жидкий воздух что это такое
Криогенная технология
Криогенная технология-разделения воздуха с помощью криогенных температур на основные газовые компоненты
ИА Neftegaz.RU. Технология разделения воздуха с помощью криогенных температур на основные газовые компоненты известна очень давно.
Повторяя подобный процесс многократно на ректификационных тарелках воздухоразделительных колонн, получают жидкие кислород, азот и аргон нужной чистоты.
При относительно высокой стоимости криогенные блоки очень надежны, просты в эксплуатации, обладают высокими техническими характеристиками и позволяют получать газы высокой чистоты в очень больших объемах, например, газообразный азот сверхвысокой чистоты (до 1 ppb), который не может быть получен в адсорбционных и мембранных системах.
В то же время криогенные блоки являются экономически эффективными при долгосрочной эксплуатации за счет низкого удельного энергопотребления и низких эксплуатационных затрат.
Широкое применение нержавеющей стали, особенно для трубопроводов и клапанов, позволяет использовать простые и надежные сварные соединения, а также обеспечивает противокоррозионную стойкость. Кроме этого, само по себе сварные соединения нержавеющих трубопроводов как внутри холодного блока, так и в не его, обеспечивают долговечную плотность и не допускают протечек.
Основными техническими преимуществами криогенного способа являются гарантированная высокая чистота продукта при неизменном расходе, а также низкое удельное энергопотребление в течение всего срока эксплуатации.
Минимизация вращающихся и движущихся механизмов обеспечивает долгий ресурс работы криогенных установок.
При соблюдении проектных условий эксплуатации блока комплексной очистки (БКО) не требуется замена адсорбентов в течение всего срока службы установки.
Процесс генерации жидкого азота
Воздух в помощь. Как в Воронеже курсанты Военно-воздушной академии добывают кислород
Воздух в помощь. Как в Воронеже курсанты Военно-воздушной академии добывают кислород
Военно-воздушная академия имени Н. Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина – единственный военный вуз России, где курсанты получают уникальную специальность: инженер эксплуатации криогенных машин и установок электрогазовой техники. Это будущие офицеры-кислородчики, которые из воздуха добывают медицинский кислород, необходимый в военной авиации, – именно им на большой высоте дышат летчики.
Пандемия изменила привычный ход жизни академии. С сентября у курсантов старших курсов началась учебная практика. Но вместо двух-трех недель она продолжается уже почти три месяца и плавно переросла в боевую задачу – спасти тяжелобольных воронежцев, которые не могут дышать самостоятельно. Сейчас курсанты и преподаватели дежурят у кислорододобывающей станции круглыми сутками, а полученный ими жизненно необходимый кислород каждый день увозят в больницы.
Как добывают спасительный газ – увидели корреспонденты РИА «Воронеж».
В режиме нон-стоп
С начала сентября на этой кислорододобывающей станции курсанты и преподаватели произвели и передали для нужд ковид-стационаров Воронежа и области уже более 60 тонн кислорода. Среди городских стационаров, которые получили спасительный газ, – Воронежская областная больница и «красная зона» в роддоме №3.
Для того чтобы обеспечить бесперебойную работу станции, курсанты-кислородчики работают круглосуточно, в четыре смены, каждая из которых продолжается шесть часов. Их работу контролируют преподаватели.
– 6 сентября, согласно учебному плану, у нас началась практика по добыче продуктов разделения воздуха – кислорода и азота. Это происходит в рамках учебного процесса два раза в год, продолжается три недели. После окончания практики мы получили указания нашего начальника, генерал-полковника Геннадия Зиброва, о ее продолжении – нужно обеспечить больницы города и области жидким кислородом, – пояснил преподаватель кафедры криогенных машин, установок и электрогазовой техники, капитан Иван Желтоухов.
На этой учебной площадке кислород производят как в жидком, так и в газообразном состоянии. Жидкий хранится в большой цистерне, а газообразный – в синих баллонах. Для нужд больниц передают кислород в сжиженном состоянии. Уже на месте, в больнице, медики превращают его в газ.
Поставлять кислород в стационары в газообразном состоянии неэкономично. Для сравнения, поясняет Иван Желтоухов, одна тонна жидкого кислорода, которая занимает собой небольшой объем, после газификации равна 140 баллонам газообразного кислорода. А большая емкость жидкого кислорода, вмещающая 3 тонны 100 килограмм, после газификации равна 450 баллонам. Перевозить их неудобно и нецелесообразно. Гораздо проще и выгоднее перелить жидкий кислород в цистерну, откуда он будет откачиваться для нужд больниц.
