Тема 23. Методы получения кислорода и азота

Редкие газы.

К ним относятся: криптон, ксенон, неон, гелий, криптоно-ксеноновая смесь, неоно-гелиевая смесь.

Криптон, криптоно-ксеноновая смесь. Эти газы применяют в электроламповой и электровакуумной промышленности.

Криптон чистый содержит криптона 98,9% и ксенона не более 1%

Криптон технический содержит криптона+ксенона 99,5%

Криптон-ксеноновая смесь: криптон не более 94,5%, ксенон не менее 5%

Ксенон. Используется в производстве электроосветительных ламп и электровакуумных приборов. Поставляется чистый (99,4% Хе) и высокой чистоты (99,9% Хе) в баллонах малой емкости с давлением 5±0,5 МПа.

Неон особой чистоты. Должен содержать азота не более 0,01%, гелия не более 0,1%, кислорода не более 0,001%, водорода не более 0,001%, паров воды не более 0,02 г/м³.

Гелий высокой чистоты. Должен содержать гелия не менее 99,985%, водорода не более 0,0025%, азота не более 0,005%, кислорода не более 0,002%, углеводородов не более 0,003%. Баллон коричневый, надпись белая.

Неоно-гелиевая смесь содержит неона и гелия S³20%, кислорода не более 1%, остальное – азот. Смесь используется в электроосветительной технике, в качестве сырья для получения неона, требуемого для производства сигнальных, газосветных ламп и др. приборов.

Жидкий воздух. Жидкость, сливаемая из воздухоразделительного аппарата и используемая в качестве хладоагента. Жидкий воздух содержит до 50-55% кислорода, остальное азот.

Кислород можно получать:

1. Химическим способом

2. Электролизом воды

3. Разделением воздуха методом глубокого охлаждения

Химические способы получения кислорода в настоящее время не имеют промышленного значения из-за низкой производительности. Применяются для получения малых количеств кислорода в лабораторной практике.

Химические способы получения кислорода основаны на свойствах некоторых веществ (бертолетовой соли КСlO₃, окиси бария и др.) в определенных условиях выделять О₂. При нагревании 1 кг бертолетовой соли выделяется 270 дм³ кислорода.

Кроме того, кислород можно получать нагреванием окиси бария до определенных температур в зависимости от давления; пропусканием двуокиси углерода через свинцовокислый кальций Са₂РbO₄ при температуре 700⁰С и т.д. Все эти методы не могут удовлетворить запросы промышленности.

Электролиз воды основан на пропускании постоянного электрического тока через воду, в которую для повышения электропроводности добавляют гидроокись NaOH. При этом вода разлагается на кислород и водород.

Кислород собирается у положительного полюса, водород у отрицательного. На 1 м³ кислорода получается 2 м³ водорода.

Процесс неэкономичен, т.к. требует больших затрат электроэнергии (12-15 квт.ч на получение 1 м³ О₂ и 2 м³ Н₂). Кислород является побочным продуктом.

Разделение воздуха методом глубокого охлаждения – сложный технический процесс. Разделить воздух на кислород и азот в газообразном состоянии практически невозможно. Задача может быть решена, если воздух перевести в жидкое состояние. При этом разделение воздуха на составные части происходит благодаря разным температурам кипения кислорода и азота.

При атмосферном давлении азот кипит при температуре 77,39 К (-195,77⁰С), а кислород 90,19 К (-182,97⁰С). Таким образом, разница составляет 13⁰С. Если постепенно испарять жидкий воздух, то сначала будет преимущественно испаряться азот, имеющий более низкую температуру кипения. По мере улетучивания азота жидкость будет обогащаться кислородом. Повторяя процесс испарения и конденсации многократно, можно достичь желаемой степени разделения воздуха на азот и кислород требуемой концентрации.

Такой процесс многократного испарения и конденсации жидкости и ее паров для разделения на составные части называется ректификацией.

Поскольку данный способ основан на охлаждении воздуха до очень низких температур, он называется способом глубокого охлаждения.

Сжижение газа возможно только тогда, когда его температура равна или ниже критической; в противном случае сжижение невозможно ни при каком давлении. Температура, выше которой сжижение газа при любом давлении невозможно, называется критической.

Для того, чтобы газ сжижался, необходимо определенное давление.

Минимальное давление, при котором возможно сжижение газа в случае достижения им критической температуры, называется критическим давлением.