История открытия. Получение кислорода Как добывают кислород

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Министерство образования и науки Российской Федерации

МБОУ «Гимназия №1 г. Владивостока»

кислород турбодетандер разделение воздух

«Получение кислорода в промышленности»

Работу выполнила: Кадышева Ева

Ученица 8 класса «В»

МБОУ Гимназия №1

Научный руководитель: Коваленко Н.С.

Владивосток 2016

1.Введение

Кислород составляет не только существенную часть атмосферного воздуха, земной коры и питьевой воды, он также занимает 65 % массы тела человека, являясь важнейшим химическим элементом в структуре человеческого организма. Этот газ -- один из наиболее широко используемых веществ, он применяется практически во всех областях деятельности человека благодаря своим химическим и физическим свойствам.

КИСЛОРОД-химический элемент с атомным номером 8, атомная масса 16.В периодической системе элементов Менделеева кислород расположен во втором периоде в группе VIA. В свободном виде кислород -- газ без цвета, запаха и вкуса.

Развитие производства кислорода и использование его в качестве интенсификатора многих технологических процессов является одним из факторов современного технического прогресса, так как позволяет повысить производительность труда и обеспечить рост производства в ряде важнейших отраслей промышленности.

Цель: Исследование технологий промышленного производства кислорода

Изучить историю получения кислорода в промышленности;

Выявить достоинства и недостатки каждого способа получения;

Найти сферы применения кислорода

2.Историческая справка

Современные установки для разделения воздуха, в которых холод получают с помощью турбодетандеров, дают промышленности, прежде всего металлургии и химии, сотни тысяч кубометров газообразного кислорода. Они работают не только у нас, но и во всем мире.

Первый опытный образец турбодетандера, созданный П. Л. Капицей был невелик. И этот турбодетандер стал «сердцем» первой установки для получения кислорода новым методом.

В 1942 г. построили подобную, но уже намного более мощную установку, которая производила до 200 кг жидкого кислорода в час. В конце 1944 г. вводится в строй самая мощная в мире турбокислородная установка, производящая в 6-7 раз больше жидкого кислорода, чем установка старого типа, и при этом занимающая в 3-4 раза меньшую площадь.

Современный блок разделения воздуха БР-2, в конструкции которого также использован турбодетандер, мог бы за сутки работы снабдить тремя литрами газообразного кислорода каждого жителя СССР.

30 апреля 1945 г. Михаил Иванович Калинин подписал Указ о присвоении академику П.Л. Капице звания Героя Социалистического Труда «за успешную разработку нового турбинного метода получения кислорода и за создание мощной турбокислородной установки». Институт физических проблем Академии наук СССР, в котором сделана эта работа, был награжден орденом Трудового Красного Знамени.

3.Способы получения

3.1 Криогенный метод разделения воздуха

Атмосферный осушенный воздух представляет собой смесь, содержащую по объему кислород 21 % и азот 78 %, аргон 0,9% и другие инертные газы, углекислый газ, водяной пар и пр. Для получения технически чистых атмосферных газов воздух подвергают глубокому охлаждению и сжижают (температура кипения жидкого воздуха при атмосферном давлении -194,5° С.)

Процесс выглядит так: воздух, засасываемый многоступенчатым компрессором, проходит сначала через воздушный фильтр, где очищается от пыли, проходит влагоотделитель, где отделяется вода, конденсирующаяся при сжатии воздуха, и водяной холодильник, охлаждающий воздух и отнимающий тепло, образующееся при сжатии. Для поглощения углекислоты из воздуха включается аппарат -- декарбонизатор, заполняемый водным раствором едкого натра. Полное удаление влаги и углекислоты из воздуха имеет существенное значение, так как замерзающие при низких температурах вода и углекислота забивают трубопроводы и приходится останавливать установку для оттаивания и продувки.

Пройдя осушительную батарею, сжатый воздух поступает в так называемый детандер, где происходит резкое расширение и соответственно его охлаждение и сжижение. Полученный жидкий воздух подвергают дробной перегонке или ректификации в ректификационных колоннах. При постепенном испарении жидкого воздуха сначала выпаривается преимущественно азот, а остающаяся жидкость всё более обогащается кислородом. Повторяя подобный процесс многократно на ректификационных тарелках воздухоразделительных колонн, получают жидкий кислород, азот и аргон нужной чистоты.

