Можно ли получить жидкий воздух
Содержание статьи
Прочие способы сжижения газов. Жидкий воздух
Помимо рассмотренной ранее схемы Линде, основанной на эффекте Джоуля-Томсона, существуют и некоторые другие методы сжижения газов.
Каскадный способ
Для сжижения водорода и гелия английский ученый Дж. Дьюар (1842-1923) и голландский физик X. Камерлинг-Оннес (1853-1926) использовали т.н. каскадный способ, то есть последовательное охлаждение с применением сжиженных газов, которые кипят при значительно более низкой температуре.
Например, в опытах Дж. Дьюара водород для сжижения из баллона А под давлением 20 МПа проходил через ряд змеевиков, погруженных в жидкие газы в сосудах В, С, D. В первом сосуде кипел диоксид углерода при 193 К, во втором – жидкий воздух при 83 к, в третьем – при пониженном давлении происходило интенсивнее кипение жидкого воздуха, вследствие чего его температура снижалась до 68 К.
В последних двух каскадах, кроме внешнего охлаждения, водород дополнительно охлаждался благодаря расширению и положительному эффекту Джоуля-Томсона; поэтому под конец он сжижается.
В процессе кипения жидкого водорода при пониженном давлении Дж. Дьюар зафиксировал температуру 14 К. Позже X. Камерлинг-Оннес использовал эту температуру в каскаде для сжижения гелия. В процессе кипения жидкого гелия при пониженном давлении (~ 2 Па) X. Камерлинг-Оннес зафиксировал температуру 0,9 К.
В 1926 г. голландский физик В. X. Кеезом (1876-1956) добыл твердый гелий. Итак, было доказано, что все газы можно перевести в жидкое и твердое состояния.
Детандеры
Газы сжижают также охлаждением их в процессе адиабатического расширения и выполнения внешней работы. Машины, действие которых основано на использовании этого способа, называются детандеры. Первые детандеры в виде поршневых машин были малоэффективными.
В 1939 г. российский физик П. Л. Капица (1894-1984) построил очень эффективную машину – турбодетандер для сжижения воздуха.
В ней воздух под давлением 600 кПа подводится к турбине, приводит ее в движение, выполняет внешнюю работу и при этом настолько охлаждается, что часть его сжижается.
Идея построения турбодетандера не была новой, но осуществить ее никому не удавалось. Академик П. Л. Капица доказал, что с воздухом при значительной плотности и малой скорости потока надо вести себя как с веществом, промежуточным между жидкостью и газом. Турбодетандер Капицы имеет сравнительно малые размеры и представляет собой нечто среднее между водяными и паровыми турбинами. Например, в турбодетандере с пропускной способностью 500 … 600 м3 воздуха за 1 ч диаметр ротора составляет 8 см, его масса – 250 г. Ротор делает 40 000 об/мин. Машина дает 30 кг жидкого воздуха за 1 ч, ее коэффициент полезного действия достигает 80%.
Жидкий воздух
Жидкий воздух прозрачен, имеет голубоватый оттенок. При комнатных условиях он интенсивно кипит, поэтому сохраняют его в открытых сосудах Дьюара. Это сосуды с узкими горлышками и двойными стенками, между которыми создают очень высокий вакуум.
Воздух сжижают, чтобы разделить его на составляющие: из него сначала испаряют неон и азот, а затем кислород и аргон.
Эти газы имеют важное значение. Азот используют для получения синтетического аммиака; инертные газы – для наполнения газосветных ламп и т. п. Кислород в смеси с ацетиленом или водородом широко применяется для автогенной сварки и резки металлов; в металлургии кислород используют для доменного дутья; жидкий кислород в смеси с угольным порошком или хлопком применяют как взрывчатое вещество в горном деле.
Тест по теме «Методы сжижения газов»
Источник
Жидкий воздух — основа для получения чистого кислорода
Так как все газы имеют несколько агрегатных состояний и могут быть сжижены, то воздух, состоящий из смеси газов, тоже может стать жидкостью. В основном жидкий воздух производят для выделения из него чистого кислорода, азота и аргона.
