Кислород

<час />

Фон

Кислород - один из основных химических элементов. В наиболее распространенной форме кислород - это бесцветный газ, содержащийся в воздухе. Это один из элементов, поддерживающих жизнь на Земле, и он нужен всем животным. Кислород также используется во многих промышленных, коммерческих, медицинских и научных целях. Он используется в доменных печах для производства стали и является важным компонентом при производстве многих синтетических химикатов, включая аммиак, спирты и различные пластмассы. Кислород и ацетилен сжигаются вместе, обеспечивая очень высокие температуры, необходимые для сварки и резки металла. Когда кислород охлаждается ниже -297 ° F (-183 ° C), он становится бледно-голубой жидкостью, которая используется в качестве ракетного топлива.

Кислород - один из самых распространенных химических элементов на Земле. Около половины земной коры состоит из химических соединений, содержащих кислород, а пятая часть нашей атмосферы - газообразный кислород. Человеческое тело на две трети состоит из кислорода. Хотя кислород присутствует с самого начала научных исследований, он не был обнаружен и признан отдельным элементом до 1774 года, когда Джозеф Пристли из Англии выделил его, нагревая оксид ртути в перевернутой пробирке сфокусированными лучами солнца. Пристли рассказал о своем открытии французскому ученому Антуану Лавуазье, который продолжил эксперименты и определил, что это один из двух основных компонентов воздуха. Лавуазье назвал новый газообразный кислород, используя греческие слова oxys, означает кислый или кислый, и гены, означает производство или формирование, потому что он считал, что это неотъемлемая часть всех кислот.

В 1895 году Карл Пауль Готфрид фон Линде из Германии и Уильям Хэмпсон из Англии независимо друг от друга разработали процесс понижения температуры воздуха до его сжижения. Путем осторожной перегонки жидкого воздуха можно было по одному выпаривать различные газообразные компоненты и улавливать их. Этот процесс быстро стал основным источником высококачественного кислорода, азота и аргона.

В 1901 году сжатый газообразный кислород сжигали с газообразным ацетиленом в ходе первой демонстрации кислородно-ацетиленовой сварки. Эта техника стала общепромышленным методом сварки и резки металлов.

Первое использование жидкого ракетного топлива произошло в 1923 году, когда Роберт Годдард из США разработал ракетный двигатель, в котором в качестве топлива использовался бензин, а в качестве окислителя - жидкий кислород. В 1926 году он успешно управлял небольшой ракетой, работающей на жидком топливе, на расстояние 184 футов (56 м) со скоростью около 60 миль в час (97 км / ч).

После Второй мировой войны новые технологии внесли существенные улучшения в процесс разделения воздуха, используемый для производства кислорода. Объемы производства и уровень чистоты увеличились, а затраты снизились. В 1991 году в Соединенных Штатах было произведено более 470 миллиардов кубических футов (13,4 миллиарда кубических метров) кислорода, что сделало его вторым по величине используемым промышленным газом.

Пятью крупнейшими производителями кислорода в мире являются Западная Европа, Россия (бывший СССР), США, Восточная Европа и Япония.

Необработанные макатериалы

Кислород можно производить из ряда материалов, используя несколько различных методов. Самый распространенный естественный метод - это фотосинтез, при котором растения с помощью солнечного света превращают углекислый газ в воздухе в кислород. Это компенсирует процесс дыхания, при котором животные превращают кислород воздуха обратно в углекислый газ.

Наиболее распространенный коммерческий метод получения кислорода - это разделение воздуха с использованием процесса криогенной дистилляции или процесса вакуумной адсорбции. Азот и аргон также производятся путем отделения их от воздуха.

Кислород также может образовываться в результате химической реакции, в которой кислород освобождается от химического соединения и становится газом. Этот метод используется для выработки ограниченного количества кислорода для жизнеобеспечения подводных лодок, самолетов и космических кораблей.

Водород и кислород можно получить, пропуская электрический ток через воду и собирая два газа, когда они пузыряются. Водород образуется на отрицательной клемме, а кислород - на положительной клемме. Этот метод называется электролизом и производит очень чистый водород и кислород. Однако он потребляет большое количество электроэнергии и неэкономичен для крупносерийного производства.

Производственный
процесс

Большая часть промышленного кислорода производится с использованием разновидности процесса криогенной дистилляции, первоначально разработанного в 1895 году. Этот процесс производит кислород с чистотой 99 +%. В последнее время более энергоэффективный процесс вакуумно-вращающейся адсорбции использовался для ограниченного числа применений, в которых не требовался кислород с чистотой более 90-93%.

Вот шаги, используемые для производства кислорода товарного качества из воздуха с помощью процесса криогенной дистилляции.

Предварительная подготовка

Поскольку в этом процессе используется чрезвычайно холодная криогенная секция для отделения воздуха, все примеси, которые могут затвердеть, такие как водяной пар, диоксид углерода и некоторые тяжелые углеводороды, должны быть сначала удалены, чтобы предотвратить их замерзание и засорение криогенных трубопроводов.

