Воздух в жидком состоянии

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.

Содержание

Получение [ править | править код ]

Основным и практически неисчерпаемым источником получения жидкого кислорода является атмосферный воздух: производится сжижение воздуха и последующее разделение его на кислород и азот.

Физические особенности [ править | править код ]

Из-за своей криогенной природы жидкий кислород может вызвать хрупкость материалов, которые находятся с ним в соприкосновении.

Парамагнетические свойства [ править | править код ]

Для объяснения отклонения парамагнетических свойств жидкого кислорода от закона Кюри американским физикохимиком Г. Льюисом в 1924 году была предложена молекула тетракислорода (O₄). [2] На сегодняшний день теория Льюиса считается лишь частично верной: компьютерное моделирование показывает, что хотя в жидком кислороде не образуется устойчивых молекул O₄ [3] , молекулы O₂ на самом деле имеют тенденцию ассоциировать в пары с противоположными спинами, которые формируют временные объединения O₂-O₂ [3] .

Химические свойства [ править | править код ]

Жидкий кислород также является очень мощным окислительным агентом: органическое вещество быстро сгорает в его среде с большим выделением тепла. Более того, некоторые из этих веществ, будучи пропитанными жидким кислородом имеют свойство непредсказуемо взрываться. Часто так ведут себя нефтепродукты, включая асфальт.

Применение [ править | править код ]

Компонент ракетного топлива [ править | править код ]

Жидкий кислород является широко распространённым окислительным компонентом ракетных топлив обычно в комбинации с жидким водородом или керосином. Его использование обусловлено высоким удельным импульсом, который получается при применении этого окислителя в ракетных двигателях. Кислород — самый дешевый из применяемых компонентов ракетных топлив. Первое использование имело место в германской БР Фау-2, позднее в американских БР «Редстоун» и РН «Атлас», а также в советской МБР Р-7. Жидкий кислород активно использовался в ранних МБР, но более поздние версии этих ракет его не используют из-за криогенной природы и необходимости регулярной дозаправки для компенсации выкипания окислителя, что затрудняет быстрый запуск. Многие современные ЖРД используют ЖК в качестве окислителя, например РД-180, RS-25.

Изготовление взрывчатки [ править | править код ]

Жидкий кислород также активно использовался при изготовлении взрывчатки «Оксиликвит», но сейчас она редко используется из-за большого количества происшествий и несчастных случаев.

Хранение и транспортировка [ править | править код ]

В качестве уплотнительных прокладочных материалов в системах с жидким кислородом применяются материалы, не теряющие эластичности при низких температурах: паронит, фторопласты, отожженные медь и алюминий.

Хранение и транспортировка больших количеств жидкого кислорода осуществляется в ёмкостях объёмом от нескольких десятков до 1500 м³ из нержавеющей стали, снабженных теплоизоляцией, а также в сосудах Дьюара. Наружный, защитный кожух теплоизоляции может выполняться и из углеродистой стали. Резервуары транспортных ёмкостей изготавливаются также из сплава АМц. Применение вакуумно-порошковой или экранно-вакуумной теплоизоляции позволяет снизить суточные потери кипящего продукта до уровня 0,1—0,5 % (в зависимости от размеров ёмкости) и скорость повышения температуры переохлажденного — до 0,4—0,5 К в сутки.

Транспортировка кипящего кислорода производится с открытым вентилем газосброса, а переохлажденного — при закрытом вентиле, с контролем давления не реже 2 раз в сутки; при повышении давления больше, чем на 0,02 МПа (изб.) вентиль открывается.

Хранение с жидким азотом [ править | править код ]

Жидкий азот имеет более низкую точку кипения 77 K (−196 °C) и устройства, которые содержат жидкий азот, могут конденсировать кислород из воздуха: когда большая часть азота испаряется из такого устройства возникает риск того, что остаток жидкого кислорода может сильно прореагировать с органическими материалами. С другой стороны, жидкий азот или жидкий воздух может оказаться насыщенным жидким кислородом, если оставить ёмкость на открытом воздухе — атмосферный кислород будет в ней растворяться, в то время как азот будет испаряться быстрее.

Общий характер высотного изменения температуры воздуха был предугадан Аристотелем.
Он делил атмосферу на три слоя, из которых прилегающий к Земле пригоден для жизни, следующий сильно охлаждён, а самый верхний, наоборот, сильно нагрет.
При достаточном охлаждении воздух переходит в жидкое состояние.

Жидкий воздух можно довольно долго сохранять в сосудах с двойными стенками, из пространства между которыми для уменьшения теплопередачи выкачан воздух. Подобные сосуды используются, например, в термосах.

Свободно испаряющийся при обычных условиях жидкий воздух имеет температуру около –190 °С.
Состав его непостоянен, так как азот улетучивается быстрее кислорода. По мере удаления азота цвет жидкого воздуха изменяется от голубоватого до бледно-синего (цвет жидкого кислорода) . До ХIX века считали, что газы являются таковыми по самой своей природе, и вопрос о их сжижении даже не возникал.

Кислородный прибор с жидким воздухом

Лишь в 20-х годах ХIХ века, применяя значительные давления, удалось получить в жидком состоянии хлор, аммиак, диоксид углерода и ряд других веществ “газообразной природы”. Однако оставались ещё многие, в частности основные газы воздуха — кислород и азот, которые, несмотря на все усилия, не сжимались. На них перенесли то представление, которое раньше было общим, и стали считать их “постоянными” газами.

Только в 1877 г. впервые удалось получить в жидком состоянии одни из этих “постоянных” газов — кислород. Вслед за тем были сжиженны и все другие.

Схема получения жидкого воздуха заключается в том, что предварительно освобождённый от пыли, влаги и углекислого газа воздух сжимается компрессором до 200-250 атм (при одновременном охлаждении водой) , проходит первый теплообменник и затем разделяется на два потока. Большая часть направляется в детандер — поршневую машину, работающую за счёт расширения воздуха. Последний, значительно охладившись в детандере, омывает оба теплообменника и, охладив текущий навстречу сжатый воздух, покидает установку. Другой поток сжатого воздуха, охлаждённый ещё более во втором теплообменнике направляется в расширительную камеру, после чего покидает установку вместе с воздухом из детандера. Вскоре наступает момент, когда в расширительной камере достигается температура сжижения, и затем он уже непрерывно получается в жидком состоянии.

В 1938 г. П. Л. Капицей был разработан метод получения жидкого воздуха при низком давлении — всего 5-6 атм. По мере испарения азота жидкий воздух обогащается кислородом, причём температура его кипения постепенно повышается. Одновременно возрастает и плотность жидкого воздуха (приблизительно 0,94 г/см3 для нормального состава) . Температура его затвердевания также зависит от состава, причём наинизшая она (– 223 °С) при содержании 78% кислорода.

“>