Немного истории
До 19 века ученые считали, что газ имеет лишь одно агрегатное состояние, но доводить воздух до жидкого состояния научились уже в начале прошлого века. Это делалось при помощи машины Линде, основными частями которой были компрессор (электродвигатель, снабженный насосом) и теплообменник, представленный в виде двух свернутых в спираль трубок, одна из которых проходила внутри другой. Третьим компонентом конструкции был термос, внутри него и собирался сжиженный газ. Детали машины покрывались теплоизоляционными материалами, чтобы предотвратить доступ к газу теплоты извне. Находящаяся вблизи горловины внутренняя трубка оканчивалась дросселем.
Работа газа
Технология получения сжиженного воздуха довольно проста. Сначала смесь газов очищают от пыли, частиц воды, а также от углекислого газа. Есть еще одна важная составляющая, без которой не получится произвести жидкий воздух, — давление. С помощью компрессора воздух сжимают до 200-250 атмосфер, одновременно охлаждая его водой. Далее воздух идет через первый теплообменник, после чего делится на два потока, больший из которых идет в детандер. Этим термином называют поршневую машину, которая работает за счет расширения газа. Она преобразовывает потенциальную энергию в механическую, и газ охлаждается, потому что совершает работу.
Далее воздух, омыв два теплообменника и тем самым охладив второй поток, идущий навстречу, выходит наружу и собирается в термосе.
Турбодетандер
Несмотря на кажущуюся простоту, применение детандера невозможно в промышленных масштабах. Полученный путем дросселирования через тонкую трубку газ оказывается слишком дорог, получение его недостаточно эффективно и энергозатратно, а следовательно неприемлемо для промышленности. В начале прошлого века стоял вопрос об упрощении выплавки чугуна, и для этого было выдвинуто предложение делать поддув из воздуха с высоким содержанием кислорода. Таким образом возник вопрос и о промышленной добыче последнего.
Поршневой детандер быстро забивается водяным льдом, поэтому воздух нужно предварительно осушить, что делает процесс сложнее и дороже. Решить проблему помогла разработка турбодетандера, использующего вместо поршня турбину. Позднее турбодетандеры нашли применение в процессе получения и других газов.
Применение
Сам жидкий воздух как таковой нигде не используется, это промежуточный продукт в получении чистых газов.
Принцип выделения составляющих основан на разнице в кипении составных частей смеси: кислород закипает при —183°, а азот при —196°. Температура жидкого воздуха ниже двухсот градусов, и нагревая его, можно производить разделение.
Когда жидкий воздух начинает медленно испаряться, первым улетучивается азот, а после того, как его основная часть уже испарилась, при температуре —183° закипает кислород. Дело в том, что пока азот остается в смеси, она не может продолжить нагреваться, даже если использовать дополнительный подогрев, но как только большая часть азота улетучится, смесь быстро достигнет температуры кипения следующей части смеси, то есть кислорода.
Очищение
Однако таким путем невозможно получить чистые кислород и азот за одну операцию. Воздух в жидком состоянии на первой стадии перегонки содержит около 78 % азота и 21 % кислорода, однако чем дальше идет процесс и чем меньше азота остается в жидкости, тем больше вместе с ним будет испаряться и кислорода. Когда концентрация азота в жидкости падает до 50 %, содержание кислорода в парах увеличивается до 20 %. Поэтому испаренные газы вновь конденсируют и подвергают перегонке во второй раз. Чем больше было перегонок, тем чище будут полученные продукты.
В промышленности
Испарение и конденсация — это два противоположных процесса. При первом жидкость должна затратить тепло, а при втором — тепло будет выделяться. В случае если нет потери тепла, то теплота, выделяемая и потребляемая во время этих процессов, равна. Таким образом объем сконденсированного кислорода будет практически равен объему испаренного азота. Этот процесс называется ректификацией. Смесь двух газов, образованная вследствие испарения жидкого воздуха, снова пропускается через него, и некоторая часть кислорода переходит в конденсат, отдавая при этом тепло, за счет чего испаряется некоторая часть азота. Процесс повторяется множество раз.
