Давление перехода кислорода в жидкое состояние

Давление перехода кислорода в жидкое состояние

3. Сжижение газов

Первые успешные опыты превращения газов в жидкое состояние провел английский физик Майкл Фарадей (1791 — 1867). Условия для сжижения газов определили (независимо друг от друга) Д. И. Менделеев и Т. Эндрюс. Воздух был впервые превращен в жидкое состояние Карлом Линде (1842 — 1934). При помощи жидкого воздуха Дж. Дьюару удалось в 1898 году обратить в жидкое состояние водород, а в 1908 г. Г. Камерлинг-Оннес с помощью водорода сжижил гелий.

Газы отличаются от жидких тел расстоянием между молекулами. Казалось бы поэтому, что для сжижения газа достаточно сблизить его молекулы, т. е. сильно сдавить газ. Однако оказалось, что это не так и что для превращения газа в жидкое состояние должна быть путем охлаждения газа снижена движущая (кинетическая) энергия молекул.

Опыт показал, что для каждого газа существует своя определенная максимальная температура, при которой можно превратить газ в жидкость при помощи давления. При температуре более высокой, чем эта температура, газ остается веществом газообразным и ни при каком давлении не превращается в жидкость. Эта температура называется критической температурой газа, а давление, которым при критической температуре можно газ превратить в жидкость, критическим давлением. Оба значения очень важны для любого газа. Так напр., у углекислого газа (СО₂) критическая температура 31,1°С, а критическое давление его — 73 ат. Это значит, что при 31,1°С углекислый газ можно превратить в жидкое тело давлением в 73 ат, тогда как при температуре выше 31,1°С простым сжатием углекислый газ нельзя превратить в жидкость.

Углекислый газ довольно легко превращается в жидкость, потому что его критическая температура сравнительно высока. Еще легче можно превратить в жидкость аммиак (NH₃) -132,4°С, 112 ат), сернистый ангидрид (SO₂) -157,7°С, 77,7 ат) или хлор (146°С, 94 ат). Большие затруднения обнаружились у азота (-147,1°С, 33,5 ат), кислорода (-119°С, 50 ат) и водорода (-239°С, 12,8 ат). При помощи жидкого водорода удалось превратить в жидкое состояние и гелий (-267,9°С, 2,26 ат), критическая температура которого приближается к абсолютной нулевой точке 0°К.

Абсолютный нуль (точно — 273,16°С = 0°К) — это нижний предел температуры. При этой температуре, согласно кинетической теории, все молекулы находятся в покое. Аналогичный верхний предел температуры по-видимому не существует. На звездах были спектроскопически обнаружены температуры во много миллионов градусов. Однако пока нам удалось достигнуть максимальной температуры около 5000°С.

Сжижение газов является в настоящее время важной отраслью химической промышленности. Так напр., сжижается воздух, и из него при помощи фракционированной дистилляции получается кислород, азот и редкие газы. Сжижается хлор и в жидком виде транспортируется в стальных баллонах на отбельные заводы. Жидкие сернистый ангидрит, аммиак и другие жидкие газы применяются в холодильных установках. Их действие заключается в том, что сильно сжатому компрессором и охлажденному газу представляется возможность сразу расшириться (в пространстве, из которого компрессором отсасывается воздух через так наз. редукционный клапан); в результате этого газ так сильно охлаждается, что превращается в жидкость (явление Джоуля-Томсона). Испарением жидкого газа охлаждается рассол (крепкий солевой раствор), который затем распределяется по помещениям, предназначенным для охлаждения.

Технически важные газы транспортируются в стальных баллонах, которые согласно нормам должны быть сделаны из хорошей стали методом Маннесмана (как бесшовные трубы). В них можно транспортировать: сжатые газы (до 150 ат), а именно кислород, водород, азот, окись углерода, метан, водяной газ, светильный газ и воздух, а также жидкие газы (их критическая температура так высока, что и при относительно высоком давлении они остаются жидкими), а именно сернистый ангидрид, закись азота, углекислый газ, хлор, фосген, аммиак, масляный газ, и газы растворенные, как ацетилен.

Новые стальные баллоны нельзя наполнять, пока они тщательно не проверены, особенно на давление. Проверка на давление производится периодически (ацетиленовые баллоны проверяются сжатым азотом, прочие — гидравлическим давлением) и на каждом баллоне отмечается меткой. Все баллоны необходимо отметить цветной полосой (кислород — синей, водород — цвета красной киновари, азот — зеленой, аммиак — фиолетовой, углекислый газ — красной, ацетилен — белой, хлор — желтой, воздух — серебряно-алюминиевым покрытием и т. д.). Цветные полосы должны быть шириной в 10 см и находиться под верхней закругленной кромкой баллона. Баллоны закрыты затворными клапанами, которые предохраняются металлическими колпачками. Нарезки затворных клапанов для горючих газов нарезаются левой резьбой, для газов негорючих — правой. К главному клапану присоединяется устройство с редуктором, на котором находятся два манометра. Один показывает давление в баллоне, другой — давление выпускаемого газа.

Стальные баллоны необходимо оберегать от ударов (при транспортировке) и нельзя подвергать действию высокой температуры (оставлять на солнце или вблизи от отопительной установки или печи). У кислородных баллонов нарезки нужно смазывать не смазочным маслом, а глицерином.

Источник

Жидкий воздух — 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.

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.

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.

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.

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.

Источник