Что такое жидкий кислород: общая информация

Значение словосочетания &laquoжидкий кислород»

Основным и практически неисчерпаемым источником получения жидкого кислорода является атмосферный воздух: производится сжижение воздуха и последующее разделение его на кислород и азот.

Из-за своей криогенной природы жидкий кислород может вызвать хрупкость материалов, которые находятся с ним в соприкосновении. Жидкий кислород также является очень мощным окислительным агентом: органическое вещество быстро сгорает в его среде с большим выделением тепла. Более того, некоторые из этих веществ, будучи пропитанными жидким кислородом имеют свойство непредсказуемо взрываться. Нефтепродукты часто демонстрируют такое поведение, включая асфальт.

Жидкий кислород является широко распространённым окислительным компонентом ракетных топлив обычно в комбинации с жидким водородом или керосином. Его использование обусловлено высоким удельным импульсом, который получается при применении этого окислителя в ракетных двигателях. Кислород — самый дешевый из применяемых компонентов ракетных топлив. Первое использование имело место в германской БР Фау-2, позднее в американских БР «Редстоун» и РН «Атлас», а также в советской МБР Р-7. Жидкий кислород активно использовался в ранних МБР, но более поздние версии этих ракет его не используют из-за криогенной природы и необходимости регулярной дозаправки для компенсации выкипания окислителя, что затрудняет быстрый запуск. Многие современные ЖРД используют ЖК в качестве окислителя, например RS-24, РД-180.

В качестве уплотнительных прокладочных материалов в системах с жидким кислородом применяются материалы, не теряющие эластичности при низких температурах: паронит, фторопласты, отожженные медь и алюминий. Хранение и транспортировка больших количеств жидкого кислорода осуществляется в ёмкостях объёмом от нескольких десятков до 1500 м³ из нержавеющей стали, снабженных теплоизоляцией. Наружный, защитный кожух теплоизоляции может выполняться и из углеродистой стали. Резервуары транспортных ёмкостей изготавливаются также из сплава АМц. Применение вакуумно-порошковой или экранно-вакуумной теплоизоляции позволяет снизить суточные потери кипящего продукта до уровня 0,1 — 0,5 % (в зависимости от размеров ёмкости) и скорость повышения температуры переохлажденного — до 0,4 — 0,5 К в сутки. Транспортировка кипящего кислорода производится с открытым вентилем газосброса, а переохлажденного — при закрытом вентиле, с контролем давления не реже 2 раз в сутки; при повышении давления больше, чем на 0,02 МПа (изб.) вентиль открывается.

Жидкий кислород также активно использовался при изготовлении взрывчатки «Оксиликвит», но сейчас она редко используется из-за большого количества инцидентов и несчастных случаев.

Для объяснения отклонения парамагнетических свойств жидкого кислорода от закона Кюри американским физикохимиком Г. Льюисом в 1924 году была предложена молекула тетракислорода (англ. tetraoxygen) (O4). На сегодняшний день теория Льюиса считается лишь частично верной: компьютерное моделирование показывает, что хотя в жидком кислороде не образуется стабильных молекул O4, молекулы O2 на самом деле имеют тенденцию ассоциировать в пары с противоположными спинами, которые формируют временные объединения O2-O2.

Жидкий азот имеет более низкую точку кипения 77 K (−196 °C) и устройства, которые содержат жидкий азот могут конденсировать кис

Разделение — жидкий воздух

Разделение жидкого воздуха на кислород и азот основано на разности температур их кипения ( кислород кипит при минус 183, азот при минус 196) и осуществляется путем ректификации, т.е. обращения в газообразное состояние азота ( кислород остается жидким) в специальной разделительной колонне. Азот по трубопроводу подают в цианамидный цех для азотирования карбида кальция, а кислород передают потребителям.
 

Разделение жидкого воздуха на кислород и азот основано на разнице температур их кипения: температура кипения жидкого азота — 196 С, а жидкого кислорода — 182 9 С при нормальном атмосферном давлении.
 

Разделение жидкого воздуха на составляющие — кислород и азот осуществляется посредством процесса ректификации, заключающегося в многократном испарении жидкого воздуха до тех пор, пока в газовой фазе не получится почти чистый азот, а в жидкой фазе — почти чистый кислород.
 