Промышленное получение азота и кислорода происходит в так называемых ректификационных колоннах.
Интересные факты
При контакте с жидким кислородом многие материалы становятся хрупкими. К тому же жидкий кислород — очень мощный окислитель, поэтому, попав в него, органические вещества сгорают, выделяя много тепла. При пропитке жидким кислородом некоторые из этих веществ приобретают неконтролируемые взрывоопасные свойства. Такое поведение свойственно нефтепродуктам, к которым относится обычный асфальт.
Источник
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Получение — жидкий воздух
Cтраница 1
Получение жидкого воздуха ( либо его компонентов) таким методом прежде всего целесообразно в том отношении, что масштабы использования холода сжиженного природного газа в этом случае могут быть полностью освоены и не будут зависеть от неравномерного графика потребления электроэнергии.
[2]
Получение жидкого воздуха производится в специальных машинах. Работа этих машин основана на следующем принципе. При расширении предварительно сильно сжатого воздуха происходит значительное понижение температуры. Это понижение температуры используется для охлаждения следующей новой порции сжатого воздуха, которая при последующем расширении охлаждается еще сильнее, чем первая порция воздуха. Повторяя эту операцию несколько раз, можно настолько снизить температуру воздуха, что он начнет превращаться в жидкое состояние.
[3]
Методы получения жидкого воздуха и его разделение в ректификационных колоннах рассматриваются в курсе процессы и аппараты химической технологии.
[5]
При получении жидкого воздуха по циклу Клода затрачивается мощность НО кет на валу компрессора.
[7]
Машины для получения жидкого воздуха бывают различных типов.
[9]
В машине для получения жидкого воздуха осуществляется важный в технологии принцип — принцип противотока. В холодильнике снизу вверх поднимается воздух, а сверху вниз идет вода. По мере поднятия воздух охлаждается, а вода, льющаяся сверху вниз, подогревается. Так обеспечивается лучшая отдача теплоты воздухом при сравнительно небольшом поступлении воды. В змеевике также осуществляется принцип противотока. Воздух, идущий по внутренней трубке змеевика сверху вниз, постепенно охлаждается воздухом, который поднимается вверх по наружной трубке. Лучшее охлаждение одного газа другим происходит при условии, когда разделенные один от другого два потока их текут навстречу друг другу.
[10]
Основным элементом установки для получения жидкого воздуха, определяющим показатели ее работы, является теплообменник, вес которого составляет значительную часть общего веса установки. Поперечноточные витые теплообменники, в которых сжатый воздух движется в трубках, а воздух низкого давления омывает трубки снаружи в поперечном направлении, обладают сравнительно большой поверхностью теплопередачи на единицу веса; поэтому в малогабаритных установках для получения жидкого воздуха применены теплообменники этого типа.
[11]
Упрощенная схема цикла для получения жидкого воздуха показана на фиг. Линия 2 — 3 соответствует охлаждению всего сжатого воздуха в регенераторах, линия 3 — 4 — 5 — охлаждению, конденсации и переохлаждению ш / кГ воздуха в конденсаторе ( у — количество жидкого продукта, а — коэффициент, учитывающий дросселирование от точки 5 к точке 6), по линии 3 — 7 происходит расширение ( 1 — ау) кГ воздуха в турбодетандере, по линии 7 — 8, подогрев ( 1 — у) кГ обратного газа в конденсаторе и по линии 8 — 9 — : в регенераторах.
[12]
Принципиальная схема установки для получения жидкого воздуха показана на рис. П-6. Предварительно освобожденный от пыли, влаги и углекислого газа воздух сжимается компрессором ( Е) до 200 — 250 ат ( при одновременном охлаждении водой), проходит первый теплообменник ( А); и затем разделяется на два потока.
