Получение и применение кислорода
Кислород свойства, изготовления, хранение, транспортировка и мери безопасности при использовании кислорода.
Ацетилен свойства, изготовления, хранение, транспортировка и мери безопасности при использовании кислорода.
СВОЙСТВА КИСЛОРОДА
Газообразный кислород бесцветен, прозрачен, не имеет запаха и вкуса, обладает высокой химической активностью и способен образовывать химические соединения (окислы) со всеми элементами, кроме инертных газов (аргона, криптона, ксенона, неона и гелия). Скорость реакции окисления резко возрастает при повышении температуры или применении катализаторов.
Реакции окисления органических веществ в кислороде носят экзотермический характер и протекают с выделением большого количества теплоты. Повышение давления и температуры кислорода в зоне реакции значительно ускоряет ее протекание. В сжатом или нагретом кислороде процесс окисления при известных условиях может протекать с быстро нарастающей скоростью за счет теплоты, выделяющейся в зоне реакции, и соответствующего повышения температуры. При соприкосновении сжатого газообразного кислорода с органическими веществами (пленкой масел или жиров, угольной пылью, ворсинками органических веществ, горючими пластмассами и т. п.) может произойти их самовоспламенение. Первоначальным источником воспламенения (импульса) в таких случаях может быть теплота, выделяющаяся при быстром сжатии кислорода, при трении и ударе твердых частиц о металл, а также электростатический искровой разряд в струе кислорода.
Поэтому при использовании кислорода необходимо всегда тщательно следить за тем, чтобы он не находился в контакте с легко воспламеняющимися горючими веществами. К таким веществам относятся также металлические материалы в виде стружки, частиц окалины, железного порошка, тонких пластин и т. д. Воспламенение может наступить за счет теплоты, выделяющейся, например, при трении движущихся частей машин и механизмов.
С целью предохранения от возможных аварий и несчастных случаев всю кислородную аппаратуру, кислородопроводы и баллоны необходимо тщательно обезжиривать. В процессе эксплуатации должна быть исключена возможность попадания и накопления масел и жиров на поверхности деталей, работающих в среде кислорода. Цилиндры компрессоров, накачивающих кислород в баллоны, смазывают не маслом, а дистиллированной водой иногда с примесью 10% глицерина. В кислородных компрессорах применяют поршневые кольца из графита и других антифрикционных материалов, работающие без смазки и не загрязняющие кислород органическими примесями.
Отмеченные особенности кислорода следует всегда иметь в виду при его использовании в процессах газопламенной обработки, транспортировки и хранении.
ПОЛУЧЕНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ КИСЛОРОДА
Кислород можно получать химическим способом, электролизом воды и разделением воздуха методом глубокого охлаждения.
Химические способы малопроизводительны и неэкономичны, их иногда используют в лабораторной практике. При электролизе воды постоянным током кислород получают как побочный продукт в процессе производства чистого водорода. При этом на 2м3водорода приходится 1м3 кислорода, содержащего до 0,7% водорода. В промышленности кислород получают из атмосферного воздуха методом глубокого охлаждения и ректификации воздуха.
В установках для получения кислорода и азота из воздуха последний очищают от вредных примесей, сжимают в компрессоре до соответствующего давления холодильного цикла 0,6—20 МПа (6—200 кгс/см2), охлаждают в теплообменниках до температуры сжижения и в жидком состоянии подвергают разделению (низкотемпературной ректификации1) на кислород и азот. Разница в температурах сжижения (кипения) кислорода и азота составляет около 13°, что достаточно для их полного разделения в жидкой фазе.
На крупных воздухоразделительных установках попутно с кислородом или азотом из воздуха извлекают также аргон, криптон, ксенон, неоно-гелиевую смесь, широко используемые в технике. Получаемые кислород и другие газы собирают в газгольдеры и подают в сжатом виде -к местам потребления по трубопроводам. Для хранения и перевозки кислород и инертные газы накачивают в баллоны под давлением до 20 МПа (200 кгс/см2). Газы в жидком состоянии хранят на складах и доставляют потребителям в цистернах. При потреблении жидкий кислород газифицируется, превращаясь в газ под необходимым давлением.
Для первоначального охлаждения аппаратов блока разделения воздуха и компенсации потерь холода применяют холодильные циклы. В этих циклах используют два основных метода получения низких температур реальных газов: 1) дросселирование сжатого воздуха;
2) расширение сжатого воздуха в поршневом детандере или турбодетандере (детандирование).
При дросселировании сжатого газа его охлаждение происходит за счет использования внутренней энергии газа на преодоление внутренних сил сцепления между частицами газа и внешних сопротивлений увеличению его объема при расширении. При детандировании газ охлаждается в значительно большей степени, чем при дросселировании, так как его внутренняя энергия расходуется также на производство внешней работы в результате политропического расширения газа в детандере. В современных установках применяют также сложные комбинированные циклы с целью снижения удельных затрат энергии на получение кислорода или азота. В крупных современных установках разделения воздуха применяется в качестве основного холодильный цикл низкого давления с турбодетандером. Более мелкие установки строят по циклам среднего давления с детандером. Цикл с одним дросселированием используют теперь только в очень небольших установках. Для получения жидкого кислорода или азота используют циклы высокого давления с детандером, а в очень крупных установках - цикл низкого давления с турбодетандером и дополнительным азотным холодильным циклом.
Кислород находит широкое применение во многих ведущих отраслях промышленности.
В СССР кислород наиболее широко используют при интенсификации выплавки стали в мартеновских печах и электропечах, кислородно-конверторной выплавке стали, интенсификации процесса выплавки чугуна в доменных печах, получении цветных металлов из руд. В химической промышленности кислород необходим для газификации твердых топлив, конверсии углеводородных газов при производстве синтетического аммиака, метанола, формальдегида и других важнейших продуктов, для производства ацетилена из природного газа, азотной и серной кислот и пр. Технический кислород является основным компонентом при осуществлении процессов газовой сварки, кислородной резки, поверхностной закалки и других процессов газопламенной обработки; в большом количестве жидкий кислород используют в ракетных энергетических установках для интенсификации горения жидкого топлив . Ректификацией называется процесс многократного испарения и конденсации жидкости на тарелках разделительного аппарата - так называемой ректификационной колонны, при котором в верхней части колонны собираются пары, состоящие из чистого легкокипящего компонента (азота), а в нижней - жидкость, содержащая в основном менее летучий компонент (кислород).