Разделение жидкого воздуха


Получение жидкого воздуха явилось крупнейшим успехом в деле завоевания недр воздушного океана. Жидкий воздух используется во многих отраслях науки и техники. На основе исследования поведения и свойств тел при низких температурах развился крупный раздел физики— физика низких температур. Но промышленность интересовалась не столько самим жидким воздухом, сколько его составными частями. Перед наукой была поставлена задача разделения воздуха на его составные части. На первый взгляд это кажется простой задачей. В первом патенте на разделение воздуха на его составные части, который был взят еще в 1892 году, об этом сказано следующее: «Азот может быть отделен от кислорода путем легкого подогрева сосуда, в котором находится жидкий воздух, например, при помощи струи атмосферного воздуха; азот, как имеющий более низкую точку кипения, чем кислород, испарится, а кислород останется». Действительно, кислород кипит при атмосферном давлении при —183 градуса, азот при тех же условиях закипает при —195,67 градуса. Таким образом, когда жидкий воздух закипает, сначала из него испаряется более летучий азот, остающаяся жидкость обедняется азотом и обогащается кислородом.

Но на самом деле процесс этот значительно сложнее. Дело в том, что когда кипит жидкий воздух, то из него в основном улетучивается азот, но вместе с азотом улетает и часть кислорода. И чем дольше идет испарение жидкого воздуха, тем большее количество кислорода улетает с азотом. Задача заключается в том, чтобы избавиться от этих примесей кислорода, улетавших вместе с азотом.

Это удалось сделать, используя следующее явление. Если мы через жидкий воздух начнем пропускать сильно охлажденный газообразный кислород, то жидкий воздух начнет постепенно испаряться. Если бы мы попытались проанализировать выделяющийся при этом из жидкого воздуха газ, то быстро убедились бы, что из жидкого воздуха удаляется смесь, более богатая азотом, чем воздух. Происходит это потому, что часть кислорода сконденсировалась, превратилась в жидкость, так как его температура кипения выше температуры кипения жидкого воздуха. Но за счет тепла, которое внес газообразный кислород, испарится наиболее летучая часть жидкого воздуха — азот. Представим себе аппарат, на дне которого кипит жидкий воздух. Из него улетает азот с примесью кислорода. Улетающая смесь газа далее проходит через слой жидкого воздуха. Часть кислорода при этом прохождении сконденсируется, жидкость обогатится кислородом, а газ, наоборот, потеряет часть кислорода, но обогатится азотом. Если этот процесс повторить многократно, то в результате мы получим чистый азот. Такой аппарат, в котором многократно происходит описанный процесс, называется ректификационной колонной для разделения жидкого воздуха. Ректификационная колонна представляет собой высокую металлическую колонну, разделенную по высоте на отдельные секции —• «тарелки». Сверху в этот аппарат вводится жидкий воздух, который с тарелки на тарелку по специальным переливным трубкам стекает в низ колонны. Снизу колонны, где кипит жидкий воздух, идет поток газа, который проходит сквозь сетчатые днища тарелок, направляясь в верх аппарата. Теория разделения смесей жидкостей была впервые разработана русским ученым Д. П. Коноваловым в 1884 году.

Если создать в ректификационной колонне такие условия, когда жидкость будет постепенно обменивать молекулы содержащегося в ней азота, которые будут из нее улетать, на молекулы кислорода, которые, наоборот, она будет улавливать из газа, идущего в верх колонны, то при соответствующей высоте аппарата и соответствующем регулировании подачи жидкого воздуха мы можем добиться таких условий, что в определенном месте колонны мы будем выводить чистый жидкий кислород, а сверху колонны непрерывно будем получать газообразный азот.

Современные заводы для сжижения воздуха и разделения его на составные части представляют собой высокомеханизированные и непрерывно действующие предприятия (рис. 3). Они перерабатывают миллионы кубических метров воздуха, выдавая высокой чистоты азот и такой же чистоты кислород.

Но было бы ошибочно думать, что даже на этих предприятиях все доведено до совершенства, что пытливому, изобретательному уму человека здесь нечего делать, не над чем работать. Наоборот. Известно, что для выделения из воздуха 1 кубометра кислорода теоретически требуется затратить 0,068 киловатт-часа электрической энергии, на самом же деле даже в лучших установках на это еще тратится 0,5 киловатт-часа, то есть почти в 10 раз больше, чем требуется теорией. Какой простор для изобретательской мысли, для усовершенствования процесса! Используя процессы ректификации, можно выделить из воздуха и редкие газы: аргон, неон и другие, так как их температуры кипения сильно отличаются друг от друга. Так, например, аргон при атмосферном давлении кипит при —185,8 градуса, а неон только при —245,9 градуса, гелий же кипит только при температуре —268,8 градуса.

В начале XX века воздух начали разделять на его составные части в производственных условиях. Потребителем воздуха в первую очередь была химическая промышленность. Первым газом из воздуха, на который химическая промышленность предъявила массовый спрос, был азот.