[13]
Принципиальная схема установки для получения жидкого воздуха показана на рис. П-6. Предварительно освобожденный от пыли, влаги и углекислого газа воздух сжимается компрессором ( Е) до 200 — 250 от ( при одновременном охлаждении водой), проходит первый теплообменник ( AJ и затем разделяется на два потока.
[15]
Страницы:
1
2
3
4
Источник
Как рыба в воде. Может ли человек дышать жидкостью и зачем это нужно
Недавно Научно-технический совет государственного Фонда перспективных исследований одобрил «проект по созданию технологии спасения подводников свободным всплытием с использованием метода жидкостного дыхания», реализацией которого должен заняться московский Институт медицины труда (на момент написания статьи руководство института было недоступно для комментариев). «Чердак» решил разобраться, что скрывается за таинственным словосочетанием «жидкостное дыхание».
Наиболее впечатляюще жидкостное дыхание показано в фильме Джеймса Кэмерона «Бездна».
Правда, в таком виде опыты на людях еще никогда не проводились. Но в целом ученые не сильно уступают Кэмерону по части исследования этого вопроса.
Мыши как рыбы
Первым, кто показал, что млекопитающие в принципе могут получать кислород не из смеси газов, а из жидкости, был Йоханнес Килстра (Johannes Kylstra) из медицинского центра университета Дьюка (США). Вместе с коллегами он в 1962 году опубликовал работу «Мыши как рыбы» (Of mice as fish) в журнале Transactions of American Society for Artificial Internal Organs.
Килстра и его коллеги погружали мышей в физраствор. Чтобы растворить в нем достаточное для дыхания количество кислорода, исследователями «вгоняли» газ в жидкость под давлением до 160 атмосфер — как на глубине 1,5 километра. Мыши в этих экспериментах выживали, но не очень долго: кислорода в жидкости было достаточно, а вот сам процесс дыхания, втягивания и выталкивания жидкости из легких требовал слишком больших усилий.
«Вещество Джо»
Стало понятно, что нужно подобрать такую жидкость, в которой кислород будет растворяться намного лучше, чем в воде. Требуемыми свойствами обладали два типа жидкостей: силиконовые масла и жидкие перфторуглероды. После экспериментов Леланда Кларка (Leland Clark), биохимика из медицинской школы университета Алабамы, в середине 1960-х годов выяснилось, что оба типа жидкостей можно использовать для доставки кислорода в легкие. В опытах мышей и кошек полностью погружали и в перфторуглероды, и в силиконовые масла. Однако последние оказались токсичны — подопытные звери погибали вскоре после эксперимента. А вот перфторуглероды оказались вполне пригодны для использования.
Перфторуглероды были впервые синтезированы в ходе Манхэттенского проекта по созданию атомной бомбы: ученые искали вещества, которые бы не разрушались при взаимодействии с соединениями урана, и они проходили под кодовым названием «вещества Джо» (Joe’s stuff). Для жидкостного дыхания они подходят очень хорошо: «вещества Джо» не взаимодействуют с живыми тканями и прекрасно растворяют газы, в том числе кислород и углекислый газ при атмосферном давлении и нормальной температуре человеческого тела.
Килстра и его коллеги исследовали технологию жидкостного дыхания в поисках технологии, которая бы позволяла людям погружаться и всплывать на поверхность, не опасаясь развития кессонной болезни. Быстрый подъем с большой глубины с запасом сжатого газа очень опасен: газы лучше растворяются в жидкостях под давлением, поэтому по мере того, как водолаз всплывает, растворенные в крови газы, в частности азот, образуют пузырьки, которые повреждают кровеносные сосуды. Результат может быть печальным, вплоть до смертельного.
В 1977 году Килстра представил в Военно-морское министерство США заключение, в котором писал, что, по его расчетам, здоровый человек может получать необходимое количество кислорода при использовании перфторуглеродов, и, соответственно, их потенциально возможно использовать вместо сжатого газа. Ученый указывал, что такая возможность открывает новые перспективы для спасения подводников с больших глубин.
