

有了合成氨这个原料气,就可以制造各种肥料,1吨合成氨可生产硝铵2~2.2吨,硫铵3.8~4吨,尿素1.5~1.7吨。氧气作粉煤或重油的气化剂,氮气参与合成作原料气,并作装置的安全保护气(触煤保护就要99.99%的纯氮气)。如以粉媒气化,每吨合成氨耗氧500~900m3;如以重油气化,每吨合成氨耗氧250~700m3;以渣油气化,每吨合成氨耗氧850~940m3;石灰氮是一种化学氮肥,1吨石灰氮要消耗氮气300~500m3,现石灰搂主要制双氰胺,硫脲和氰熔体等化工产品。

实例

大化肥装置一定要配置大型空分设备,如山东省华鲁恒升,年产60万吨合成氨,有一套开空40000m3/h空分设备,其鲁奇炉加压气化需要19780m3×2/h、90%O2;液氮洗涤要29681m3×2/h、2ppmO2的高纯氮,以及750m3×2/h的液氮。南京化学工业有限公司每年生产30万吨合成氨装置和52万吨尿素装置,配置能力为4万立方米/时的空分设备。

液氮是低温-196℃的液体,是由占用空气成分百分之七十多的氮气得来的。惰性、无色、无毒,易挥发,使用范围非常广。液氮低温易挥发,所以一般储存在专用容器—液氮罐中。

按照液氮纯度用途分类,常分为食品级液氮,工业级液氮。食品级液氮纯度较高,因为要考虑到人食用安全,纯度达到5个9即99.999%。工业级液氮纯度不如食品级液氮纯度那么高,不同的行业对液氮纯度的要求不一样。

 

化工合成

氮主要用于合成氨,反应式为N2+3H2⇌2NH3( 条件为高压,高温、和催化剂。反应为可逆反应)还是合成纤维(锦纶、腈纶),合成树脂,合成橡胶等的重要原料。 氮是一种营养元素还可以用来制作化肥。例如:碳酸氢铵NH4HCO3,氯化铵NH4Cl,硝酸铵NH4NO3等等。

 

汽车轮胎

1.提高轮胎行驶的稳定性和舒适性

2.防止爆胎和缺气碾行

3.延长轮胎使用寿命

4.减少油耗,保护环境

其他作用

1.由于氮的化学惰性,常用作保护气体,如:瓜果,食品,灯泡填充气。

2.以防止某些物体暴露于空气时被氧所氧化,用氮气填充粮仓,可使粮食不霉烂、不发芽,长期保存。

3.液氮还可用作深度冷冻剂。作为冷冻剂在医院做除斑,包,豆等的手术时常常也使用, 即将斑,包,豆等冻掉,但是容易出现疤痕,并不建议使用。

4.高纯氮气用作色谱仪等仪器的载气。用作铜管的光亮退火保护气体。跟高纯氦气、高纯二氧化碳一起用作激光切割机的激光气体。

5.氮气也作为食品保鲜保护气体的用途。

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。

6.用作铝制品、铝型材加工,铝薄轧制等保护气体。

7.用作回流焊和波峰焊配套的保护气体,提高焊接质量。

8.用作浮法玻璃生产过程中的保护气体,防锡槽氧化。

一、 在畜牧业方面的应用

 

1、广泛用于家畜冻配改良技术 

 

牛精液冷冻的冷源普遍应用液氮,需要时可随时取出。

2、家畜及多种动物的胚胎移植中,制备保存胚胎 目前多采用胚胎冷冻仪,属智能型冷冻仪。该仪器采用微机控制技术,专用软件,能较准确地控制液氮的施放量,从而保证被冻存的生物制品以适宜的冷冻速率降温冷冻。      

3、液氮超低温保藏微生物技术 

 

菌种用-196℃的液氮长期

4、农业生物基因保存  

5、保存液氮疫苗 

 

6、用液氮治疗奶牛乳头乳孔外口闭合、家畜皮肤瘤子等也较为普通。    

 