Криогенный способ разделения воздуха позволяет получить газы самого высокого качества - кислород до 99.9%

3.2 Адсорбционный метод разделения воздуха

Криогенное разделение воздуха при всех его качественных параметрах является довольно дорогостоящим способом получения промышленных газов. Адсорбционный метод разделения воздуха, основанный на избирательном поглощении того или иного газа адсорбентами, является некриогенным способом, и широкое применение получил из-за следующих преимуществ:

высокая разделительная способность по адсорбируемым компонентам в зависимости от выбора адсорбента;

быстрый пуск и остановка по сравнению с криогенными установками;

большая гибкость установок, т.е. возможность быстрого изменения режима работы, производительности и чистоты в зависимости от потребности;

автоматическое регулирование режима;

возможность дистанционного управления;

низкие энергетические затраты по сравнению с криогенными блоками;

простое аппаратурное оформление;

низкие затраты на обслуживание;

низкая стоимость установок по сравнению с криогенными технологиями;

Адсорбционный способ используется для получения азота и кислорода, так как он обеспечивает при низкой себестоимости отличные параметры качества.

3.3 Мембранный метод разделения воздуха

Мембранный метод разделения воздуха основан на принципе выборочной проницаемости мембран. Он заключается в разнице скоростей проникновения газов сквозь полимерную мембрану при перепаде парциальных давлений. В мембрану подаётся очищенный сжатый воздух. При этом «быстрые газы» проходят через мембрану в зону с низким давлением и на выходе из мембраны обогащаются легкопроникающим компонентом. Оставшаяся часть воздуха насыщается «медленными газами» и выводится из устройства.

Мембранный метод промышленного производства кислорода характеризуется низкими затратами электроэнергии, затратами при эксплуатации. Однако данный способ позволяет получить кислород низкой чистоты до 45%.

4.Применение кислорода

Первые исследователи кислорода заметили, что в его атмосфере легче дышится. Они предсказывали широкое применение этого живительного газа в медицине и даже в повседневной жизни как средства, усиливающего жизнедеятельность человеческого организма.

Но при более углублённом изучении оказалось, что длительное вдыхание чистого кислорода человеком может вызвать заболевание и даже смерть: организм человека не приспособлен к жизни в чистом кислороде.

В настоящее время чистый кислород применяется для вдыхания лишь в некоторых случаях: например, тяжело больным туберкулёзом лёгких предлагают вдыхать кислород небольшими порциями. Аэронавты и лётчики при высотных полётах пользуются кислородными приборами. Бойцы горноспасательных отрядов часто принуждены работать в атмосфере, лишённой кислорода. Для дыхания они используют прибор, в котором сохраняется нужный для дыхания состав воздуха добавлением кислорода из баллонов, находящихся в том же приборе.

Основная масса получаемого в промышленности кислорода применяется в настоящее время для сжигания в нём различных веществ с целью получения очень высокой температуры.

Например, горючий газ ацетилен (C2H2) смешивают с кислородом и сжигают в особых горелках. Пламя этой горелки имеет такую высокую температуру, что в нём плавится железо. Поэтому кислородно-ацетиленовой горелкой пользуются для сварки стальных изделий. Такая сварка называется автогенной.

Жидкий кислород применяется для приготовления взрывчатых смесей. Особые патроны набивают измельчённой древесиной (древесной мукой) или другими измельчёнными горючими веществами и смачивают эту горючую массу жидким кислородом. При поджигании такой смеси горение происходит очень быстро, образуется большое количество газов, нагретых до очень высокой температуры. Давлением этих газов могут быть взорваны скалы, или выброшено большое количество грунта. Этой взрывчатой смесью пользуются при строительстве каналов, при проходке тоннелей и пр.

В последнее время кислород добавляют к воздуху для повышения температуры в печах при выплавке чугуна и стали. Благодаря этому ускоряется выплавка стали и повышается её качество.

Заключение

В ходе исследовательской работы были достигнуты цель и поставленные задачи.

Потребности, которые стали возникать в самых различных сферах деятельности человека, ставили перед учеными-химиками задачи по поиску новых, более производительных и менее затратных способов получения чистого кислорода.

В нашей стране ежегодно вводятся в эксплуатацию новые и расширяются действующие станции и цеха для получения кислорода.

Атмосферный воздух является неисчерпаемым источником сырья для промышленного получения кислорода. При этом, одновременно с кислородом получают азот, ацетилен, что положительно сказывается на экономическом процессе разделения.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Цех получения азота и кислорода ПКО ООО "Саратоворгсинтез". Характеристика производимой продукции. Технологическая схема блока разделения воздуха. Характеристика опасных и вредных производственных факторов, воздействующих на работника в процессе работы.

