Первый опытный образец турбодетандера, созданный П.Л. Капицей. Криогенный метод разделения воздуха, который является довольно дорогостоящим способом получения промышленных газов. Мембранный метод промышленного производства кислорода, его преимущества.
Аннотация к работе
Министерство образования и науки Российской Федерации Владивостока» кислород турбодетандер разделение воздух Работу выполнила: Кадышева ЕваКислород составляет не только существенную часть атмосферного воздуха, земной коры и питьевой воды, он также занимает 65 % массы тела человека, являясь важнейшим химическим элементом в структуре человеческого организма. Развитие производства кислорода и использование его в качестве интенсификатора многих технологических процессов является одним из факторов современного технического прогресса, так как позволяет повысить производительность труда и обеспечить рост производства в ряде важнейших отраслей промышленности. Задачи: Изучить историю получения кислорода в промышленности; Процесс выглядит так: воздух, засасываемый многоступенчатым компрессором, проходит сначала через воздушный фильтр, где очищается от пыли, проходит влагоотделитель, где отделяется вода, конденсирующаяся при сжатии воздуха, и водяной холодильник, охлаждающий воздух и отнимающий тепло, образующееся при сжатии. Криогенный способ разделения воздуха позволяет получить газы самого высокого качества - кислород до 99.9%В ходе исследовательской работы были достигнуты цель и поставленные задачи. Потребности, которые стали возникать в самых различных сферах деятельности человека, ставили перед учеными-химиками задачи по поиску новых, более производительных и менее затратных способов получения чистого кислорода.
Введение
Кислород составляет не только существенную часть атмосферного воздуха, земной коры и питьевой воды, он также занимает 65 % массы тела человека, являясь важнейшим химическим элементом в структуре человеческого организма. Этот газ - один из наиболее широко используемых веществ, он применяется практически во всех областях деятельности человека благодаря своим химическим и физическим свойствам.
КИСЛОРОД-химический элемент с атомным номером 8, атомная масса 16.В периодической системе элементов Менделеева кислород расположен во втором периоде в группе VIA. В свободном виде кислород - газ без цвета, запаха и вкуса.
Развитие производства кислорода и использование его в качестве интенсификатора многих технологических процессов является одним из факторов современного технического прогресса, так как позволяет повысить производительность труда и обеспечить рост производства в ряде важнейших отраслей промышленности.
Цель: Исследование технологий промышленного производства кислорода
Задачи: Изучить историю получения кислорода в промышленности;
Выявить достоинства и недостатки каждого способа получения;
Найти сферы применения кислорода
2.Историческая справка
Современные установки для разделения воздуха, в которых холод получают с помощью турбодетандеров, дают промышленности, прежде всего металлургии и химии, сотни тысяч кубометров газообразного кислорода. Они работают не только у нас, но и во всем мире.
Первый опытный образец турбодетандера, созданный П. Л. Капицей был невелик. И этот турбодетандер стал «сердцем» первой установки для получения кислорода новым методом.
В 1942 г. построили подобную, но уже намного более мощную установку, которая производила до 200 кг жидкого кислорода в час. В конце 1944 г. вводится в строй самая мощная в мире турбокислородная установка, производящая в 6-7 раз больше жидкого кислорода, чем установка старого типа, и при этом занимающая в 3-4 раза меньшую площадь.
Современный блок разделения воздуха БР-2, в конструкции которого также использован турбодетандер, мог бы за сутки работы снабдить тремя литрами газообразного кислорода каждого жителя СССР.
30 апреля 1945 г. Михаил Иванович Калинин подписал Указ о присвоении академику П.Л. Капице звания Героя Социалистического Труда «за успешную разработку нового турбинного метода получения кислорода и за создание мощной турбокислородной установки». Институт физических проблем Академии наук СССР, в котором сделана эта работа, был награжден орденом Трудового Красного Знамени.
3.Способы получения
3.1 Криогенный метод разделения воздуха
Атмосферный осушенный воздух представляет собой смесь, содержащую по объему кислород 21 % и азот 78 %, аргон 0,9% и другие инертные газы, углекислый газ, водяной пар и пр. Для получения технически чистых атмосферных газов воздух подвергают глубокому охлаждению и сжижают (температура кипения жидкого воздуха при атмосферном давлении -194,5° С.)
Процесс выглядит так: воздух, засасываемый многоступенчатым компрессором, проходит сначала через воздушный фильтр, где очищается от пыли, проходит влагоотделитель, где отделяется вода, конденсирующаяся при сжатии воздуха, и водяной холодильник, охлаждающий воздух и отнимающий тепло, образующееся при сжатии. Для поглощения углекислоты из воздуха включается аппарат - декарбонизатор, заполняемый водным раствором едкого натра. Полное удаление влаги и углекислоты из воздуха имеет существенное значение, так как замерзающие при низких температурах вода и углекислота забивают трубопроводы и приходится останавливать установку для оттаивания и продувки.