7氮气气调技术在粮食储藏中的应用越来越普遍。相较于传统的磷化氢熏蒸方式,氮气储粮具有安全、经济、有效等优点。但是在对粮堆进行充氮的过程中,随着粮堆氧气浓度的不断降低,粮堆内氮氧置换效率越来越低,充氮成本和时间也随之增加。

二、在医疗事业的应用

1、液氮在食品速冻中的应用    

 

在众多的保藏法中,冷冻保藏法应用最为广泛,效果也非常显著。而作为冷冻保藏方法之一的液氮速冻早已被食品加工企业所采用,由于它能实现低温深冷的超速冻,也有利于实现冻结食品的部分玻璃化,使食品解冻后能最大限度地恢复到原来的新鲜状态和原有的营养成分,极大提高了冷冻食品的品质,因此在速冻工业中显示出特有的生命力。

2、液氮在饮料加工中的应用 

 

目前,已有不少饮料生产厂家采用氮或氮与C02的混合物取代传统的C02,对饮料进行充气包装。充了氮的高碳酸型饮料,比仅充填二氧化碳的饮料引起的问题要少;氮对于灌装无泡饮料,如酒和果汁也是很理想的。在非充气饮料罐头中加注液氮的好处是,所注入的少量液氮可排除每只罐头顶部空间中的氧气,使贮罐上部空间的气体呈惰性,从而延长了易腐品的贮存期限。 

3、液氮在果蔬贮存保鲜中的应用 

液氮用于果蔬的贮存保鲜具有气调的优点,可调节农副产品旺季和淡季供需方面的矛盾,减少贮存上的损失。气调的功能是提高氮气的浓度,同时控制氮、氧与C02的气体比例,并使其保持在稳定状态,降低果蔬的呼吸强度,延缓后熟过程,从而使果品、蔬菜保持采摘时的新鲜状态和原有营养价值,延长果蔬保鲜期。 

4、液氮在肉制品加工中的应用 

液氮在对原料肉绞制、斩拌或混合等工序中加入,可有效提高产品质量。如在沙拉米型香肠加工中,液氮的使用可提高肉保水性,阻止脂肪氧化,改善切片性和外观质量;用于肉制点心、肉脯等再制肉的加工,不仅可使肉糜混合时加速蛋白质溶解和增强保水性,且对保持产品特有形状尤为有效。另外原料肉经液氮快速冷却,既可在较长时间内保持热肉特性,气又保证了肉品卫生安全;在加工工艺上,无须再担心温度上升对肉质的影响,且加工可不受原料温度、加工时间、季节因素的影响,同时还可使加工过程处于低氧分压,在一定范围延长了产品的货架寿命。 

5、液氮在食品低温粉碎中的应用 

 

低温粉碎,就是将冷却到脆化点温度的物质,在外力作用下破碎成粉体的过程。食品的低温粉碎是近几年发展起来的一种食品加工新技术,该技术特别适宜于加工含芳香成分多、含脂量高、含糖量多和含胶状物质多的食品。用液氮进行低温粉碎处理,可连原料的骨、皮、肉、壳等一次性全部粉碎,使成品颗料细小并保持其有效营养。如日本将经液氮冻结后的海藻、甲壳素、蔬菜、调味品等,投入粉碎机粉碎,可使成品微细粒度高达100μm以下,且基本保持原有营养价值。此外,用液氮进行低温粉碎,还可粉碎常温下难以粉碎的物料、热敏性及受热易变质,易分解的物质。另外,液氮可以粉碎如脂肪多的肉类、水分多的蔬菜等在常温下难以粉碎的食品原料,并可以制造迄今未曾有过的新加工食品。  

6、液氮在食品包装中的应用 

英国伦敦一家公司开发出一种简单实用的食品保鲜包装方法,就是在给食品进行包装时,往包装袋内加入几滴液氮。当液氮蒸发转化成气体时它的体积迅速扩大,在包装袋内快速取代原有的大部分气体,减少食品因氧化而造成的变质,从而大大延长食品的保鲜期。 

7、液氮在食品冷藏运输中的应用 

冷藏运输是食品工业中很重要的一部分。开发液氮制冷技术,发展液氮冷藏火车、冷藏汽车及冷藏集装箱是现今国际上的共同发展趋势。经济发达国家多年的应用实践表明,液氮制冷系统是唯一在商业上可与机械制冷系统相竞争的冷藏保鲜技术,也是食品冷藏运输的发展方向。  