Для разделения жидкого воздуха применяются колонны однократной и двукратной ректификации. Аппараты однократной ректификации используют редко, только в разделительных установках малой производительности.
 

Процесс разделения жидкого воздуха на кислород и азот основан на использовании зависимости, существующей между составами жидкости и пара над нею.
 

Процесс разделения жидкого воздуха на азот и кислород основан на различии температур кипения азота и кислорода; под атмосферным давлением азот кипит при — 195 8 С, кислород при — 183 С. Разница в 12 8 С вполне достаточна для того, чтобы жидкий воздух, кипящий при — 192 С, разделить ректификацией на чистые азот и кислород.
 

Процесс разделения жидкого воздуха на азот и кислород основан на различии температур кипения азота и кислорода; под атмосферным давлением азот кипит при — 195 8 С, кислород при — 183 С. Разница в 12 8 С вполне достаточна для того, чтобы жидкий воздух, кипящий при — 192 С, разделить ректификацией на чистые азот и кислород.
 

Получается в промышленности разделением жидкого воздуха.
 

Получается в промышленности разделением жидкого воздуха. Применяется в электроламповой и других отраслях промышленности.
 

Аргон получают при разделении жидкого воздуха, а также из отходов газов синтеза аммиака.
 

Аргон получают при разделении жидкого воздуха, а также из отходов газов колонн синтеза аммиака.
 

Аргон получают при разделении жидкого воздуха, а также из-отходов газов синтеза аммиака.
 

Немного истории

Первые попытки создания криогенных дыхательных аппаратов относятся к началу XX века. Тогда в Германии (1905) и в России (1911) были предложены подобные аппараты для горноспасательных работ в шахтах (низкая температура жидкого кислорода к тому же позволяла снизить температуру вдыхаемого газа, что уменьшало вероятность перегрева). Криогенные аппараты для подводных погружений начали разрабатываться в конце 1960-х. Американские и французские инженеры планировали применять криоланги при обслуживании морских буровых платформ. В СССР первые аппараты были разработаны и изготовлены в ХФТИНТ. По заказу военных там создавали криогенные аппараты с замкнутым циклом дыхания с использованием жидкого кислорода и азота и газообразного гелия, причем состав смеси регулировался в зависимости от глубины без всякой электроники — на основе зависимости температуры кипения газа от давления. В Харькове были сконструированы и более простые в использовании гражданские аппараты с открытой схемой дыхания — криоланги АК-3 и АК-5, опытная партия последних была передана в середине 1970-х в Аварийно-спасательную службу Киева для испытаний.

В 1974 году Анатолий Витюк, к тому времени уже закончивший институт, предложил организовать на базе кафедры криогенной техники, которую возглавлял профессор Вячеслав Андреевич Наер, новую лабораторию криогенных систем жизнеобеспечения. Завкафедрой поддержал начинание, и в новой лаборатории началась работа. «За шесть лет я и мои коллеги Александр Балетов, Александр Сысоев и Николай Тешин разработали несколько моделей газотеплозащитных систем для работы при высоких температурах для пожарных и спасателей, — вспоминает Анатолий. — Но нашей самой любимой темой оставались перспективные водолазные системы».

Сделай сам
Ручка, которая пишет в космосе: придумано не NASA

Криогенный водолазный комплекс (КВК) А) Водолазная бортовая криогенная станция (БКС-2). 1 — криогенный блок (БК), 2 — пульт контроля и управления (ПКУ, на снимке вверху), 3 — водолазный шланг, 4 — плавсредство. Б) Легководолазная станция «МАКС-1». 1 — БК, 2 — балластная емкость, 3 — водолазный шланг, 4 — основание. В) Буксируемый аппарат «ЮГ-7м». 1 — БК, 2 — аппарат. Г) Система заправки. 1 — БК, 2 — АКДА-2, 3 — сосуды Дьюара.

Хранение и меры предосторожности

Жидкий кислород не возгорается и не взрывается сам по себе, он не токсичен для человека и не вреден для окружающей среды. Однако активная реакция в химических процессах, а также криогенный эффект делают его не совсем безопасным веществом.