Сжатие и расширение
Кислорододобывающая станция для жидкого кислорода представляет собой два машинных отделения – компрессорное и технологическое. Чтобы из воздуха получить кислород, его сначала нужно сжать, а потом расширить.
Сжатие происходит в компрессорном отделении. Здесь воздух проходит через фильтры, очищаясь от пыли, масла, влаги, углеводородов. В этом отделении два компрессора, в которых воздух нагревается и проходит пять ступеней сжатия. На выходе получается воздух под давлением 200 атмосфер. Он передается во второе, технологическое отделение, где, в свою очередь, охлаждается и расширяется.
– За счет расширения воздуха происходит его разжижение, а затем – разделение на кислород и азот, – рассказал заместитель начальника кафедры криогенных машин и установок электрогазовой техники Владислав Игнатьев.
– Так как жидкий кислород и жидкий азот, которые входят в состав жидкого воздуха, имеют разную температуру кипения, кислород стекает вниз, а азот испаряется, поднимаясь вверх, – отметил Иван Желтоухов.
Получившийся жидкий кислород закачивается в большую емкость – транспортную цистерну для криопродуктов. Лишний продукт – испарения азота – выбрасывается в атмосферу.
В этих резервуарах жидкий кислород может храниться до полугода. Именно отсюда происходит его забор для медицинских учреждений.
Конструкция цистерны представляет собой термос. Внутри цилиндра имеется емкость из нержавеющей стали. Между ней и внешним кожухом – теплоизоляционное пространство, из которого откачивается воздух и получается вакуум.
– Это нужно, чтобы уменьшить теплопритоки и испарение кислорода, – объяснил Владислав Игнатьев.
Кислорододобывающая станция может работать «без выходных» три недели, после этого военные дают станции «отдохнуть» и проводят ее техобслуживание. На смену ей вступает вторая, мобильная станция.
Как перевести кислород в газообразное состояние?
Бывают ситуации, когда жидкий кислород нужно перевести в газообразное состояние. В этом военным помогает стоящая по соседству газификационная установка. Жидкий кислород заливают в специальную емкость-бочку – насос, а оттуда газ под давлением подается в испаритель с водой. Вода нагревается, жидкий кислород испаряется. Испарения поступают на так называемую «рамку», к которой подсоединены трубочки-шланги. К ним подсоединяются баллоны, в которые под давлением закачивают уже газообразный кислород.
Запасы жидкого кислорода на учебной площадке не залеживаются – его забирают каждый день. На месте, в больнице, жидкий кислород газифицируется. Для сравнения, из пяти литров жидкого кислорода получается один баллон в газообразном состоянии.
– Обычно каждый день у нас берут по 3 тонны жидкого кислорода, – отметил Владислав Игнатьев. – Непосредственно в больнице кислород заливают в специальную емкость, подают в испаритель с водой и при нагревании переводят в газообразное состояние.
Не курить!
Работа с кислородом – дело тонкое и опасное, требующее тщательной подготовки. На кислорододобывающей станции соблюдаются повышенные меры безопасности. До работы сюда допускают только тех курсантов, которые уже прошли успешное обучение и сдали зачеты. Перед каждой сменой офицеры дополнительно инструктируют курсантов и контролируют их работу.
Военные летчики дополнительно передали воронежским больницам более 4 т кислорода
По словам Ивана Желтоухова, специальность офицера-кислородчика очень востребована, особенно сейчас, в период пандемии. Именно эти специалисты по всей стране оказывают помощь больницам и госпиталям.
Курсанты и офицеры героями себя не считают и готовы работать для спасения пациентов столько, сколько понадобится.
Справка РИА «Воронеж»
История специальности «инженер эксплуатации криогенных машин и установок электрогазовой техники» насчитывает уже 80 лет. Подготовка офицеров-кислородчиков в СССР началась 22 февраля 1941 года в Москве. В разные годы таких специалистов учили в подмосковных Тушино и Монино, Серпухове, Кирсанове, Иркутске. С 1964 года подготовка офицеров-кислородчиков проводится в Воронеже. Сейчас инженеров обучают на кафедре криогенных машин, установок и электрогазовой техники, которая входит в состав Военно-воздушной академии имени Ю. А. Гагарина и Н. Е. Жуковского. На данный момент это единственный вуз в составе Министерства обороны, который готовит подобных экспертов.