Пробирка, в которой заключен последний вздох Томаса Эдисона, подаренная Генри Форду и страстная вентилятор, на память сына Эдисона Чарльза. (Из собраний Музея Генри Форда и Гринфилд Виллидж, Дирборн, Мичиган.)

Эта пробирка - один из самых популярных артефактов в музее Генри Форда и деревне Гринфилд в Дирборне, штат Мичиган. Говорят, что в нем заключен последний вздох великого изобретателя Томаса Альвы Эдисона. По словам сына Эдисона Чарльза, набор из восьми пустых пробирок лежал на столе рядом с смертным одре Эдисона в 1931 году. Сразу после того, как Эдисон скончался, его врач поднес несколько пробирок к губам Эдисона, чтобы уловить углекислый газ из его сдувающихся легких. . Затем врач тщательно запечатал каждую пробирку с парафином и передал пробирки Чарльзу Эдисону. Чарльз Эдисон знал, что кумиром Генри Форда был Томас Эдисон, и подарил Форду одну из трубок на память. Музей приобрел трубку после смерти Генри и Клары Форд.

Посетители обсуждают, сколько углекислого газа и кислорода в настоящее время содержится в трубке. Некоторые спрашивают, откачал ли кто-нибудь кислород из трубки перед тем, как поднести трубку ко рту Эдисона (очень маловероятно). Если нет, сколько дыхания Эдисона могло быть в трубке? Значит, мол, в нем и углекислый газ, и кислород? Тем не менее, это нетрадиционная дань уважения великому человеку со стороны тех, кто сожалеет о том, что его свет погас.

Нэнси Э.В. Брик

• 1 Воздух сжимается до давления около 94 фунтов на квадратный дюйм (650 кПа или 6,5 атм) в многоступенчатом компрессоре. Затем он проходит через доохладитель с водяным охлаждением для конденсации воды. Перед обработкой воздух предварительно обрабатывается для удаления примесей, которые забивают криогенные трубопроводы. После предварительной обработки воздух направляют на фракционную перегонку. В процессе фракционной перегонки компоненты постепенно разделяются в несколько этапов. Поскольку все процессы дистилляции работают по принципу кипения жидкости для разделения одного или нескольких компонентов, криогенная секция необходима для обеспечения очень низких температур, необходимых для сжижения компонентов газа. После отделения жидкого кислорода он очищается и хранится. пар, а конденсированная вода удаляется в водоотделителе.
• 2 Воздух проходит через адсорбер на основе молекулярного сита. Адсорбер содержит адсорбенты типа цеолита и силикагеля, которые задерживают диоксид углерода, более тяжелые углеводороды и любые оставшиеся следы водяного пара. Периодически адсорбер промывается для удаления захваченных примесей. Обычно для этого требуется два адсорбера, работающих параллельно, так что один может продолжать обрабатывать воздушный поток, пока другой промывается.

Разделение

Воздух разделяется на основные компоненты - азот, кислород и аргон - в процессе перегонки, известном как фракционная перегонка. Иногда это название сокращается до фракционирования, и вертикальные структуры, используемые для выполнения этого разделения, называют фракционирующими колоннами. В процессе фракционной перегонки компоненты постепенно разделяются в несколько этапов. На каждой стадии уровень концентрации или фракции каждого компонента увеличивается до полного разделения.

Поскольку все процессы дистилляции работают по принципу кипения жидкости для разделения одного или нескольких компонентов, криогенная секция необходима для обеспечения очень низких температур, необходимых для сжижения компонентов газа.