отчет по практике , добавлен 13.09.2015


Изучение состава оборудования цеха выплавки стали. Назначение, конструкция и принцип действия машины подачи кислорода. Конструктивный расчет гидропривода подъема платформы и приводного вала машины подачи кислорода в рамках её технической модернизации.

дипломная работа , добавлен 20.03.2017


Разделение воздуха методом глубокого охлаждения. Составление теплового и материального баланса установки. Тепловой баланс отдельных частей воздухоразделительной установки. Расчет процесса ректификации, затраты энергии. Расчет конденсатора-испарителя.

курсовая работа , добавлен 04.03.2013


Обзор существующих конструкций очистки аргона от кислорода. Обоснование эффективности и расчет установки очистки аргона от кислорода с помощью цеолитового адсорбера вместо установки очистки аргона методом каталитического гидрирования с помощью водорода.

курсовая работа , добавлен 23.11.2013


Понятие и специфические признаки гибкого автоматизированного производства, оценка его главных преимуществ. Классификация производств по степени их гибкости. Основы роботизации промышленного производства. Особенности лазерной и мембранной технологии.

реферат , добавлен 25.12.2010


Общая характеристика производства чугуна и стали. Физико-химические свойства получаемых и используемых газов. Некоторые физические явления при использовании промышленных газов и пара на Челябинском металлургическом комбинате. Физика в газовой сфере.

реферат , добавлен 13.01.2011


Область применения технических газов. Проект автоматизации процесса разделения воздуха на азот и кислород на ПО "Электро-химический завод". Обоснование структурной схемы автоматизации. Расчет электрического освещения цеха и общей осветительной нагрузки.

дипломная работа , добавлен 16.12.2013


Методы очистки промышленных газов от сероводорода: технологические схемы и аппаратура, преимущества и недостатки. Поверхностные и пленочные, насадочные, барботажные, распыливающие абсорберы. Технологическая схема очистки коксового газа от сероводорода.

курсовая работа , добавлен 11.01.2011


Главные функции, выполняемые горном доменной печи. Скорость реакции горения топлива, диффузия молекул кислорода в пограничный слой. Количество образующейся окиси углерода, температура и концентрация кислорода в газовой фазе. Окислительные зоны печи.

контрольная работа , добавлен 11.09.2013


Общая характеристика цеха выплавки стали в ОАО "Северсталь". Знакомство с проектом модернизации платформы машины подачи кислорода в конвертер №3. Анализ этапов расчета приводного вала и насосных установок. Особенности проектирование червячной фрезы.

Неисчерпаемым источником кислорода являтся воздух. Чтобы получить из него кислород, следует отделить этот газ от азота и других газов. На такой идее основан промышленный метод получения кислорода. Его реализуют, используя специальную, достаточно громоздкую аппаратуру. Сначала воздух сильно охлаждают до превращения его в жидкость. Затем температуру сжиженного воздуха постепенно повышают. Первым из него начинает выделяться газ азот (температура кипения жидкого азота составляет -196 °С), а жидкость обогащается кислородом.

Получение кислорода в лаборатории . Лабораторные методы получения кислорода основаны на химических реакциях.

Дж. Пристли получал этот газ из соединения, название которого - меркурий(II) оксид. Ученый использовал стеклянную линзу, с помощью которой фокусировал на веществе солнечный свет.

В современном исполнении этот опыт изображен на рисунке 54. При нагревании меркурий(||) оксид (порошок желтого цвета) превращается в ртуть и кислород. Ртуть выделяется в газообразном состоянии и конденсируется на стенках пробирки в виде серебристых капель. Кислород собирается над водой во второй пробирке.

Сейчас метод Пристли не используют, поскольку пары ртути токсичны. Кислород получают с помощью других реакций, подобных рассмотренной. Они, как правило, происходят при нагревании.

Реакции, при которых из одного вещества образуются несколько других, называют реакциями разложения.

Для получения кислорода в лаборатории используют такие оксигенсодержащие соединения:

Калий перманганат KMnO4 (бытовое название марганцовка; вещество является распространенным дезинфицирующим средством)

Калий хлорат KClO3 (тривиальное название - бертолетова соль, в честь французского химика конца XVIII - начала XIX в. К.-Л. Бертолле)

Небольшое количество катализатора - манган (IV) оксида MnO2 - добавляют к калий хлорату для того, чтобы разложение соединения происходило с выделением кислорода1.