Ученые рассматривают сжиженный воздух в качестве серьезной альтернативны традиционным аккумуляторам
Английская компания Highview Power Storage, занимающаяся разработками различных систем накопления энергии для коммунальных субъектов, не так давно получила финансирование на исследование аккумулирующих свойств жидкого воздуха в размере восемнадцати миллионов долларов США.
Под понятием «жидкий воздух» следует понимать атмосферный воздух, охлажденный до температуры его сжижения. Сжиженный воздух при нагревании и изменении агрегатного состояния отличается способностью к значительному увеличению занимаемых объемов, что делает его потенциально перспективным материалом для накопления энергии.
Главной проблемой наиболее распространенных источников альтернативной энергии является их непостоянство, то есть в произвольный промежуток времени генерация ими электрической энергии динамически изменяется в широком диапазоне, а также может полностью отсутствовать. При существующем уровне развития технологий многие ученые видят эффективное решение проблемы в резервировании избыточного количества энергии в период высокой ее выработки, с целью покрытия возникающих при простоях пробелах. Традиционные системы аккумулирования электрической энергии подразумевают использование блоков аккумуляторных батарей, однако специалисты компании Highview Power Storage разработали альтернативный подход – запасать электрическую энергию в виде сжиженного воздуха, который впоследствии может храниться в условиях вакуума в резервуарах любого объема до востребования.
По заверениям представителей компании, предлагаемая концепция является одновременно эффективной, простой и недорогой. В период повышенной эффективности энергетической установки, избыточное количество производимой электрической энергии расходуется на втягивание атмосферного воздуха из окружающей среды, после чего происходит его очищение от водяного пара и углекислоты. После операции очистки, воздушная смесь охлаждается до температуры в минус сто девяноста градусов Цельсия, в результате чего она меняет свое агрегатное состояние на жидкое. В случае надобности, жидкость может быть нагрета теплым воздухом, в результате чего будет происходить существенное расширение, создающее избыточное давление, которое в свою очередь будет вращать турбину, генерирующую электрическую энергию. Согласно официальной информации, эффективность такого метода накопления электроэнергии составляет около пятидесяти-шестидесяти процентов. Таким образом, почти половина объема произведенной энергетической установки энергии будет израсходовано исключительно на ее хранение. Подобный показатель сложно назвать чем-то исключительным, ведь эффективность хранения энергии современными аккумуляторами достигает девяноста процентов. Вместе с тем, использование сжиженного воздуха для хранения энергии имеет существенные плюсы. Прежде всего, полученная энергия может храниться в течение длительных промежутков времени без потерь, в то время как традиционные аккумуляторные батареи имеют ограниченный срок эксплуатации, а длительное хранение в них энергии сопряжено со значительными потерями. Не лишним также будет отметить, что такое хранение электрической энергии не создает дополнительной опасности для окружающей среды, в то время как хранение массивов химических аккумуляторов сопряжено с определенными рисками.
Справедливости ради стоит заметить, что компания Highview Power Storage является далеко не единственной, ведущей научные изыскания в области накопления энергии за счет сжиженного воздуха. Подобными работами заняты специалисты LightSail из Беркли, нью-хемпширской компании SustainX и другими. Кроме того, гигант машиностроения Ricardo ведет масштабные разработки, основной целью которых является использование сжиженного газа в качестве топлива для автомобилей.
Кислород – рождающий кислоты
Содержание
Кислород при нормальных условиях (температуре и давлении) представляет собой прозрачный газ без запаха, вкуса и цвета. Не относится к горючим газам, но способен активно поддерживать горение.
По химической активности среди неметаллов он занимает второе место после фтора.
Все элементы, кроме благородных металлов (платина, золото, серебро, родий, палладий и др.) и инертных газов (гелий, аргон, ксенон, криптон и неон), вступают в реакцию окисления и образовывают оксиды. Процесс окисления элементов, как правило, носит экзотермический (с выделением теплоты) характер. Также необходимо учитывать тот факт, что при повышении температуры, давления или использовании катализаторов – скорость реакции окисления резко возрастает.
История открытия кислорода
Открытие кислорода приписывают Джозефу Пристли (Joseph Priestley). У него была лаборатория, оборудованная приборами для собирания газов. Он испытывал его физиологическое действие на себе и на мышах. Пристли установил, что после вдыхания газа некоторое время ощущается приятная легкость. Мыши в герметически закрытой банке с воздухом задыхаются быстрей, чем в банке с O2. Поскольку Пристли был приверженцем флогистонной теории он так и не узнал, что оказалось у него в руках. Он только описал этот газ, даже не догадываясь, что он описал. А вот лавры открытия кислорода принадлежат Антуан Лоран Лавуазье (Antoine Laurent de Lavoisier), который и дал ему имя.