При работе с ним нужно держать подальше смазочные, горючие и легковоспламеняющиеся материалы, а также всегда использовать перчатки и спецодежду. Кислород очень низкой температуры легко повреждает кожу и может привести к обморожению, травмам и отмиранию живых клеток. Если жидкость покрывает значительную часть тела, все может закончиться даже летальным исходом.

Технический и медицинский жидкий кислород хранят сосудах Дьюара, которые делают преимущественно из стали или алюминия. Это цилиндрические контейнеры с двойными стенками, между стенками которых располагается вакуумная полость, а также теплоизоляционные материалы. Они работают по принципу термосов, хорошо сохраняя жидкости внутри.

Меры безопасности при работе с жидким кислородом

1. Кислород — не токсичный продукт, но при работе с ним должны использоваться защитные средства, предохраняющие от возможного обморожения: летом — хлопчатобумажный комбинезон, рукавицы, кожаные сапоги, очки; зимой — валенки, подшитые кожей, тёплые рукавицы, очки.
2. Кислород — весьма пожароопасный и даже взрывоопасный продукт в контакте с органическими веществами при наличии даже небольшого теплового импульса. Едва тлеющий на воздухе тепловой очаг разгорается ярким пламенем в атмосфере кислорода. Известны трагические последствия курения на месте недавнего пролива жидкого кислорода на почву. Для воспламенения таких материалов, как паронит, резина, хлопчатобумажная ткань, полиэтилен и др. в атмосфере кислорода достаточно нагрева их всего до 200—300°С. Даже резкое сжатие органического материала, пропитанного кислородом (например, при падении тяжелого предмета на асфальт, облитый жидким кислородом), может вызвать возгорание и взрыв. При контакте с маслами кислород может образовывать с некоторыми их компонентами активные эндотермичные перекисные соединения, накопление которых может приводить к взрыву, поэтому контакт кислорода с такими веществами в любых вариантах, работа в промасленной одежде, замасленными руками или инструментом недопустима. По окончании работ в контакте с жидким или газообразным кислородом запрещается ранее, чем через 20—30 минут подходить к открытому огню, закуривать и тому подобное, так как кислород длительное время удерживается в складках одежды, волосах, что при наличии огня создает пожарную опасность.
3. Сварочные и ремонтные работы в ёмкостях и помещениях, где хранится жидкий кислород, должны производиться только после двух-трёхчасового проветривания их тёплым воздухом (70—80°С). Перед заливкой кислорода в новую ёмкость последняя обезжиривается.
4. При перекачке жидкого кислорода производится предварительное «захолаживание» системы малым расходом продукта. Без этого в «горячей» системе образуется интенсивный поток газифицированного кислорода, который при наличии резких поворотов и перепадов давления на элементах системы (вентили и тому подобное) может вызвать возгорание металла.

Сжиженный кислород

Сжиженный кислород хранится при температуре — 183 С н атмосферном давлении. В нижней части резервуара поверх слоя изоляции укладывают лист и нержавеющей стали, заключенный внутри бетонной оболочки. Высота этого листа над днищем резервуара 46 см. Кроме этого листа, в оболочке резервуара ( высотой 10 5 м) отсутствует какой бы то ни был защитный барьер.
 

Производство сжиженного кислорода является важным направлением в перерабатывающей промышленности. В настоящее время в США его производится порядка 13 млн. т в год, из которых 70 % идет на нужды сталелитейной промышленности, а еще 10 % — на другие металлоплавильные производства. Основное количество сжиженного кислорода производится на тех же предприятиях, где он и потребляется. Некоторые сталелитейные производства потребляют до 1000 т сжиженного кислорода в день. С установок по сжижению жидкий кислород может транспортироваться по трубопроводам.
 

Цистерны для сжиженного кислорода и других криогенных жидкостей должны быть рассчитаны на давление, при котором должно производиться их опорожнение.
 

Цистерны для сжиженного кислорода должны изготовляться из листовой стали или цветных металлов, предусмотренных настоящими Правилами для соответствующих температур стенки.
 