8、液氮在食品工业中的其它应用 

由于液氮的制冷作用,蛋汁、液体调味品、酱油能够加工成可自由流动并能倒出的颗粒状冷冻食品,这些食品可随时使用并且很容易配制。在研磨香料和吸水的食物添加剂,如糖的替代品和卵磷脂时,液氮被注入到研磨机中来保护有价值的成分,同时也增加了研磨产量。周顺华等人研究证明,利用液氮淬冷协同高温解冻进行花粉破壁具有效果好、破壁率高、速度快及花粉生理活性保持稳定、不受污染等特点。 

 

氮气啤酒

氮气的小气泡会在接触舌尖的同时赋予你无比的丝滑感,而二氧化碳则会提供一种沙口的触感,仿佛啤酒在你的喉咙后弹来跳去。除了喝起来的区别,外   观的区别也十分明显。如果把一款氮气啤酒与一款普通啤酒,区别将非常明显。普通啤酒只有稀薄的消散迅速的泡沫层,而氮气啤酒则布满了浓厚细腻的泡沫。二氧化碳的气泡的尺寸很大,质感也十分粗糙,而氮气气泡更小、更顺滑。因此氮气在创造绝佳体验与特立的造型中功不可没。氮气代替二氧化碳的位置,创造出更丝滑、紧实和丰满的啤酒。

氮气冰淇淋

冰淇淋,是用饮用水、牛奶、奶粉、奶油(或植物油脂)、食糖等为主要原料混合后,放入冰箱之类的环境进行冷却。 液氮冰淇淋就是把冰箱换成液氮来进行制作,液氮处理的东西当然是可以吃的,很健康,而且更好吃,这种液氮处理后的食物叫做分子美食。 液氮冰淇淋的口味绝对媲美哈根达斯,因为液氮的低温使冰淇淋原材料能够得到很好的分解至分子状态,所以叫分子美食!

 

分子茶

品加氮技术是咖啡行业巨头星巴克最早应用到咖啡调制中的,在低温和高压时,将氮气注入水果茶中,在回到常压后,氮气就会释放出大量细小的气泡飘在水果茶上,形成奶盖般的绵密泡沫。既能去除茶的苦涩,又能让茶味更香醇,口感绵密、细腻顺滑且不影响本质口味!香味十足!因为和分子料理原理相同,所以叫它分子茶,无咖啡因,喝多少都能睡得着!

氮气“奶盖”

 

在饮品中充入氮气,可以增加液体的表面张力,所以产生的气泡非常细腻,口感浓郁,同时让饮品变得更加顺滑、滋润、绵密,而且神奇的是可以减少酸味和涩味,产生类似浓浓奶油的口感。氮气能很神奇地在饮品表面形成3-4 cm厚的氮气奶盖,这形似奶盖的其实是包裹着氮气的细密的微气泡,不是牛奶但口感胜似牛奶,细腻柔滑。

 

 

 

三、在医疗事业的应用

 

1、低温医学 

我国临床低温医学工作发展迅速,促进了移植医学的发展,特别是在骨髓、造血干细胞、皮肤、角膜、内分泌腺体、以及血管和瓣膜等的冷冻保存和移植应用取得了显著成绩。成功的造血干细胞移植依赖于造血干细胞活力的保存。

 

生物样品在降温冷冻过程中,当由液态向固态变化的相变期内会释放一定热量,使其温度回升,不控制降温速率的冷冻过程将会导致组织细胞死亡。准确地测定生物样品的相变点,用微机编制降温程序,以便在样品相变时加大液氮输入量,克服相变样品温度的回升,使细胞安全而迅速地度过相变期,这是提高被冻样品成活率的关键环节。     

2、临床医学 

液氮是目前冷冻外科中应用最广泛的冷冻剂。是目前为止发现的一种最好的制冷剂,把它注入低温医疗器内,就像手术刀一样,可以做任何手术。冷冻是用低温来破坏病灶组织的一种治疗方法。细胞由于温度的急剧变化,组织内外水晶形成,使细胞脱水、皱缩,以致电解质等发生变化,冷冻还可使局部血流速度变慢,微血管血液瘀滞或栓塞造成细胞缺氧死亡。 