Строение молекул гидридов халькогенов Н2Э можно проанализировать с помощью метода молекулярных орбиталей (МО). В качестве примера рассмотрим схему молекулярных орбиталей молекулы воды (рис.3)

Для построения (Подробнее см. Г. Грей "Электроны и химическая связь",М., изд-во "Мир", 1967, с.155-62 и G. L.Miessier, D. A.Tarr, "Inorganic Chemistry", Prantice Hall Int. Inc., 1991, p.153-57) схемы МО молекулы Н2О совместим начало координат с атомом кислорода, а атомы водорода расположим в плоскости xz (рис.3). Перекрывание 2s- и 2p-АО кислорода с 1s-АО водорода показано на рис.4. В формировании МО принимают участие АО водорода и кислорода, обладающие одинаковой симметрией и близкими энергиями. Однако вклад АО в образование МО разный, что отражается в разных величинах коэффициентов в соответствующих линейных комбинациях АО. Взаимодействие (перекрывание) 1s-АО водорода, 2s - и 2рz-АО кислорода приводит к образованию 2a1-связывающей и 4a1-разрыхляющей МО.

Здравствуйте.. Сегодня я расскажу Вам о кислороде и о способах его получения. Напоминаю, если у Вас будут ко мне вопросы, Вы можете писать их в комментариях к статье. Если же Вам понадобиться любая помощь по химии, . Буду рад Вам помочь.

Кислород распространён в природе в виде изотопов 16 О, 17 О, 18 О, которые имеют следующее процентное содержание на Земле – 99,76%, 0,048%, 0,192% соответственно.

В свободном состоянии кислород находится в виде трёх алло-тропных модификаций : атомарного кислорода - О о, дикислорода – О 2 и озона – О 3 . Причём, атомарный кислород может быть получен следующим образом:

КClO 3 = KCl + 3O 0

KNO 3 = KNO 2 + O 0

Кислород входит в состав более 1400 различных минералов и органических веществ, в атмосфере его содержание составляет 21% по объёму. А в человеческом теле содержится до 65% кислорода. Кислород газ без цвета и запаха, мало растворим в воде (в 100 объёмах воды при 20 о С растворяется 3 объёма кислорода).

В лаборатории кислород получают умеренным нагреванием некоторых веществ:

1) При разложении соединений марганца (+7) и (+4):

2KMnO 4 → K 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2
перманганат манганат
калия калия

2MnO 2 → 2MnO + O 2

2) При разложении перхлоратов:

2KClO 4 → KClO 2 + KCl + 3O 2
перхлорат
калия

3) При разложении бертолетовой соли (хлората калия) .
При этом образуется атомарный кислород:

2KClO 3 → 2 KCl + 6O 0
хлорат
калия

4) При разложении на свету солей хлорноватистой кислоты - гипохлоритов:

2NaClO → 2NaCl + O 2

Ca(ClO) 2 → CaCl 2 + O 2

5) При нагревании нитратов.
При этом образуется атомарный кислород. В зависимости от того, какое положение в ряду активности занимает металл нитрата, образуются различные продукты реакции:

2NaNO 3 → 2NaNO 2 + O 2

Ca(NO 3) 2 → CaO + 2NO 2 + O 2

2AgNO 3 → 2 Ag + 2NO 2 + O 2

6) При разложении пероксидов:

2H 2 O 2 ↔ 2H 2 O + O 2

7) При нагревании оксидов неактивных металлов:

2Аg 2 O ↔ 4Аg + O 2

Данный процесс имеет актуальное значение в быту. Дело в том, что посуда, изготовленная из меди или серебра, имея естественный слой оксидной плёнки, при нагревании образует активный кислород, что является антибактериальным эффектом. Растворение солей неактивных металлов, особенно нитратов, также приводит к образованию кислорода. Например, суммарный процесс растворения нитрата серебра можно представить по этапам:

AgNO 3 + H 2 O → AgOH + HNO 3

2AgOH → Ag 2 O + O 2

2Ag 2 O → 4Ag + O 2

или в суммарном виде:

4AgNO 3 + 2H 2 O → 4Ag + 4HNO 3 + 7O 2

8) При нагревании солей хрома высшей степени окисления:

4K 2 Cr 2 O 7 → 4K 2 CrO 4 + 2Cr 2 O 3 + 3 O 2
бихромат хромат
калия калия

В промышленности кислород получают:

1) Электролитическим разложением воды:

2Н 2 О → 2Н 2 + О 2

2) Взаимодействием углекислого газа с пероксидами:

СО 2 + К 2 О 2 →К 2 СО 3 + О 2

Данный способ представляет собой незаменимое техническое решение проблемы дыхания в изолированных системах: подводных лодках, шахтах, космических аппаратах.

