Жидкий воздух как основа для получения чистого кислорода

Так как все газы имеют несколько агрегатных состояний и могут быть сжижены, то воздух, состоящий из смеси газов, тоже может стать жидкостью. В основном жидкий воздух производят для выделения из него чистого кислорода, азота и аргона.

Немного истории

До 19 века ученые считали, что газ имеет лишь одно агрегатное состояние, но доводить воздух до жидкого состояния научились уже в начале прошлого века. Это делалось при помощи машины Линде, основными частями которой были компрессор (электродвигатель, снабженный насосом) и теплообменник, представленный в виде двух свернутых в спираль трубок, одна из которых проходила внутри другой. Третьим компонентом конструкции был термос, внутри него и собирался сжиженный газ. Детали машины покрывались теплоизоляционными материалами, чтобы предотвратить доступ к газу теплоты извне. Находящаяся вблизи горловины внутренняя трубка оканчивалась дросселем.


жидкий воздух

Работа газа

Технология получения сжиженного воздуха довольно проста. Сначала смесь газов очищают от пыли, частиц воды, а также от углекислого газа. Есть еще одна важная составляющая, без которой не получится произвести жидкий воздух, - давление. С помощью компрессора воздух сжимают до 200-250 атмосфер, одновременно охлаждая его водой. Далее воздух идет через первый теплообменник, после чего делится на два потока, больший из которых идет в детандер. Этим термином называют поршневую машину, которая работает за счет расширения газа. Она преобразовывает потенциальную энергию в механическую, и газ охлаждается, потому что совершает работу.

Далее воздух, омыв два теплообменника и тем самым охладив второй поток, идущий навстречу, выходит наружу и собирается в термосе.

температура жидкого воздуха

Турбодетандер

Несмотря на кажущуюся простоту, применение детандера невозможно в промышленных масштабах. Полученный путем дросселирования через тонкую трубку газ оказывается слишком дорог, получение его недостаточно эффективно и энергозатратно, а следовательно неприемлемо для промышленности. В начале прошлого века стоял вопрос об упрощении выплавки чугуна, и для этого было выдвинуто предложение делать поддув из воздуха с высоким содержанием кислорода. Таким образом возник вопрос и о промышленной добыче последнего.


Поршневой детандер быстро забивается водяным льдом, поэтому воздух нужно предварительно осушить, что делает процесс сложнее и дороже. Решить проблему помогла разработка турбодетандера, использующего вместо поршня турбину. Позднее турбодетандеры нашли применение в процессе получения и других газов.

Применение

Сам жидкий воздух как таковой нигде не используется, это промежуточный продукт в получении чистых газов.

Принцип выделения составляющих основан на разнице в кипении составных частей смеси: кислород закипает при —183°, а азот при —196°. Температура жидкого воздуха ниже двухсот градусов, и нагревая его, можно производить разделение.

Когда жидкий воздух начинает медленно испаряться, первым улетучивается азот, а после того, как его основная часть уже испарилась, при температуре —183° закипает кислород. Дело в том, что пока азот остается в смеси, она не может продолжить нагреваться, даже если использовать дополнительный подогрев, но как только большая часть азота улетучится, смесь быстро достигнет температуры кипения следующей части смеси, то есть кислорода.


жидкий воздух давление

Очищение

Однако таким путем невозможно получить чистые кислород и азот за одну операцию. Воздух в жидком состоянии на первой стадии перегонки содержит около 78 % азота и 21 % кислорода, однако чем дальше идет процесс и чем меньше азота остается в жидкости, тем больше вместе с ним будет испаряться и кислорода. Когда концентрация азота в жидкости падает до 50 %, содержание кислорода в парах увеличивается до 20 %. Поэтому испаренные газы вновь конденсируют и подвергают перегонке во второй раз. Чем больше было перегонок, тем чище будут полученные продукты.

В промышленности

Испарение и конденсация - это два противоположных процесса. При первом жидкость должна затратить тепло, а при втором - тепло будет выделяться. В случае если нет потери тепла, то теплота, выделяемая и потребляемая во время этих процессов, равна. Таким образом объем сконденсированного кислорода будет практически равен объему испаренного азота. Этот процесс называется ректификацией. Смесь двух газов, образованная вследствие испарения жидкого воздуха, снова пропускается через него, и некоторая часть кислорода переходит в конденсат, отдавая при этом тепло, за счет чего испаряется некоторая часть азота. Процесс повторяется множество раз.

Промышленное получение азота и кислорода происходит в так называемых ректификационных колоннах.

воздух в жидком состоянии

Интересные факты

При контакте с жидким кислородом многие материалы становятся хрупкими. К тому же жидкий кислород - очень мощный окислитель, поэтому, попав в него, органические вещества сгорают, выделяя много тепла. При пропитке жидким кислородом некоторые из этих веществ приобретают неконтролируемые взрывоопасные свойства. Такое поведение свойственно нефтепродуктам, к которым относится обычный асфальт.

Узнаем как и для чего сжижать газы
Сжижением природного газа называется перевод его в жидкое состояние под действием температур, которые являются меньшими по сравнению с критической. Данный процесс даёт возможность резервирования газа и его сбережения для последующего использования, ...
далее
Гелий: свойства, характеристики, использование
Гелий – инертный газ 18-й группы периодической таблицы. Это второй самый легкий элемент после водорода. Гелий – газ без цвета, запаха и вкуса, который становится жидким при температуре -268.9 °C. Точки кипения и замерзания его ниже, чем у любого ...
далее
Кислородный баллон для дыхания: инструкция, рекомендации и отзывы
Многие врачи считают, что кислородный баллончик для дыхания должен быть в каждой домашней аптечке. Это неудивительно, ведь в отдельных случаях его использование может быть жизненно необходимо для проведения реанимационных действий или осуществления ...
далее
Узнаем как ие свойства воздуха использует двойное остекление окон?
Двойное остекление – способ сохранения тепла, который применяется при изготовлении однокамерных стеклопакетов. В корне технологии лежит герметизация пространства между отдельными стеклами, что сказывается на улучшении теплоизоляции.
далее
Узнаем как ие свойства воздуха использует двойное остекление окон?
Сжатый воздух: для чего и как применяется
Сжатый воздух – воздушная масса, которая содержится в какой-либо емкости, при этом ее давление превышает атмосферное. Его используют в промышленности в разнообразных производственных операциях. Типичная система сжатого воздуха - это установка, работающая при давлении до десяти бар. В таких случаях воздушную массу сжимают в десять раз от ее первоначального объема.
далее
Сжатый воздух: для чего и как применяется
Кислород. Формула кислорода. Молекула кислорода
Среди всех веществ на Земле особое место занимает то, что обеспечивает жизнь, - газ кислород. Именно его наличие делает нашу планету уникальной среди всех других, особенной. Благодаря этому веществу в мире живет столько прекрасных созданий: растения, животные, люди.
далее
Кислород. Формула кислорода. Молекула кислорода
Кислород технический газообразный: характеристики и сорта
В настоящее время в отраслях промышленности используется множество различных газов. Не стал исключением даже технический газообразный кислород, который также активно используется и продается.
далее
Кислород технический газообразный: характеристики и сорта
Узнаем как человек использует свойства воздуха? Состав и свойства воздуха
Состав атмосферы. Какими свойствами обладает воздух? Как человек использует воздух для своих нужд? Несколько просты примеров.
далее
Узнаем как человек использует свойства воздуха? Состав и свойства воздуха