Эксперименты на людях
На практике техника жидкостного дыхания, к тому времени получившая название жидкостной вентиляции легких, была применена на людях всего один раз, в 1989 году. Тогда Томас Шаффер (Thomas Shaffer), педиатр из медицинской школы Темпльского университета (США), и его коллеги использовали этот метод для спасения недоношенных младенцев. Легкие зародыша в утробе матери заполнены жидкостью, а когда человек рождается и начинает дышать воздухом, тканям легких на протяжении всей оставшейся жизни не дает слипаться смесь веществ, называемая легочным сурфактантом. У недоношенных младенцев он не успевает накопиться в нужном количестве, и дыхание требует очень больших усилий, что чревато летальным исходом. В тот раз, правда, жидкостная вентиляция младенцев не спасла: все трое пациентов вскоре умерли, однако этот печальный факт был отнесен на счет других причин, а не на счет несовершенства метода.
Больше экспериментов по тотальной жидкостной вентиляции легких, как эта технология называется по-научному, на людях не проводилось. Однако в 1990-х годах исследователи модифицировали метод и проводили на пациентах с тяжелым воспалительным поражением легких эксперименты по частичной жидкостной вентиляции, при которой легкие заполняются жидкостью не полностью. Первые результаты выглядели обнадеживающими, но в конечном счете до клинического применения дело не дошло — оказалось, что обычная вентиляция легких воздухом работает не хуже.
Патент на фантастику
В настоящее время исследователи вернулись к идее использования полной жидкостной вентиляции легких. Однако фантастическая картина водолазного костюма, в котором человек будет дышать жидкостью вместо специальной смеси газов, далека от реальности, хотя и будоражит воображение публики и умы изобретателей.
Так, в 2008 году отошедший от дел американский хирург Арнольд Ланде (Arnold Lande) запатентовал водолазный костюм с использованием технологии жидкостной вентиляции. Вместо сжатого газа он предложил использовать перфторуглероды, а избыток углекислоты, которая будет образовываться в крови, выводить при помощи искусственных жабр, «воткнутых» прямо в бедренную вену водолаза. Изобретение получило некоторую известность после того, как о нем написало издание The Inpependent.
Как считает специалист по жидкостной вентиляции из Шербрукского университета в Канаде Филипп Мишо (Philippe Micheau), проект Ланде выглядит сомнительным. «В наших экспериментах (Мишо и его коллеги проводят эксперименты на ягнятах и крольчатах со здоровыми и поврежденными легкими — прим. «Чердака») по тотальному жидкостному дыханию животные находятся под анестезией и не двигаются. Поэтому мы можем организовать нормальный газообмен: доставку кислорода и удаление углекислого газа. Для людей при физической нагрузке, такой как плавание и ныряние, доставка кислорода и удаление углекислоты будут проблемой, так как выработка углекислоты в таких условиях выше нормы», — прокомментировал Мишо. Ученый также отметил, что технология закрепления «искусственных жабр» в бедренной вене ему неизвестна.
Главная проблема «жидкостного дыхания»
Более того, Мишо считает саму идею «жидкостного дыхания» сомнительной, поскольку для «дыхания» жидкостью человеческая мускулатура не приспособлена, а эффективная система насосов, которая бы помогала закачивать и выкачивать жидкость из легких человека, когда он двигается и выполняет какую-то работу, до сих пор не разработана.
«Я должен заключить, что на современном этапе развития технологий невозможно разработать водолазный костюм, используя метод жидкостной вентиляции», — считает исследователь.
Однако применение этой технологии продолжает исследоваться для других, более реалистичных целей. Например, для помощи утонувшим, промывания легких при различных заболеваниях или быстрого понижения температуры тела (применяется в случаях реанимации при остановке сердца у взрослых и новорожденных с гипоксически-ишемическим поражением мозга).
Екатерина Боровикова
Источник