Методы получения чистого кислорода для нужд промышленности

В перечне газов, используемых в индустрии, одно из ведущих мест (второе после азота) занимает кислородное производство. Это вещество необходимо для производственных процессов во многих отраслях хозяйственной деятельности. Для получения кислорода в промышленности применяют две группы методик: физические способы извлечения или химические реакции.

Оглавление:

• Области хозяйственного применения
• Криогенный метод разделения воздуха
• Адсорбционные технологии
• Электролитическое разложение воды
• Химические способы в промышленности

В перечне газов, используемых в индустрии, одно из ведущих мест (второе после азота) занимает кислородное производство. Это вещество необходимо для производственных процессов во многих отраслях хозяйственной деятельности. Для получения кислорода в промышленности применяют две группы методик: физические способы извлечения или химические реакции.

Индустриальное производство

Согласно отчёту специализированного журнала Gasworld, только в период 1996—2006 годов мировое потребление кислорода выросло от 0,75 до 1,2 миллиона тонн в сутки. Ежегодно наблюдается тенденция к его устойчивому увеличению, связанная с вводом в эксплуатацию новых крупных промышленных предприятий.

Области хозяйственного применения

Основное свойство, определившее широкое использование кислорода в технике, — высокая температура пламени. Так, смеси его с водородом при горении создают температуру 2800 °C, с ацетиленом — 3500 °C. Также используется высокая активность вещества в окислительных реакциях. Важнейшие сферы применения:

1. Металлургия — является крупнейшим потребителем технического кислорода с мировым расходом порядка 580 тысяч тонн в сутки. Газ используется для повышения температуры горения в агрегатах передела чугуна в сталь (мартеновские печи, конверторы), для расплавления рудного сырья в цветной металлургии, множестве других процессов.
2. Химическая промышленность потребляет около 19% объёма глобального выпуска технического кислорода для нужд нефтехимического, агрохимического, полимерного синтеза. Вещество служит необходимым компонентом при переработке природного газа в метанол и этанол, этиленгликоль, ацетилен, из которых впоследствии будут произведены пластмассы.
3. Газосварочные работы — кислородные баллоны голубого цвета широко распространены при работе аппаратов газоплазменной сварки и резки в металлообрабатывающих производствах, судостроении, коммунальном хозяйстве.
4. В медицине повсюду используются дыхательные смеси, содержащие кислород для лечения дыхательных нарушений, интенсивной терапии, при наркозе.
5. В аэрокосмической отрасли жидкий кислород — окислительный компонент ракетного топлива.
6. В сельском хозяйстве применяется для аэрации водоёмов при выращивании рыбы.
7. Кислород необходим для обеспечения жизнедеятельности в местах, где его содержание в воздухе ограничено — при подводных работах, в задымлённых зонах, в шахтах.

А также применяют газ в золотодобыче и энергетике, в стекольной промышленности, в работе очистных сооружений и обезвреживании отходов озонированием, множестве иных отраслей.

Криогенный метод разделения воздуха

Для нужд промышленности кислород требуется добывать в значительных объёмах и наиболее дешёвым способом. Для технологии производства кислорода в заводских условиях очень важно, чтобы метод не оказался сложным процессом с большим количеством промежуточных полуфабрикатов. Ведь это повлекло бы дополнительные затраты на химическое оборудование, его эксплуатацию и обслуживание.

В идеале наиболее предпочтительным стал бы метод прямого извлечения газа из максимально доступного исходного сырья. Таким является разделение воздуха на составляющие, среди которых доля кислорода равна 20,95%.

Технология обеспечивает выделение необходимых газов из предварительно сжиженного воздуха, основанное на разнице температур их кипения (-183 °C для O2 против -194 °C для N2). Разделение жидкости делают на низкотемпературной ректификационной колонне, а охлаждение воздуха до криогенных температур — способом резкого расширения сжатого газа в турбодетандерах (машинах, преобразующих тепловую энергию молекул газа в механическую работу).

Огромную роль в разработке и внедрении метода сжижения воздуха сыграл советский учёный академик П. Л. Капица, приступивший к их созданию ещё в 1936 году.

Адсорбционные технологии

Если нет потребности в чистом кислороде (содержанием свыше 95%), этот газ можно извлечь из воздуха без использования сложных энергоёмких процессов, составляющих криогенное разделение. Применяют адсорбционные установки, действующие по принципу выборочного поглощения газа особыми веществами — твёрдыми адсорбентами. Впоследствии связанный поглотителем газ выделяется и направляется для хозяйственных нужд.

Такие установки имеют небольшие габариты, длительный срок службы, относительно небольшое энергопотребление. Поэтому кислородные станции, действующие по принципу адсорбции, широко используются в отраслях, где присутствие в кислороде небольшого количества азота не критично: в строительстве, аэрации рыборазводных водоёмов, в газосварочных работах.

Электролитическое разложение воды

Другим доступным источником для получения кислорода в промышленности является вода. Из неё газ извлекается путём пропускания постоянного электрического тока через раствор кислот, щелочей или некоторых солей, распадающихся в воде на заряженные частицы — ионы. Это необходимо, чтобы электролит обладал достаточной проводимостью тока.

Суммарное уравнение реакции, протекающей на обоих электродах, может быть записано в следующем виде: 2H2O → 2H2↑ + O2↑.

Чтобы выделяющиеся на аноде и катоде газы не скапливались в общем объёме, образуя взрывоопасную смесь, используется установка специальной формы, допускающая их раздельный сбор, или особые пористые диафрагмы.

Электролиз воды применяется в ситуациях, когда имеется достаточное количество доступной электроэнергии, но нет возможности размещать громоздкие криогенные установки. Этот метод получил распространение, в частности, на подводных лодках. Электролизная система для разложения воды с 2000 г. действует на Международной космической станции, обеспечивая дыхание экипажа из 6 человек.

Химические способы в промышленности

Существует технология получения кислорода в результате химической реакции, которая ограниченно применяется в ситуациях, когда иные методы недоступны. Для нужд систем жизнеобеспечения в экстремальных условиях используют реакцию надпероксидов натрия NaO2 и калия KO2 с углекислым газом, протекающую по формуле: 4KO2 + 2CO2 → 2K2CO3 + 3O2↑.

Надпероксиды щелочных металлов упаковывают в регенеративные патроны изолирующих противогазов, стоящих на вооружении армии, спасательных подразделений, а также входящих в комплект шахтных самоспасателей, высотных и космических скафандров. Один килограмм NaO2 способен выделить до 0,38 кг чистого кислорода.

Лабораторные методы

Когда для нужд учебной или аналитической лаборатории требуется небольшое количество кислорода, задействовать для его получения из воздуха сложное криогенное оборудование нет смысла. Газ поставляется в сжатом виде в баллонах либо сжиженным в сосудах Дьюара при температуре не выше точки кипения — 183 °C.

Непосредственно в лаборатории кислород получают химическим путём, извлекая его разложением некоторых веществ при умеренном нагреве. Чаще всего используют следующие способы получения кислорода в лаборатории:

1. Из перманганата калия (называемого в быту марганцовкой) при температуре свыше 240 °C: 2KMnO4 → K2MnO4 + MnO2 + O2↑; 2MnO2 → 2MnO + O2↑.
2. Получение кислорода из бертолетовой соли (хлорат калия) нагреванием до 400 °C: 2KClO3 → 2KCl + 3O2↑.
3. Каталитическое разложение пероксида (перекиси) водорода в присутствии оксида марганца (IV): 2Н2О2 → 2Н2О + О2↑.
4. Нагревание селитры (нитрата калия или натрия) до температуры свыше 400 °C: 2KNO3 → 2KNO2 + O2↑; 2NaNO3 → 2NaNO2 + O2↑.

Используется простейший прибор, состоящий из закрытой пробирки, через пробку которой выведена газоотводная трубка. Другой конец трубки для собирания выделяющегося газа опущен в открытую сверху колбу. При нагревании пробирки пламенем продукт реакции стекает по трубке и накапливается в сосуде, вытесняя воздух. Для распознавания того, что собранный газ — именно кислород, можно опустить в колбу тлеющую лучину. В кислородной среде горение заметно усилится.