• 3 Поток предварительно обработанного воздуха разделяется. Небольшая часть воздуха проходит через компрессор, где его давление повышается. Затем его охлаждают и дают расшириться почти до атмосферного давления. Это расширение быстро охлаждает воздух, который нагнетается в криогенную секцию для обеспечения требуемых низких температур для работы.
• 4 Основной поток воздуха проходит через одну сторону пары пластинчато-ребристых теплообменников, работающих последовательно, в то время как очень холодные кислород и азот из криогенной секции проходят через другую сторону. Поступающий воздушный поток охлаждается, а кислород и азот нагреваются. При некоторых операциях воздух можно охлаждать, пропуская его через расширительный клапан вместо второго теплообменника. В любом случае температура воздуха понижается до точки, при которой кислород, имеющий наивысшую точку кипения, начинает разжижаться.
• 5 Воздушный поток - теперь частично жидкий и частично газовый - входит в основание ректификационной колонны высокого давления. По мере того, как воздух продвигается вверх по колонне, он теряет дополнительное тепло. Кислород продолжает разжижаться, образуя богатую кислородом смесь в нижней части колонны, в то время как большая часть азота и аргона течет вверх в виде пара.
• 6 Смесь жидкого кислорода, называемая неочищенным жидким кислородом, выводится из нижней части нижней ректификационной колонны и далее охлаждается в переохладителе. Часть этого потока расширяется до давления, близкого к атмосферному, и подается в ректификационную колонну низкого давления. По мере того, как неочищенный жидкий кислород продвигается вниз по колонне, большая часть оставшегося азота и аргона отделяется, оставляя 99,5% чистого кислорода на дне колонны.
• 7 Тем временем пар азота / аргона из верхней части колонны высокого давления дополнительно охлаждается в переохладителе. Смешанный пар расширяется до давления, близкого к атмосферному, и подается в верхнюю часть ректификационной колонны низкого давления. Азот, который имеет самую низкую температуру кипения, сначала превращается в газ и выходит из верхней части колонны в виде азота чистотой 99,995%.
• 8 Аргон, температура кипения которого находится между кислородом и азотом, остается паром и начинает тонуть по мере выкипания азота. Когда пар аргона достигает точки примерно на две трети пути вниз по колонне, концентрация аргона достигает своего максимума примерно 7-12% и отводится в третью ректификационную колонну, где он далее рециркулируется и очищается. Конечный продукт представляет собой поток сырого аргона, содержащий 93-96% аргона, 2-5% кислорода, а остальное - азот со следами других газов.

Очищение

Кислород в нижней части колонны низкого давления имеет чистоту около 99,5%. Новые установки криогенной дистилляции предназначены для извлечения большего количества аргона из колонны низкого давления, и это улучшает чистоту кислорода примерно до 99,8%.

• 9 Если требуется более высокая чистота, можно добавить одну или несколько дополнительных ректификационных колонн вместе с колонной низкого давления для дальнейшей очистки кислородного продукта. В некоторых случаях кислород можно также пропускать через катализатор для окисления любых углеводородов. В результате этого процесса образуется двуокись углерода и водяной пар, которые затем улавливаются и удаляются.

Распространение

Около 80-90% кислорода, производимого в Соединенных Штатах, распределяется конечным потребителям по газопроводам с близлежащих воздухоразделительных установок. В некоторых частях страны разветвленная сеть трубопроводов обслуживает множество конечных пользователей на территории в сотни миль (километров). Газ сжимается до примерно 500 фунтов на квадратный дюйм (3,4 МПа или 34 атм) и проходит по трубам диаметром 4–12 дюймов (10–30 см). Большая часть оставшегося кислорода распределяется в изотермических цистернах или железнодорожных цистернах в виде жидкого кислорода.

• 10 Если кислород должен сжижаться, этот процесс обычно выполняется в ректификационной колонне низкого давления воздухоразделительной установки. Азот из верхней части колонны низкого давления сжимается, охлаждается и расширяется для сжижения азота. Этот поток жидкого азота затем подают обратно в колонну низкого давления, чтобы обеспечить дополнительное охлаждение, необходимое для сжижения кислорода, когда он опускается в нижнюю часть колонны.
• 11 Поскольку жидкий кислород имеет высокую температуру кипения, он быстро испаряется и редко доставляется дальше 800 км. Транспортируется в больших изолированных цистернах. Корпус резервуара состоит из двух кожухов, и воздух откачивается между внутренней и внешней кожухами, чтобы замедлить потерю тепла. Вакуумное пространство заполнено полутвердым изолирующим материалом для дальнейшего прекращения теплового потока извне.

Контроль качества

Ассоциация сжатого газа устанавливает стандарты классификации как для газообразного, так и для жидкого кислорода в зависимости от количества и типа присутствующих примесей. Сорта газа называются типом I и варьируются от A (чистота 99,0%) до F (чистота 99,995%). Жидкие сорта называются типом II и также варьируются от A до F, хотя типы и количества допустимых примесей в жидких сортах отличаются от сортов газа. Тип I, степень B, степень C и тип II, степень C имеют чистоту 99,5% и являются наиболее часто производимыми сортами кислорода. Они используются в производстве стали и синтетических химикатов.

Работа установок разделения воздуха криогенной дистилляции контролируется автоматическими приборами и часто использует компьютерное управление. В результате их продукция неизменно высокого качества. Периодический отбор проб и анализ конечного продукта гарантирует соответствие стандартам чистоты.

Будущее

В январе 1998 года Соединенные Штаты запустили спутник Lunar Prospector на орбиту вокруг Луны. Среди множества задач этого спутника - сканирование поверхности Луны на предмет наличия воды. Ученые надеются, что если будет найдено достаточное количество воды, ее можно будет использовать для производства водорода и кислорода путем электролиза, используя солнечную энергию для выработки электричества. Водород можно использовать в качестве топлива, а кислород - для жизнеобеспечения лунных колоний. Другой план включает извлечение кислорода из химических соединений в лунном грунте с использованием печи на солнечной энергии для получения тепла.