3) При взаимодействии озона с восстановителями:

О 3 + 2КJ + H 2 O → J 2 + 2KOH + O 2

Особое значение получение кислорода имеет место в процессе фотосинтеза , происходящего в растениях. Кардинальным образом от этого процесса зависит вся жизнь на Земле. Фотосинтез – сложный многоступенчатый процесс. Начало ему даёт свет. Сам фотосинтез состоит из двух фаз: световой и темновой. В световую фазу пигмент хлорофилл, содержащийся в листьях растений, образует так называемый «светопоглощающий» комплекс», который отнимает электроны у воды, и тем самым расщепляет её на ионы водорода и кислород:

2Н 2 О = 4е + 4Н + О 2

Накопившиеся протоны способствуют синтезу АТФ:

АДФ + Ф = АТФ

В темновую фазу происходит преобразование углекислого газа и воды в глюкозу. И побочно выделяется кислород:

6СО 2 + 6Н 2 О = С 6 Н 12 О 6 + О 2

blog.сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.

История открытия кислорода Открытие кислорода ознаменовало новый период в развитии химии. С глубокой древности было известно, что для горения необходим воздух. Процесс горения веществ долгое время оставался непонятным. В эпоху алхимии широкое распространение получила теория флогистона, согласно которой вещества горят благодаря их взаимодействию с огненной материей, то есть с флогистоном, который содержится в пламени. Кислород был получен английским химиком Джозефом Пристли в 70-х годах XVIII века. Химик нагревал красный порошок оксида ртути (II), в итоге вещество разлагалось, с образованием металлической ртути и бесцветного газа:

2HgO t° → 2Hg + O2

Способы получения и собирания кислорода в лаборатории

1) Разложение оксида ртути (II)

2) Разложение перманганата калия

2KMnO4 t° → K2MnO4 + MnO2 + O2

Как обнаружить присутствие кислорода? Воспользуемся способом Пристли. Подожжем деревянную лучину, дадим ей немного погореть, затем погасим, так, чтобы она едва тлела. Опустим тлеющую лучину в сосуд с кислородом. Лучина ярко вспыхивает! Газоотводная трубка была не случайно опущена до дна сосуда-приемника. Кислород тяжелее воздуха, следовательно, он будет собираться в нижней части приемника, вытесняя из него воздух. Кислород можно собрать и методом вытеснения воды. Для этого газоотводную трубку необходимо опустить в пробирку, заполненную водой, и опущенную в кристаллизатор с водой вниз отверстием. При поступлении кислорода газ вытесняет воду из пробирки.

Разложение пероксида водорода

Катализатор – вещество, ускоряющее скорость протекания химической реакции

Нальем в колбу пероксид водорода, внесем в жидкость катализатор. Катализатором может служить порошок черного цвета – оксид марганца MnO2. Тотчас смесь начнет вспениваться вследствие выделения большого количества кислорода. Внесем в колбу тлеющую лучину – она ярко вспыхивает. Уравнение реакции разложения пероксида водорода:

2H2O2 MnO2 → 2H2O + O2

Обратите внимание: катализатор, ускоряющий протекание реакции, записывается над стрелкой, или знаком «=», потому что он не расходуется в ходе реакции, а только ускоряет ее.

Разложение хлората калия

2KClO3 t°, MnO2 → 2KCl + 3O2.

Разложение нитратов

АВ → А + В.

Реакции разложения могут протекать при действии различных факторов. Это может быть нагревание, действие электрического тока, применение катализатора. Существуют реакции, в которых вещества разлагаются самопроизвольно.

Получение кислорода в промышленности

• В лаборатории кислород получают реакциями разложения
• Реакция разложения – реакция, в результате которой сложные вещества разлагаются на более простые
• Кислород можно собрать методом вытеснения воздуха или методом вытеснения воды
• Для обнаружения кислорода используют тлеющую лучину, она ярко вспыхивает в нем
• Катализатор – вещество, ускоряющее химическую реакцию, но не расходующееся в ней

СВОЙСТВА КИСЛОРОДА И СПОСОБЫ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ

Кислород О 2 является наиболее распространенным элементом на земле. Он находится в большом количестве в виде химических соединений с различными веществами в земной коре (до 50% вес.), в соединении с водородом в воде (около 86% вес.) и в свободном состоянии в атмосферном воздухе в смеси главным образом с азотом в количестве 20,93% об. (23,15% вес.).

Кислород имеет большое значение в народном хозяйстве. Он широко применяется в металлургии; химической промышленности; для газопламенной обработки металлов, огневого бурения твердых горных пород, подземной газификации углей; в медицине и различных дыхательных аппаратах, например для высотных полетов, и в других областях.

В нормальных условиях кислород представляет собой газ без цвета, запаха и вкуса, не горючий, но активно поддерживающий горение. При весьма низких температурах кислород превращается в жидкость и даже твердое вещество.

Важнейшие физические константы кислорода следующие:

Кислород обладает большой химической активностью и образует соединения со всеми химическими элементами, кроме редких газов. Реакции кислорода с органическими веществами имеют резко выраженный экзотермический характер. Так, при взаимодействии сжатого кислорода с жировыми или находящимися в мелкодисперсном состоянии твердыми горючими веществами происходит мгновенное их окисление и выделяющееся тепло способствует самовозгоранию этих веществ, что может быть причиной пожара или взрыва. Это свойство особенно необходимо учитывать при обращении с кислородной аппаратурой.

Одним из важных свойств кислорода является способность его образовывать в широких пределах взрывчатые смеси с горючими газами и парами жидких горючих, что также может привести к взрывам при наличии открытого огня или даже искры. Взрывчатыми являются и смеси воздуха с газо- или парообразными горючими.

Кислород может быть получен: 1) химическими способами; 2) электролизом воды; 3) физическим способом из воздуха.

Химические способы, заключающиеся в получении кислорода из различных веществ, малопроизводительны и в настоящее время имеют лишь лабораторное значение.

Электролиз воды, т. е. разложение ее на составляющие - водород и кислород, осуществляется в аппаратах, называемых электролизерами. Через воду, в которую для повышения электропроводности добавляется едкий натр NaOH, пропускается постоянный ток; кислород собирается на аноде, а водород - на катоде. Недостатком способа является большой расход электроэнергии: на 1 м 3 0 2 (кроме того, получается 2 м 3 Н 2) расходуется 12-15 квт. ч. Этот способ рационален при наличии дешевой электроэнергии, а также при получении электролитического водорода, когда кислород является отходом производства.

Физический способ заключается в разделении воздуха на составляющие методом глубокого охлаждения. Этот способ позволяет получать кислород практически в неограниченном количестве и имеет основное промышленное значение. Расход электроэнергии на 1 м 3 О 2 составляет 0,4-1,6 квт. ч, в зависимости от типа установки.

ПОЛУЧЕНИЕ КИСЛОРОДА ИЗ ВОЗДУХА

Атмосферный воздух в основном представляет собой механическую смесь трех газов при следующем объемном их содержании: азота - 78,09%, кислорода - 20,93%, аргона - 0,93%. Кроме того, в нем содержится около 0,03% углекислого газа и малые количества редких газов, водорода, закиси азота и др.

Главная задача при получении кислорода из воздуха заключается в разделении воздуха на кислород и азот. Попутно производится отделение аргона,-применение которого в специальных способах сварки непрерывно возрастает, а также и редких газов, играющих важную роль в ряде производств. Азот имеет некоторое применение в сварке как защитный газ, в медицине и других областях.

Сущность способа заключается в глубоком охлаждении воздуха с обращением его в жидкое состояние, что при нормальном атмосферном давлении может быть достигнуто в интервале температур от —191,8° С (начало сжижения) до -193,7° С (окончание сжижения).

Разделение жидкости на кислород и азот осуществляется путем использования разности температур их кипения, а именно: Т кип. о2 = -182,97° С; Т кип.N2 = -195,8° С (при 760 мм рт. ст.).

При постепенном испарении жидкости в газообразную фазу в первую очередь будет переходить азот, имеющий более низкую температуру кипения и по мере его выделения жидкость будет обогащаться кислородом. Многократное повторение этого процесса позволяет получить кислород и азот требуемой чистоты. Такой способ разделения жидкостей на составные части называется ректификацией.

Для производства кислорода из воздуха имеются специализированные предприятия, оснащенные высокопроизводительными установками. Кроме того, на крупных металлообрабатывающих предприятиях имеются свои кислородные станции.

Низкие температуры, необходимые для сжижения воздуха, получают с помощью так называемых холодильных циклов. Ниже кратко рассматриваются основные холодильные циклы, используемые в современных установках.

Холодильный цикл с дросселированием воздуха основан на эффекте Джоуля—Томсона, т. е. резком снижении температуры газа при свободном его расширении. Схема цикла приведена на рис. 2.

Воздух сжимается в многоступенчатом компрессоре 1 до 200 кгс/см 2 и затем проходит через холодильник 2 с проточной водой. Глубокое охлаждение воздуха происходит в теплообменнике 3 обратным потоком холодного газа из сборника жидкости (ожижителя) 4. В результате расширения воздуха в дроссельном вентиле 5 он дополнительно охлаждается и частично сжижается.

Давление в сборнике 4 регулируется в пределах 1—2 кгс/см 2 . Жидкость периодически сливается из сборника в специальные емкости через вентиль 6. Несжиженная часть воздуха отводится через теплообменник, производя охлаждение новых порций поступающего воздуха.

Охлаждение воздуха до температуры сжижения происходит постепенно; при включении установки имеется пусковой период, в течение которого сжижения воздуха не наблюдается, а происходит лишь охлаждение установки. Этот период занимает несколько часов.

Достоинством цикла является его простота, а недостатком — относительно высокий расход электроэнергии — до 4,1 квт. ч на 1 кг сжиженного воздуха при давлении в компрессоре 200 кгс/см 2 ; при меньшем давлении удельный расход электроэнергии резко возрастает. Данный цикл применяется в установках малой и средней производительности для получения газообразного кислорода.

Несколько более сложным является цикл с дросселированием и предварительным аммиачным охлаждением воздуха.

Холодильный цикл среднего давления с расширением в детандере основан на понижении температуры газа при расширении с отдачей внешней работы. Кроме того, используется и эффект Джоуля— Томсона. Схема цикла приведена на рис. 3.

Воздух сжимается в компрессоре 1 до 20-40 кгс/см 2 , проходит через холодильник 2 и затем через теплообменники 3 и 4. После теплообменника 3 большая часть воздуха (70-80%) направляется в поршневую расширительную машину-детандер 6, а меньшая часть воздуха (20-30%) идет на свободное расширение в дроссельный вентиль 5 и далее сборник 7, имеющий кран 8 для слива жидкости. В детандере 6

воздух, уже охлажденный в первом теплообменнике, производит работу - толкает поршень машины, давление его падает до 1 кгс/см 2 , за счет чего резко снижается температура. Из детандера холодный воздух, имеющий температуру около —100° С, выводится наружу через теплообменники 4 и 3, охлаждая поступающий воздух. Таким образом, детандер обеспечивает весьма эффективное охлаждение установки при сравнительно небольшом давлении в компрессоре. Работа детандера используется полезно и это частично компенсирует затрату энергии на сжатие воздуха в компрессоре.

Достоинствами цикла являются: сравнительно небольшое давление сжатия, что упрощает конструкцию компрессора и повышенная холодопроизводительность (благодаря детандеру), что обеспечивает устойчивую работу установки при отборе кислорода в жидком виде.

Холодильный цикл низкого давления с расширением в турбодетандере, разработанный акад. П. Л. Капицей, основан на применении воздуха низкого давления с получением холода только за счет расширения этого воздуха в воздушной турбине (турбодетандере) с производством внешней работы. Схема цикла приведена на рис. 4.

Воздух сжимается турбокомпрессором 1 до 6-7 кгс/см 2 , охлаждается водой в холодильнике 2 и поступает в регенераторы 3 (теплообменники), где охлаждается обратным потоком холодного воздуха. До 95% воздуха после регенераторов направляется в турбодетандер 4, расширяется до абсолютного давления 1 кгс/см 2 с выполнением внешней работы и при этом резко охлаждается, после чего он подается в трубное пространство конденсатора 5 и конденсирует остальную часть сжатого воздуха (5%), поступающую в межтрубное пространство. Из конденсатора 5 основной поток воздуха направляется в регенераторы и охлаждает поступающий воздух, а жидкий воздух пропускается через дроссельный вентиль 6 в сборник 7, из которого сливается через вентиль 8. На схеме показан один регенератор, а в действительности их ставят несколько и включают поочередно.

Достоинствами цикла низкого давления с турбодетандером являются: более высокий к. п. д. турбомашин по сравнению с машинами поршневого типа, упрощение технологической схемы, повышение надежности и взрывобезопасности установки. Цикл применяется в установках большой производительности.

Разделение жидкого воздуха на составляющие осуществляется посредством процесса ректификации, сущность которого состоит в том, что образующуюся при испарении жидкого воздуха парообразную смесь азота и кислорода пропускают через жидкость с меньшим содержанием кислорода. Поскольку кислорода в жидкости меньше, а азота больше, то она имеет более низкую температуру, чем проходящий через нее пар, а это вызывает конденсацию кислорода из пара и обогащение им жидкости с одновременным испарением из жидкости азота, т. е. обогащение им паров над жидкостью.