Пройдя осушительную батарею, сжатый воздух поступает в так называемый детандер, где происходит резкое расширение и соответственно его охлаждение и сжижение. Полученный жидкий воздух подвергают дробной перегонке или ректификации в ректификационных колоннах. При постепенном испарении жидкого воздуха сначала выпаривается преимущественно азот, а остающаяся жидкость все более обогащается кислородом. Повторяя подобный процесс многократно на ректификационных тарелках воздухоразделительных колонн, получают жидкий кислород, азот и аргон нужной чистоты.
Криогенный способ разделения воздуха позволяет получить газы самого высокого качества - кислород до 99.9%
3.2 Адсорбционный метод разделения воздуха
Криогенное разделение воздуха при всех его качественных параметрах является довольно дорогостоящим способом получения промышленных газов. Адсорбционный метод разделения воздуха, основанный на избирательном поглощении того или иного газа адсорбентами, является некриогенным способом, и широкое применение получил изза следующих преимуществ: высокая разделительная способность по адсорбируемым компонентам в зависимости от выбора адсорбента;
быстрый пуск и остановка по сравнению с криогенными установками;
большая гибкость установок, т.е. возможность быстрого изменения режима работы, производительности и чистоты в зависимости от потребности;
автоматическое регулирование режима;
возможность дистанционного управления;
низкие энергетические затраты по сравнению с криогенными блоками;
простое аппаратурное оформление;
низкие затраты на обслуживание;
низкая стоимость установок по сравнению с криогенными технологиями;
Адсорбционный способ используется для получения азота и кислорода, так как он обеспечивает при низкой себестоимости отличные параметры качества.
3.3 Мембранный метод разделения воздуха
Мембранный метод разделения воздуха основан на принципе выборочной проницаемости мембран. Он заключается в разнице скоростей проникновения газов сквозь полимерную мембрану при перепаде парциальных давлений. В мембрану подается очищенный сжатый воздух. При этом «быстрые газы» проходят через мембрану в зону с низким давлением и на выходе из мембраны обогащаются легкопроникающим компонентом. Оставшаяся часть воздуха насыщается «медленными газами» и выводится из устройства.
Мембранный метод промышленного производства кислорода характеризуется низкими затратами электроэнергии, затратами при эксплуатации. Однако данный способ позволяет получить кислород низкой чистоты до 45%.
4.Применение кислорода
Первые исследователи кислорода заметили, что в его атмосфере легче дышится. Они предсказывали широкое применение этого живительного газа в медицине и даже в повседневной жизни как средства, усиливающего жизнедеятельность человеческого организма.
Но при более углубленном изучении оказалось, что длительное вдыхание чистого кислорода человеком может вызвать заболевание и даже смерть: организм человека не приспособлен к жизни в чистом кислороде.
В настоящее время чистый кислород применяется для вдыхания лишь в некоторых случаях: например, тяжело больным туберкулезом легких предлагают вдыхать кислород небольшими порциями. Аэронавты и летчики при высотных полетах пользуются кислородными приборами. Бойцы горноспасательных отрядов часто принуждены работать в атмосфере, лишенной кислорода. Для дыхания они используют прибор, в котором сохраняется нужный для дыхания состав воздуха добавлением кислорода из баллонов, находящихся в том же приборе.
Основная масса получаемого в промышленности кислорода применяется в настоящее время для сжигания в нем различных веществ с целью получения очень высокой температуры.
Например, горючий газ ацетилен (C2H2) смешивают с кислородом и сжигают в особых горелках. Пламя этой горелки имеет такую высокую температуру, что в нем плавится железо. Поэтому кислородно-ацетиленовой горелкой пользуются для сварки стальных изделий. Такая сварка называется автогенной.
Жидкий кислород применяется для приготовления взрывчатых смесей. Особые патроны набивают измельченной древесиной (древесной мукой) или другими измельченными горючими веществами и смачивают эту горючую массу жидким кислородом. При поджигании такой смеси горение происходит очень быстро, образуется большое количество газов, нагретых до очень высокой температуры. Давлением этих газов могут быть взорваны скалы, или выброшено большое количество грунта. Этой взрывчатой смесью пользуются при строительстве каналов, при проходке тоннелей и пр.
В последнее время кислород добавляют к воздуху для повышения температуры в печах при выплавке чугуна и стали. Благодаря этому ускоряется выплавка стали и повышается ее качество.
Вывод
В ходе исследовательской работы были достигнуты цель и поставленные задачи.
Потребности, которые стали возникать в самых различных сферах деятельности человека, ставили перед учеными-химиками задачи по поиску новых, более производительных и менее затратных способов получения чистого кислорода.
В нашей стране ежегодно вводятся в эксплуатацию новые и расширяются действующие станции и цеха для получения кислорода.
Атмосферный воздух является неисчерпаемым источником сырья для промышленного получения кислорода. При этом, одновременно с кислородом получают азот, ацетилен, что положительно сказывается на экономическом процессе разделения.