 

采用液氮冰冻配合中药治疗尖锐湿疣,无毒副作用,痛苦小,治愈率高,复发率低,术后不留疤痕,并发症少,治疗时间短,经济,是治疗尖锐湿疣的理想方法之一。

 

液氮冷冻疗法治疗结节性痒诊、粘液囊肿、多发性寻常疣及神经性皮炎采用的液氮直接喷射法治疗慢性咽炎,将液氮直接喷射在病变表面,降温快、深、面广,并能消灭中间地带,收到满意的近期效果。每个冻融周期掌握在1min左右,连续4~5个冻融周期。每周仅1次。  

 

四、在电子工业的应用

 

1、超导技术    

超导体得天独厚的特性,使它可能在各种领域得到广泛的应用。以液态氮代替液态氦作超导制冷剂获得超导体,使超导技术走向大规模开发应用,认为是2 0世纪科学上最伟大的发现之一。   

2、电子元件制造与检测  

液氮是一种更快和更有效的屏蔽和测试电子元器、电路板的方法。    

3、低温球磨技术 

低温行星式球磨机是将液氮气体源源不断地输入装有保温罩的行星式球磨机中,这些冷气将高速旋转的球磨罐产生的热量及时吸收,使装有物料、磨球的球磨罐始终处于一定的低温环境中。在低温环境中混合、细磨、新产品研制和小批量生产高新技术材料的必备装置。该产品体积小、功能全、效率高、噪声低,广泛应用于医药、化工、环保、轻工、建材、冶金、陶瓷、矿产等部门。

4、绿色切削加工技术 

 

低温切削是利用低温流体如液态氮、液态二氧化碳和冷风等喷向加 工系统的切削区域,造成切削区的局部低温或超低温状态,利用工件在低 温条件下产生的低温脆性,提高工件的切削加工性、刀具寿命和工件表面 质量。 液氮冷却切削主要有两种应用形式,一种是利用瓶装压力将液氮像切削液一样直接喷射到切削区;另一种是利用液氮受热蒸发循环来间接冷却 刀具或工件。目前低温切削加工主要应用于钛合金、高锰钢、淬硬钢等难 加工材料的加工中。

 


氮气浮法玻璃

锡槽在浮法玻璃生产中是玻璃成型的关键热工设备,因为玻璃液是在熔融的锡液表面摊薄或堆厚成各种厚度的产品的。所以,锡槽工况的好坏对玻璃的质量、产量都起到至关重要的作用。而氮基气氛既是锡槽的惰性保护气,又是还原气,它对锡槽的正常运行工况起着决定性的作用。对锡槽内输送氮气时,必须要求连续、稳定,尽量少含氧含量。一旦供气产生波动(或供气中断)都将使得外界的氧分大量渗入锡槽内部,引起锡氧化,生成的氧化锡和氧化亚锡大量挥发,造成锡槽内一片混浊,生产无法进行。纯度为99.9995%,无氢。

 

2015年浮化玻璃市场

2015年以来我国浮法玻璃产能呈现负增长态势,据数据显示,2015年全年在产产能共计5420.16万吨,较2014年降幅4.57%,产能淘汰力度加大,其中不乏曾经叱咤风云的华尔润集团,江苏华尔润从2014年7月份以来产能逐步关停,促使华东地区2015年全年维持相对较好的价格,并在10月份超越华南市场,跃居全国首位。

中国市场需求

现有浮法玻璃生产线约100余条,每条生产线的氮气需求量约为1500m3/h。所配置的空分设备大部分为低压返流膨胀的单塔流程,每套设备正常运行时的供气量为800~1600m3/h N2。

 

氮气化学工业

氮气用于化学与化肥工业上,在氮、尿素、已内酰胺、乙烯、丙烯、聚氯乙烯、人造纤维、合成纤维、硅橡胶制品、电缆合成革等生产中,氮作为工艺气体已广泛应用与研究开拓。特别是乙烯装置在石油化工中具有特殊重要的地位。