Лавуазье, поставил свой знаменитый опыт, продолжавшийся 12 дней. Он нагревал ртуть в реторте. При кипении образовывалась ее красная окись. Когда реторту охладили, оказалось, что воздуха в ней убыло почти на 1/6 его объема, а остаток ртути весил меньше, чем перед нагревом. Но когда разложили окись ртути сильным прокаливанием, все вернулось: и недостача ртути, и «исчезнувший» кислород.
Впоследствии Лавуазье установил, что этот газ входит в состав азотной, серной, фосфорной кислот. Он ошибочно полагал, что O2 обязательно входит в состав кислот, и поэтому назвал его «оксигениум», что значит «рождающий кислоты». Теперь хорошо известны кислоты, лишенные «оксигениума» (например: соляная, сероводородная, синильная и др.).
Способы получения кислорода
В основном кислород получают тремя способами:
Из атмосферного воздуха его получают методом глубокого охлаждения, как побочный продукт при получении азота.
Также O2 добывают путем пропускания электрического тока через воду (электролиз воды) с попутным получением водорода.
Химические способ получения малопроизводителен, а, следовательно, и неэкономичен, он не нашел широкого применения и используются в лабораторной практике.
Наверно многие помнят химический опыт, когда в колбе нагревают марганцовку (перманганат калия KMnO4), а потом выделяющийся в процессе нагрева газ собирают в другую колбу?
Применение кислорода
Помимо того, что все живые существам в природе, за исключением немногих микроорганизмов, при дыхании потребляют кислород, он широко применяется во многих отраслях промышленности: металлургической, химической, машиностроении, авиации, ракетостроении и даже в медицине.
В химической промышленности его применяет:
В металлургии его используют:
В медицинских целях больным, у которых нарушена нормальная деятельность органов дыхания или кровообращения, искусственно увеличивают содержание O2 в воздухе или дают дышать непродолжительное время чистым O2. Медицинский кислород, выпускаемый ГОСТ 5583, особенно тщательно очищают от всех примесей.
Применение кислорода в сварке
Сам по себе O2 является негорючим газом, но из-за свойства активно поддерживать горение и увеличения интенсивности (интенсификации) горения газов и жидкого топлива его используют в ракетных энергетических установках и во всех процессах газопламенной обработки. В таких процессах газопламенной обработки, как газовая сварка, поверхностная закалка высокая температура пламени достигается путем сжигания горючих газов в O2, а при газовой резке благодаря ему происходит окисление и сгорание разрезаемого металла.
При полуавтоматической сварке (MIG/MAG) кислород O2 используют как компонент защитных газовых смесей с аргоном (Ar) или углекислым газом (CO2).
Кислород добавляют в аргон при полуавтоматической сварке легированных сталей для обеспечения устойчивости горения дуги и струйного переноса расплавленного металла в сварочную ванну. Дело в том, что как поверхностно активный элемент он уменьшает поверхностное натяжение жидкого металла, способствуя образованию на конце электрода более мелких капель.
При сварке низколегированных и низкоуглеродистых сталей полуавтоматом O2 добавляют в углекислый газ для обеспечения глубокого проплавления и хорошего формирования сварного шва, а также для уменьшения разбрызгивания.
Чаще всего кислород используют в газообразном виде, а в виде жидкости используют только при его хранении и транспортировке от завода-изготовителя до потребителей.
Вредность и опасность кислорода
За внешней безобидностью скрывается очень опасный газ, но об этом на нашем сайте опубликована статья про маслоопасность и взрывоопасность кислорода и мы не будем здесь дублировать информацию.
Хранение и транспортировка кислорода
Кислород газообразный технический и медицинский выпускают по ГОСТ 5583.
Хранят и транспортируют его в стальных баллонах ГОСТ 949 под давлением 15 МПа. Кислородные баллоны окрашены в синий цвет с надписью черными буквами «КИСЛОРОД».
Жидкий кислород выпускается по ГОСТ 6331. O2 находится в жидком состоянии только при получении, хранении и транспортировке. Для газовой сварки или газовой резки его необходимо снова превратить в газообразное состояние.
Характеристики кислорода
Характеристики O2 представлены в таблицах ниже:
Коэффициент перевода объема и массы O2 при Т=15°С и Р=0,1 МПа
| Масса, кг | Объем | |
|---|---|---|
| Газ, м 3 | Жидкость, л | |
| 1,337 | 1 | 1,172 |
| 1,141 | 0,853 | 1 |
| 1 | 0,748 | 0,876 |
Коэффициенты перевода объема и массы O2 при Т=0°С и Р=0,1 МПа
| Масса, кг | Объем | |
|---|---|---|
| Газ, м 3 | Жидкость, л | |
| 1,429 | 1 | 1,252 |
| 1,141 | 0,799 | 1 |
| 1 | 0,700 | 0,876 |
Кислород в баллоне
| Наименование | Объем баллона, л | Масса газа в баллоне, кг | Объем газа (м 3 ) при Т=15°С, Р=0,1 МПа |
|---|---|---|---|
| O2 | 40 | 8,42 | 6,3 |
Благодаря этой таблице теперь можно легко дать ответы на вопросы, которые очень часто задают сварщики:
Жидкий кислород
Жидкий кислород – это агрегатное состояние кислорода, в котором он представляет собой бледно-синюю жидкость. Он относится к категории веществ, которые одними из первых стали использоваться в разных областях промышленности. Жидкий О2 используется с двумя целями: для усиления процессов горения и для окисления химических процессов. Именно необходимость решения этих задач стала причиной популярности воздухоразделительного оборудования.
Физические свойства жидкого кислорода
В жидком состоянии кислород имеет бледно-голубой оттенок. При переливании из одной емкости в другую жидкий кислород выделяет водяные пары, поглощая тепло из окружающего воздуха. При этом температура воздуха резко снижается, что приводит к образованию тумана.
Этот вид кислорода способен закипать при температуре 183°С. Если в это время поместить его в среду, в которой температура воздуха составляет около 30-40°С, то кипение лишь усилится. При комнатной температуре жидкость быстро испаряется.
Для того чтобы снизить скорость испарения кислорода жидкого, его помещают в специальные баллоны. Баллон для хранения О2 представляет собой двухслойный сосуд. Внутренняя стенка баллона покрыта слоем серебра, а между ней и внешней стенкой полностью выкачан весь воздух. Слой серебра необходим для того, чтобы отражать тепло. В таком баллоне кислород может храниться на протяжении нескольких суток.
К другим физическим свойствам жидкого кислорода можно отнести следующие:
Как получают жидкий кислород?
После этого проводят ректификацию, то есть отделение азота от кислорода. Этого добиваются путем многократного нагревания жидкости, в ходе которого первым делом испаряется азот, а оставшаяся жидкость обогащается О2.
В каких областях используют жидкий кислород?
В настоящее время жидкому кислороду находится применение в разных областях промышленности:
Жидкий О2 служит в качестве сырья для получения других химических соединений, вроде двуокиси титана или окиси этилена. С его помощью также можно повысить производительность большинства окислительных процессов.
В стекольной промышленности кислород применяется для интенсификации процессов горения, необходимых для поддержания работы стеклоплавильных печей. Помимо этого, он помогает снизить выбросы оксида азота и увеличить эффективность стекольного производства.
С этой же целью жидкий О2 используется в металлургии, где он обогащает воздух и повышает эффективность процесса горения.
С жидким кислородом связано ускорение процессов роста клеток, поэтому в фармацевтике его добавляют в ферментеры и биореакторы.
В целлюлозно-бумажной отрасли промышленности с помощью этого вида кислорода осуществляется окислительное экстрагирование, обработка сточных вод и делигнификация (процесс получения целлюлозы).
Помимо этого, кислородом жидким пользуются в автомобилестроении и машиностроении, где он применяется в качестве вспомогательного газа во время лазерной резки. Его также добавляют в состав защитных газовых смесей.
Техника безопасности при работе с жидким кислородом
При работе с жидким кислородом нет угрозы отравления, но все же некоторые требования безопасности необходимо строго соблюдать:
Преимущества сотрудничества с НПК «Грасис»
Научно-производственная компания «Грасис» осуществляет поставки оборудования, которое позволит вам самостоятельно получать газообразный кислород из атмосферного воздуха.
Наша компания более 10 лет занимается разработкой и производством газо- и воздухоразделительного оборудования, а также инжинирингом, проектированием и выполнением комплексных работ «под ключ». Мы поможем вам решить любые задачи, связанные с газо- и воздухоразделением, утилизацией попутного нефтяного газа и подготовкой природного газа.
В процессе производства оборудования мы используем нанотехнологии и высококачественные комплектующие, благодаря которым улучшаются технико-эксплуатационные свойства продукции. Свяжитесь с представителями компании «Грасис», чтобы получить развернутую информацию о заинтересовавшей вас установке!