Представление о сущности процесса ректификации может дать приведенная на рис. 5 упрощенная схема процесса многократного испарения и конденсации жидкого воздуха.

Принимаем, что воздух состоит только из азота и кислорода. Представим, что имеется несколько соединенных друг с другом сосудов (I—V), в верхнем находится жидкий воздух с содержанием 21% кислорода. Благодаря ступенчатому расположению сосудов жидкость будет стекать вниз и при этом постепенно обогащаться кислородом, а температура ее будет повышаться.

Допустим, что в сосуде II находится жидкость, содержащая 30% 0 2 , в сосуде III — 40%, в сосуде IV — 50% и в сосуде V — 60% кислорода.

Для определения содержания кислорода в паровой фазе воспользуемся специальным графиком — рис. 6, кривые которого указывают содержание кислорода в жидкости и паре при различных давлениях.

Начнем испарять жидкость в сосуде V при абсолютном давлении 1 кгс/см 2 . Как видно из рис. 6, над жидкостью в этом сосуде, состоящей из 60% 0 2 и 40% N 2 , может находиться равновесный по составу пар, содержащий 26,5% 0 2 и 73,5% N 2 , имеющий такую же температуру, что и жидкость. Подаем этот пар в сосуд IV, где жидкость содержит только 50% 0 2 и 50% N 2 и поэтому будет более холодной. Из рис. 6 видно, что над этой жидкостью пар может содержать лишь 19% 0 2 и 81% N 2 , и только в этом случае его температура будет равна температуре жидкости в данном сосуде.

Следовательно, подводимый в сосуд IV из сосуда V пар, содержащий 26,5% О 2 , имеет более высокую температуру, чем жидкость в сосуде IV; поэтому кислород пара конденсируется в жидкости сосуда IV, а часть азота из нее будет испаряться. В результате жидкость в сосуде IV обогатится кислородом, а пар над нею - азотом.

Аналогично будет происходить процесс и в других сосудах и, таким образом, при сливе из верхних сосудов в нижние жидкость обогащается кислородом, конденсируя его из поднимающихся паров и отдавая им свой азот.

Продолжая процесс вверх, можно получить пар, состоящий почти из чистого азота, а в нижней части - чистый жидкий кислород. В действительности процесс ректификации, протекающий в ректификационных колоннах кислородных установок, значительно сложнее описанного, но принципиальное его содержание такое же.

Независимо от технологической схемы установки и вида холодильного цикла процесс производства кислорода из воздуха включает следующие стадии:

1) очистка воздуха от пыли, паров воды и углекислоты. Связывание СО 2 достигается пропусканием воздуха через водный раствор NaOH;

2) сжатие воздуха в компрессоре с последующим охлаждением в холодильниках;

3) охлаждение сжатого воздуха в теплообменниках;

4) расширение сжатого воздуха в дроссельном вентиле или детандере для его охлаждения и сжижения;

5) сжижение и ректификация воздуха с получением кислорода и азота;

6) слив жидкого кислорода в стационарные цистерны и отвод газообразного в газгольдеры;

7) контроль качества получаемого кислорода;

8) наполнение жидким кислородом транспортных резервуаров и наполнение баллонов газообразным кислородом.

Качество газообразного и жидкого кислорода регламентируется соответствующими ГОСТами.

По ГОСТу 5583-58 выпускается газообразный технический кислород трех сортов: высший — с содержанием не менее 99,5% О 2 , 1-й — не менее 99,2% О 2 и 2-й — не менее 98,5% О 2 , остальное — аргон и азот (0,5—1,5%). Содержание влаги не должно превышать 0,07 г/ж 3 . Кислород, получаемый электролизом воды, не должен содержать водорода более 0,7% по объему.

По ГОСТу 6331-52 выпускается жидкий кислород двух сортов: сорт А с содержанием не менее 99,2% О 2 и сорт Б с содержанием не менее 98,5% О 2 . Содержание ацетилена в жидком кислороде не должно превышать 0,3 см 3 /л.

Применяемый для интенсификации различных процессов на предприятиях металлургической, химической и других отраслей промышленности технологический кислород содержит 90—98% О 2 .

Контроль качества газообразного, а также и жидкого кислорода производится непосредственно в процессе производства с помощью специальных приборов.

Администрация Общая оценка статьи: Опубликовано: 2012.06.01