Введение. Введение__________________________________________________________ 1.Свойства кислорода

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Газ кислород как составная часть воздуха был открыт давно. Во второй половине XVIII века почти одновременно в Швеции — Шееле, в Англии — Пристли и во Франции — Лавуазье установили, что кислород поддерживает горение, и назвали его первоначально «огненным», или «жизненным», воздухом. Впоследствии Лавуазье изменил его название на «кислород» в знак того, что он образует кислоты со многими горючими веществами (фосфорную кислоту с фосфором, углекислоту и т. д.). Вскоре было выяснено в больших подробностях значение кислорода для жизни человека и стало известно, что, когда человек заболевает и ему трудно дышать, ему помогает кислород.

Во времена Лавуазье химики добывали кислород из перекиси марганца, которая находится в природе. Несколько позднее кислород добывали из содержащих его в большом количестве кислот и солей. Пристли и Шееле получали кислород для лечебных целей из хлорновато-калиевой соли, которой было присвоено название по имени открывшего ее французского химика Бертолле — «бертолетова соль».

Это соль, сходная по физическим свойствам с обыкновенной поваренной солью и имеющая вид бесцветных прозрачных пластин, при нагревании плавится и, расплавившись, начинает разлагаться, выделяя кислород. Сто граммов бертолетовой соли дают около 29 литров кислорода. Таким образом, полученным кислородом наполняют подушки, с помощью которых поддерживают дыхание тяжелобольных.

Это было давно. Получаемый с трудом и в небольших количествах кислород не находил широкого применения. Развитие физики показало, что к получению кислорода следует подойти другим путем.

Самым обильным источником кислорода, несомненно, должен быть воздух. Но кислород воздуха долгое время был недоступным, пока ученые не нашли способ повысить его естественную концентрацию. Примерно 70 лет тому назад швейцарскому физику Пикте и одновременно с ним французскому физику Кальете удалось сжижить воздух. К тому времени многие газы уже удавалось сжижать. Но были и такие, которые еще Фарадей назвал «постоянными», потому что ошибочно считалось, что их вообще нельзя перевести в жидкое состояние. К числу этих «постоянных» газов относился и воздух, поскольку даже при сильном сжатии он не сжижался.

Но вот выяснилось, что для сжижения газа нужно не только достаточно высокое давление, но и достаточно низкая температура, названная критической. Как мы теперь знаем, эта температура для воздуха —141° при давлении в 32 атмосферы. После ряда попыток найти метод для получения таких низких температур это удалось наконец Пикте. В восьмидесятых годах прошлого века он получил жидкий воздух и наполнил им небольшой сосуд. Это считалось тогда большим научным открытием; Пикте был избран почетным членом разных научных обществ, получил медаль.

Примерно в девяностых годах прошлого века англичанин Бейли и немец Линде, изучая жидкий вoздух как смесь двух жидких газов — азота и кислорода, одновременно нашли, что жидкий воздух, когда частично испаряется, обогащается кислородом. Объясняется это тем, что жидкий азот кипит при несколько более низкой температуре, чем жидкий кислород. Исследования показали, что при атмосферном давлении разница в температуре кипения этих двух жидкостей довольно значительна и составляет около 13°. Линде первым понял, что это явление открывает возможность дешевого получения кислорода и может иметь большое практическое значение. Это произошло спустя 25 лет после получения жидкого воздуха.

С незапамятных времен человечеством были использованы процессы разгонки смесей жидкостей, основанные на разнице температур кипения компонентов. Подобный процесс, например, находит применение для получения спирта. Как известно, этот процесс разгонки также широко используется в нефтяной промышленности.

Линде пришла мысль применить способ разгонки к жидкому воздуху, чтобы отогнать более легко кипящий азот от кислорода. Таким путем в первых же опытах он легко получил довольно чистый кислород. Это открывало возможность получения кислорода не только гораздо более дешевым путем, чем прежний, химический, который использовался для наполнения кислородных подушек для тяжелобольных, но и в больших объемах, определяемых уже не десятками литров, а сотнями и тысячами кубометров. А если так, то, значит, с помощью кислорода можно интенсифицировать не только процесс человеческого дыхания, но и процессы большего масштаба, как, например, горение.