氮气在化工厂,主要用作保护气、置换气、洗涤气,以保障安全生产。如聚丙烯生产,要用纯氮(99.99%)作保护气、置换气。高纯氮气是化纤生产至关重要的气体。

 

 

五、在其他领域

 

酒泉卫星发射中心特燃站生产液氮,它是火箭燃料的推送剂,大量的液氮用高压把火箭燃料推向燃烧室。 应用于高温超导电力电缆开发;应用于紧急维修中对液体管道进行冻结;应用于物质的低温稳定和低温淬火;液氮冷装配技术(热胀冷缩现象在工业中的应用)也广泛使用;液氮人工增雨技术;液氮排液技术及时降液诱喷,正在不断深入研究。 

 

采用氮气井下灭火,火势被迅速扑灭,同时又消除了瓦斯爆炸危险等。    为什么选择液氮:因为比其它方法冷却得更快,并且不与其它物质起化学反应,大大地节省空间,提供了干燥的气氛,它是环保的(液氮使用后直接挥发成气体返回大气中,不会留下任何污染),它用起来简单方便。

 

 

 

 

 


氮气其它行业

医药

易于氧化的水针(青霉素等)和大输液(如氨基酸等)都需要冲氮保护,否则药液在保存期里很容易氧化,亦即变质。一般是在封装之前,采用前冲氮后冲氮的方式(或单一冲氮),使得安瓿瓶或输液瓶里的氧气浓度降到0.5%以下,药液可长时间保质。就目前来讲,一般厂家购买的设备大约是5-20 m3 /h,纯度为99.99%。
其他还有原料药制造厂,也需要氮气保护,其用氮工艺更象精细化工厂的用氮方式。通常纯度为99-99.9%。

 

轮胎

充氮硫化是指轮胎的定型使用低压氮气(0.4-0.5MPa),轮胎的正硫化过程中,胶囊内充介质为高压蒸汽与高压氮气(2.5MPa)的混合气体,外温采用低压蒸汽来进行硫化,利用高温,将天然橡胶链状的分子结构改变成网状结构,同时将一层层带束层紧密结合起来,并在胎面形成花纹。氮气硫化,轮胎的性能指标如里程数、耐久性、均匀性、压穿能力较高。
轿车轮胎每条用氮量约:1.25m3  
载重轮胎每条用氮量约:12m3   
一般工厂采用氮气回收节约用氮成本,通常考虑40-50%的氮气回收量。

 

食品

 

应用于食品保鲜、冷藏等方面,瑞气空分设备有限公司专利设计的后净化系统,保证产品气无菌、无尘、无异味,减除了食品厂家使用氮气的后顾之优。

 

方向盘上的“兴奋剂”按钮比氮气加速更猛?

看过《速度与激情》或者玩过《极品飞车》的人对氮气加速这个专业名词肯定不陌生,它能瞬间使得发动机爆发出巨大的能量,提升极速!实在没听说过它的人可以把它理解为运动员服用的兴奋剂,在比赛中可以帮你拿金牌。

 

 

新款911 Carrera s的方向盘上有个Sport Response按钮,在行驶中按下它,整车会设定在接下来的20秒内进入最激进状态,仪表上会显示20秒倒计时,原理就是增加涡轮压力,加快进气速度,只要不松油门,加速是持续不断的,只要松开油门或者刹车,速度自然会掉下来,超过20秒后,也会恢复正常。

 

 

而氮气加速的原理是将N2O(一氧化二氮)形成高压液态后装入钢瓶,与发动机中的空气一起充当助燃剂,N2O在高温时分解出两个氮原子和一个氧原子,氮原子给气缸降温,氧原子助燃,从而使得动力得以提升。说人话就是其原理和涡轮增压差不多,都是尽可能多的提供氧气送入气缸,但氮气加速要猛得多。

 

 

正因为猛,所以持续使用超过1分钟的话,引擎会承受过大负荷而受损,这种看似存在安全隐患的操作常用于美式直线加速的竞赛中。反过来看911的Sport Response按钮就安全许多,它甚至可以连续无限一键放大招,没有冷却时间。

来源:广东气体

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