Цистерны для сжиженного кислорода и других криогенных жидкостей должны быть рассчитаны на давление, при котором должно производиться их опорожнение.
 

Цистерны для сжиженного кислорода и других криогенных жидкостей должны быть рассчитаны на давление, при котором должно производиться их опорожнение.
 

Цистерны для сжиженного кислорода и других криогенных жидкостей должны быть рассчитаны на давление, при котором должно производиться их опорожнение, а также на давление от динамической нагрузки во время транспортирования.
 

Цистерны для сжиженного кислорода должны изготовляться из листовой стали или цветных металлов, предусмотренных настоящими Правилами для соответствующих температур стенки.
 

Цистерны для сжиженного кислорода и других криогенных жидкостей должны быть рассчитаны на давление, при котором должно производиться их опорожнение.
 

Цистерны для сжиженного кислорода должны изготовляться из листовой стали или цветных металлов, предусмотренных настоящими Правилами для соответствующих температур стенки.
 

Цистерны для сжиженного кислорода и других криогенных жидкостей должны быть рассчитаны на давление, при котором должно производиться их опорожнение, а также на давление от динамической нагрузки во время транспортирования.
 

Цистерны для сжиженного кислорода рассчитывают на наибольшее давление, при котором будет производиться их опорожнение. Материал для их изготовления выбирается с учетом низких температур стенки аппарата ( см. гл.
 

Цистерны для сжиженного кислорода должны изготовляться из листовой стали или цветных металлов, предусмотренных настоящими Правилами для соответствующих температур стенки.
 

Симптомы у человека при недостатке кислорода в воздухе

Нормальное содержание O₂ в воздухе находится в пределах 21%. При понижении его количества в результате сгорания или вымещения инертными газами (аргон, гелий) возникает недостаток кислорода, последствия, и симптомы которого указаны в таблице ниже.

При наличии вышеуказанных симптомов пострадавшего следует быстро вынести на свежий воздух и дать ему подышать кислородом или сделать искусственное дыхание. Необходима немедленная медицинская помощь.

Применение

Способность жидкого кислорода окислять другие вещества и усиливать горение ценятся во многих сферах производства. В конце XIX – середине XX века из него изготавливали взрывчатку «Оксиликвит», которую использовали в горной промышленности для подрыва породы, а также в качестве оружия во Второй мировой войне.

Сегодня его чаще применяют в медицине, фармацевтике, в металлургии, стекольной, химической, бумажной и других видах промышленности. С его помощью получают различные полезные соединения, например окись титана, которая участвует в производстве лакокрасочных изделий, бумаги и пластмасс. При изготовлении стекла он нужен для поддержания жара в печах, а также для уменьшения количества окиси азота, попадающей в атмосферу. В космической авиации жидкий кислород является одним из компонентов ракетного топлива, где он используется в качестве окислителя, а в роли самого топлива выступает водород или керосин.

В медицине и фармацевтике без него тоже не обходится. Жидкий кислород входит в состав биореакторов, а также используется в качестве добавки к ферментам. В медицине он необходим для анестезии, приготовления кислородных ванн и коктейлей, лечения или облегчения состояния при интоксикации, астме и других недугах. Здесь он чаще всего не используется напрямую в виде жидкости, а является источником газообразного кислорода.

Газ кислород

Кислород – один из важнейших элементов на планете. Он участвует в процессе дыхания, в метаболизме живых организмов, а также в круговороте веществ в биосфере. Кроме того, он способствует гниению и разложению органических остатков.

В нормальных условиях он является бесцветным газом, который не имеет вкуса и запаха. Он тяжелее воздуха и с трудом растворяется в воде. В химическом плане он очень активен и способен образовывать соединения практически со всеми элементами.

В свободном состоянии в виде молекул О₂, состоящих из двух атомов оксигена, он находится в атмосфере. Благодаря такому строению элемент также называется «дикислородом», но он может существовать и в других вариациях. При определенных условиях его атомы могут образовывать «трикислород» с молекулой О_3, которая представляет собой голубой газ озон со специфическим запахом.

В атмосфере содержание кислорода составляет примерно 21 % по массе, в земной коре его доля значительно выше и составляет около 47 % по массе. Элемент входит в состав более полутора тысяч разнообразных пород и минералов, большая часть из которых являются силикатами. Там он присутствует в виде соединений. В воде его содержание доходит до 85 %, и это не удивительно, ведь атомы оксигена и образуют воду вместе с элементом гидрогеном.

Плюсы и минусы

Первыми оценили новые аппараты водолазы Михаил Боргуль и Владимир Бернатович. По отзывам испытателей, криоланги не только не уступали обычным аквалангам по простоте и удобству эксплуатации, но и превосходили их по многим параметрам. Аппарат заправлялся жидким воздухом простым переливом из сосудов Дьюара, при этом можно было легко и быстро обеспечить любую концентрацию кислорода. Анатолий Витюк вспоминает: «Мы просто ставили сосуд Дьюара на весы и по весу смешивали необходимые количества жидких газов. Занимало это считанные минуты, но для непосвященных выглядело как алхимические эксперименты — с кипящим воздухом и клубами пара». Еще одним важным достоинством криолангов было то, что в жидком воздухе гарантированно отсутствовали углекислота и угарный газ. При заправке обычных аквалангов для очистки воздуха от этих газов используются специальные фильтры, поскольку под давлением они могут быть смертельны для человека: известен случай, когда Жак-Ив Кусто и его напарник Фредерик Дюма едва не погибли во время погружения в августе 1946 года, из-за того что в баллоны попал угарный газ от выхлопа двигателя компрессора.

Аппарат был очень компактным и легким: скажем, двухбаллонный акваланг имеет объем 14 л и весит более 25 кг, а криоланг с таким же запасом воздуха — 3 л и 4 кг. Разумеется, при погружениях с аквалангом вес на воздухе не играет особой роли, потому что все равно приходится брать множество грузов для компенсации плавучести гидрокостюма. С этой точки зрения небольшой вес криоланга — скорее минус (требуется брать больше грузов), а вот компактность очень полезна при погружениях в тесном пространстве (например, на затонувшие объекты).

Вопреки широко распространенному заблуждению, температура подаваемого из криоланга для дыхания воздуха была не ниже, а выше, чем у акваланга. «Дело в том, что в аквалангах происходит адиабатическое расширение газа, приводящее к его охлаждению, — объясняет Анатолий. — Воздух просто не успевает нагреться до температуры окружающей среды, что не только неприятно, но может приводить даже к обледенению конструкции. Лишь в некоторых моделях ‘морозостойких’ редукторов и легочных автоматов предусмотрены теплообменники, но все равно температура подаваемого воздуха на 5−7° ниже температуры окружающей среды. У нашего криоланга редуктора не было, а развитые теплообменники были обязательной частью конструкции, поэтому температура подаваемого воздуха отличалась от температуры воды всего на 2−3°. Мы эксплуатировали аппараты много лет в самых разных условиях, и я не помню ни одного случая обмерзания».

Системы стабилизации рабочего давления Одной из ключевых технологий криогенных дыхательных систем была система стабилизации рабочего давления. Для вертикально-ориентированных бортовых блоков хорошо зарекомендовали себя испарительные системы замкнутого типа (1), особенно с теплоизолирующей плавающей перегородкой (2). Она быстро устанавливала и регулировала рабочее давление за счет неравновесного температурного состояния паровой и жидкостной фаз. В этом случае жидкий воздух не разогревается и не сбрасывается в окружающую среду. Такие системы применялись в легководолазной станции «МАКС-1» и буксируемом подводном аппарате «ЮГ-7м».
В газобаллонной системе стабилизации (3) регулирование рабочего давления осуществлялось за счет подачи инертного газа в паровую фазу из баллона через редуктор. Такая система позволяла очень быстро регулировать рабочее давление с высокой точностью, но имела высокую стоимость.

Впрочем, был у криоланга и один минус. Из-за слабой теплоизоляции баллона примерно за сутки весь воздух улетучивался, и заправлять его следовало непосредственно перед погружением. Но с учетом того, что заправка занимала всего пару минут, это не составляло особой проблемы.