Естественно, возникла мысль, что если заставить горючий газ, например, ацетилен, гореть в присутствии одного кислорода, без азота, который не принимает участия в реакции горения и является вредной примесью, уносящей тепло, то можно получить значительно более горячее пламя. Опыт показал, что таким высокотемпературным пламенем можно плавить любой металл, это дало возможность сплавлять два куска металла без помощи какого бы то ни было легкоплавкого припоя, например, сваривать железо с железом. Так появилась и стала успешно применяться автогенная сварка.

Вскоре после этого был найден и способ автогенной резки металлов. По всей вероятности, вам известно, каких масштабов в промышленности теперь достигли автогенные методы обработки металлов: ни самолет, ни морское судно не могут быть построены без автогенной сварки. И стало это возможным только благодаря тому, что открылся способ дешево получать кислород, добывая его в больших масштабах непосредственно из воздуха.

Методы разделения жидкого воздуха, впервые предложенные Линде, уже разрабатываются лет пятьдесят. Все время масштабы кислородной промышленности увеличиваются. Например, сейчас в Америке ежегодно потребляется 250 миллионов кубометров кислорода. Это после тех десятков и сотен литров, которые еще в начале века с трудом добывались из бертолетовой соли...

Поскольку основная стоимость кислорода определяется энергетическими затратами, то нужно определить, какую минимальную мощность, скажем, какое количество киловатт необходимо затратить для получения из воздуха 1 м³ кислорода в час. Оказывается, что эта величина очень невелика — она составляет 0,08 квт•ч. В тех установках, которые сейчас существуют, мы затрачиваем мощность в 15 раз большую, чем теоретический минимум. Это происходит потому, что существующие методы получения кислорода еще далеко не совершенны. когда инженеры знают величину потерь и их причины, они обычно находят пути, чтобы с ними бороться. Определив стоимость получения кислорода, мы можем определить рентабельность применения кислорода в различных областях техники в данное время. Имея эти данные, можно предсказать, что в различных областях нашей промышленности произойдет, когда там станут применять кислород.

Что дает перевод домны на кислородное дутье? Две домны уже работали на кислороде: одна в Черноречье, другая около Днепропетровска. Последняя — это крупная домна, она проработала уже 5—6 месяцев. К сожалению, на самом интересном месте опыты с ней были прерваны из-за связанной с войной эвакуации. Но уже полученные результаты достаточно интересны. И. П. Бардин с уверенностью приходит к выводу, что, если добавлять достаточно кислорода в доменное дутье (пока еще не оказалось возможным перейти на чисто кислородное дутье), за одно и то же время домна станет давать в 3,5—4 раза больше чугуна. Это происходит благодаря тому, что процесс восстановления руды в домне в присутствии кислорода интенсифицируется и поэтому проходит гораздо скорее.

Экспериментаторы, проводившие эти опыты, показали, что обогащение воздуха на 1% кислородом поднимает производительность домны на 10%. В дальнейшем полученный чугун уже в конверторах или мартенах можно перевести в сталь, тоже применяя кислород. При этом процесс не только значительно интенсифицируется, но в отсутствие азота сталь получается лучшего качества. В будущем это тоже сулит большую экономию.

Первоначально сжижение воздуха производилось методом, в котором использовался так называемый эффект Джоуля — Томпсона. Это явление заключается в том, что при свободном расширении газа он охлаждается тем больше, чем выше давление сжатого газа. Обычно оно было около 200 атмосфер. В дальнейшем охлаждение производили тем, что сжатый воздух заставляли расширяться в специальной поршневой машине, которая действует весьма похоже на паровую. Как известно, паровая машина работает за счет расширения горячего пара, который после того, как совершит работу, покидает машину в значительно более холодном состоянии. Сходство заключается в том, что сжатый воздух при расширении также будет производить работу и охлаждаться. Этим и пользуются в холодильной поршневой машине, которую называют детандером. Сжатый воздух поступает в ее цилиндр, расширяясь, производит работу и охлаждается. Расчеты показали, что, переходя к получению жидкого воздуха в больших масштабах, чтобы из него разгонкой отделять кислород, следует, как и при получении больших мощностей, отказаться от поршневых компрессоров и детандеров и перейти к турбинам.

Поиск по сайту: