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Ministerio de Educación y Ciencia de la Federación de Rusia

MBOU "Gimnasio nº 1 de Vladivostok"

separación de aire del turboexpansor de oxígeno

"Producción de oxígeno en la industria"

Trabajo realizado por: Kadysheva Eva

Estudiante de 8vo grado "B"

Gimnasio MBOU No. 1

Supervisor científico: Kovalenko N.S.

Vladivostok 2016

1. Introducción

El oxígeno no sólo constituye una parte importante del aire atmosférico, la corteza terrestre y el agua potable, sino que también ocupa el 65% del peso corporal humano, siendo el elemento químico más importante en la estructura del cuerpo humano. Este gas es una de las sustancias más utilizadas; se utiliza en casi todos los ámbitos de la actividad humana debido a sus propiedades químicas y físicas.

El OXÍGENO es un elemento químico con número atómico 8 y masa atómica 16. En la tabla periódica de elementos de Mendeleev, el oxígeno se encuentra en el segundo período del grupo VIA. En su forma libre, el oxígeno es un gas incoloro, inodoro e insípido.

El desarrollo de la producción de oxígeno y su uso como intensificador de muchos procesos tecnológicos es uno de los factores del progreso técnico moderno, ya que permite aumentar la productividad laboral y asegurar el crecimiento de la producción en varias industrias importantes.

Objetivo: Investigación de tecnologías para la producción industrial de oxígeno.

Estudiar la historia de la producción de oxígeno en la industria;

Identificar las ventajas y desventajas de cada método de obtención;

Encuentra aplicaciones del oxígeno.

2.Información histórica

Las modernas instalaciones de separación de aire, en las que se produce frío mediante turboexpansores, proporcionan a la industria, principalmente a la metalurgia y la química, cientos de miles de metros cúbicos de oxígeno gaseoso. Trabajan no sólo aquí, sino en todo el mundo.

El primer prototipo de turboexpansor creado por P. L. Kapitsa era pequeño. Y este turboexpansor se convirtió en el “corazón” de la primera instalación para producir oxígeno mediante un nuevo método.

En 1942 se construyó una instalación similar, pero mucho más potente, que producía hasta 200 kg de oxígeno líquido por hora. A finales de 1944 se puso en funcionamiento la instalación de turbooxígeno más potente del mundo, que producía entre 6 y 7 veces más oxígeno líquido que la instalación del tipo antiguo y, al mismo tiempo, ocupaba entre 3 y 4 veces menos superficie.

La moderna unidad de separación de aire BR-2, cuyo diseño también utiliza un turboexpansor, podría suministrar tres litros de oxígeno gaseoso a cada residente de la URSS en un día de funcionamiento.

El 30 de abril de 1945, Mikhail Ivanovich Kalinin firmó un Decreto que otorgaba al académico P.L. Kapitsa recibió el título de Héroe del Trabajo Socialista “por el exitoso desarrollo de un nuevo método de turbina para producir oxígeno y por la creación de una poderosa instalación turbo de oxígeno”. El Instituto de Problemas Físicos de la Academia de Ciencias de la URSS, donde se realizó este trabajo, recibió la Orden de la Bandera Roja del Trabajo.

3. Métodos de obtención

3.1 Método criogénico de separación de aire

El aire atmosférico deshumidificado es una mezcla que contiene un 21% de oxígeno y un 78% de nitrógeno en volumen, un 0,9% de argón y otros gases inertes, dióxido de carbono, vapor de agua, etc. Para obtener gases atmosféricos técnicamente puros, el aire se somete a un enfriamiento profundo y se licua ( temperatura de ebullición del aire líquido a presión atmosférica -194,5° C.)

El proceso es el siguiente: el aire aspirado por un compresor de varias etapas pasa primero a través de un filtro de aire, donde se limpia de polvo, pasa a través de un separador de humedad, donde se separa el agua que se condensa durante la compresión del aire, y un enfriador, que enfría el aire y elimina el calor generado durante la compresión. Para absorber dióxido de carbono del aire, se enciende un descarbonizador lleno de una solución acuosa de soda cáustica. La eliminación completa de la humedad y el dióxido de carbono del aire es esencial, ya que el agua y el dióxido de carbono que se congelan a bajas temperaturas obstruyen las tuberías y es necesario detener la instalación para descongelarla y purgarla.

Después de pasar por la batería de secado, el aire comprimido ingresa al llamado expansor, donde se produce una fuerte expansión y, en consecuencia, se enfría y se licua. El aire líquido resultante se somete a destilación fraccionada o rectificación en columnas de destilación. Con la evaporación gradual del aire líquido, primero se evapora principalmente nitrógeno y el líquido restante se enriquece cada vez más con oxígeno. Repitiendo un proceso similar muchas veces en los platos de destilación de las columnas de separación de aire, se obtienen oxígeno líquido, nitrógeno y argón de la pureza requerida.

El método criogénico de separación del aire permite obtener gases de la más alta calidad: oxígeno hasta un 99,9%.

3.2 Método de separación de aire por adsorción

La separación criogénica del aire, con todos sus parámetros de calidad, es un método bastante caro para producir gases industriales. El método de adsorción de separación de aire, basado en la absorción selectiva de un gas particular por adsorbentes, es un método no criogénico y se usa ampliamente debido a las siguientes ventajas:

alta capacidad de separación de los componentes adsorbidos según la elección del adsorbente;

arranque y parada rápidos en comparación con las plantas criogénicas;

Mayor flexibilidad de instalación, es decir la capacidad de cambiar rápidamente el modo de funcionamiento, la productividad y la limpieza según las necesidades;

control de modo automático;

posibilidad de control remoto;

bajos costos de energía en comparación con los bloques criogénicos;

diseño de hardware sencillo;

bajos costos de mantenimiento;

bajo costo de las instalaciones en comparación con las tecnologías criogénicas;

El método de adsorción se utiliza para producir nitrógeno y oxígeno, ya que proporciona excelentes parámetros de calidad a bajo costo.

3.3 Método de separación de aire por membrana

El método de separación de aire por membranas se basa en el principio de permeabilidad selectiva de las membranas. Consiste en la diferencia en las velocidades de penetración de gases a través de una membrana polimérica con una diferencia de presiones parciales. Se suministra aire comprimido purificado a la membrana. En este caso, los “gases rápidos” atraviesan la membrana hacia una zona de baja presión y, a la salida de la membrana, se enriquecen con un componente de fácil penetración. La parte restante del aire se satura con "gases lentos" y se retira del dispositivo.

El método de membrana para la producción industrial de oxígeno se caracteriza por bajos costos de energía y costos operativos. Sin embargo, este método permite obtener oxígeno de baja pureza hasta un 45%.

4.Uso de oxígeno

Los primeros investigadores del oxígeno notaron que era más fácil respirar en su atmósfera. Predijeron el uso generalizado de este gas vivificante en la medicina e incluso en la vida cotidiana como medio para mejorar las funciones vitales del cuerpo humano.

Pero un estudio más profundo reveló que la inhalación prolongada de oxígeno puro por parte de una persona puede causar enfermedades e incluso la muerte: el cuerpo humano no está adaptado a vivir en oxígeno puro.

Actualmente, el oxígeno puro se utiliza para inhalación sólo en algunos casos: por ejemplo, a los enfermos graves de tuberculosis pulmonar se les ofrece inhalar oxígeno en pequeñas porciones. Los aeronautas y pilotos utilizan dispositivos de oxígeno durante los vuelos a gran altitud. Los miembros de los equipos de rescate en montaña a menudo se ven obligados a trabajar en una atmósfera sin oxígeno. Para respirar utilizan un dispositivo en el que la composición del aire necesaria para respirar se mantiene añadiendo oxígeno procedente de bombonas ubicadas en el mismo dispositivo.

La mayor parte del oxígeno producido industrialmente se utiliza actualmente para quemar diversas sustancias con el fin de obtener una temperatura muy alta.

Por ejemplo, el gas inflamable acetileno (C2H2) se mezcla con oxígeno y se quema en quemadores especiales. La llama de este quemador está tan caliente que derrite el hierro. Por lo tanto, se utiliza un soplete de oxígeno y acetileno para soldar productos de acero. Este tipo de soldadura se llama soldadura autógena.

El oxígeno líquido se utiliza para preparar mezclas explosivas. Se llenan cartuchos especiales con madera triturada (harina de madera) u otras sustancias inflamables trituradas y esta masa inflamable se humedece con oxígeno líquido. Cuando se enciende una mezcla de este tipo, la combustión se produce muy rápidamente, produciendo una gran cantidad de gases calentados a una temperatura muy alta. La presión de estos gases puede hacer estallar rocas o arrojar grandes cantidades de tierra. Esta mezcla explosiva se utiliza en la construcción de canales, en la excavación de túneles, etc.

Recientemente, se ha añadido oxígeno al aire para aumentar la temperatura en los hornos al fundir hierro y acero. Gracias a esto, se acelera la producción de acero y mejora su calidad.

Conclusión

Durante el trabajo de investigación se logró el objetivo y las tareas asignadas.

Las necesidades que comenzaron a surgir en diversas áreas de la actividad humana plantearon desafíos para que los científicos químicos encontraran formas nuevas, más productivas y menos costosas de producir oxígeno puro.

En nuestro país cada año se ponen en funcionamiento nuevas estaciones y talleres para la producción de oxígeno y se amplían los existentes.

El aire atmosférico es una fuente inagotable de materias primas para la producción industrial de oxígeno. Al mismo tiempo, el nitrógeno y el acetileno se producen simultáneamente con el oxígeno, lo que repercute positivamente en el proceso de separación económico.

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El aire es una fuente inagotable de oxígeno. Para obtener oxígeno de él, este gas debe separarse del nitrógeno y otros gases. El método industrial de producción de oxígeno se basa en esta idea. Se implementa utilizando equipos especiales, bastante voluminosos. Primero, el aire se enfría mucho hasta que se convierte en líquido. Luego se aumenta gradualmente la temperatura del aire licuado. Primero comienza a liberarse gas nitrógeno (el punto de ebullición del nitrógeno líquido es -196 ° C) y el líquido se enriquece con oxígeno.

Obtención de oxígeno en el laboratorio.. Los métodos de laboratorio para producir oxígeno se basan en reacciones químicas.

J. Priestley obtuvo este gas a partir de un compuesto llamado óxido de mercurio (II). El científico utilizó una lente de vidrio con la que enfocó la luz del sol sobre la sustancia.

En una versión moderna, este experimento se muestra en la Figura 54. Cuando se calienta, el óxido de mercurio (||) (polvo amarillo) se convierte en mercurio y oxígeno. El mercurio se libera en estado gaseoso y se condensa en las paredes del tubo de ensayo en forma de gotas plateadas. El oxígeno se recoge sobre el agua en el segundo tubo de ensayo.

El método de Priestley ya no se utiliza porque el vapor de mercurio es tóxico. El oxígeno se produce mediante otras reacciones similares a la comentada. Suelen aparecer cuando se calientan.

Las reacciones en las que se forman varias otras a partir de una sustancia se denominan reacciones de descomposición.

Para obtener oxígeno en el laboratorio se utilizan los siguientes compuestos que contienen oxígeno:

Permanganato de potasio KMnO4 (nombre común permanganato de potasio; la sustancia es un desinfectante común)

Clorato de potasio KClO3 (nombre trivial: sal de Berthollet, en honor al químico francés de finales del siglo XVIII y principios del XIX C.-L. Berthollet)

Se añade una pequeña cantidad de catalizador, óxido de manganeso (IV) MnO2, al clorato de potasio para que la descomposición del compuesto se produzca con la liberación de oxígeno1.

Estructura de moléculas de hidruros de calcógeno H2E. se puede analizar utilizando el método de orbitales moleculares (MO). Como ejemplo, considere el diagrama de orbitales moleculares de una molécula de agua (Fig.3).

Para construcción (Para más detalles, ver G. Gray "Electrons and Chemical Bonding", M., editorial "Mir", 1967, pp. 155-62 y G. L. Miessier, D. A. Tarr, "Inorganic Chemistry", Prantice Hall Int. Inc., 1991, p.153-57) diagrama del MO de la molécula de H2O, combinaremos el origen de coordenadas con el átomo de oxígeno, y colocaremos los átomos de hidrógeno en el plano xz (Fig. 3). En la Fig. 4 se muestra la superposición de 2s- y 2p-AO de oxígeno con 1s-AO de hidrógeno. En la formación de MO participan AO de hidrógeno y oxígeno, que tienen la misma simetría y energías similares. Sin embargo, la contribución de AO a la formación de MO es diferente, lo que se refleja en diferentes valores de los coeficientes en las correspondientes combinaciones lineales de AO. La interacción (superposición) de 1s-AO de hidrógeno y 2s- y 2pz-AO de oxígeno conduce a la formación de MO con enlace 2a1 y antienlazante 4a1.

PROPIEDADES DEL OXÍGENO Y MÉTODOS DE OBTENCIÓN

El oxígeno O2 es el elemento más abundante en la tierra. Se encuentra en grandes cantidades en forma de compuestos químicos con diversas sustancias en la corteza terrestre (hasta un 50% en peso), en combinación con hidrógeno en agua (aproximadamente un 86% en peso) y en estado libre en el aire atmosférico en una mezcla principalmente con nitrógeno en cantidad 20,93% vol. (23,15% en peso).

El oxígeno es de gran importancia en la economía nacional. Es muy utilizado en metalurgia; industria química; para el procesamiento de metales con llama de gas, perforación con fuego de rocas duras, gasificación subterránea de carbones; en medicina y diversos aparatos respiratorios, por ejemplo para vuelos a gran altura, y en otros ámbitos.

En condiciones normales, el oxígeno es un gas incoloro, inodoro e insípido que no es inflamable, pero favorece activamente la combustión. A temperaturas muy bajas, el oxígeno se vuelve líquido e incluso sólido.

Las constantes físicas más importantes del oxígeno son las siguientes:

El oxígeno tiene una gran actividad química y forma compuestos con todos los elementos químicos excepto con los gases raros. Las reacciones del oxígeno con sustancias orgánicas tienen un carácter exotérmico pronunciado. Así, cuando el oxígeno comprimido interactúa con sustancias combustibles sólidas grasas o finamente dispersas, se produce su oxidación instantánea y el calor generado contribuye a la combustión espontánea de estas sustancias, lo que puede provocar un incendio o una explosión. Esta propiedad debe tenerse especialmente en cuenta en la manipulación de equipos de oxígeno.

Una de las propiedades importantes del oxígeno es su capacidad para formar mezclas explosivas con gases inflamables y vapores líquidos inflamables en un amplio rango, que también pueden provocar explosiones en presencia de una llama abierta o incluso una chispa. Las mezclas de aire con combustibles gaseosos o en vapor también son explosivas.

El oxígeno se puede obtener: 1) por métodos químicos; 2) electrólisis del agua; 3) físicamente desde el aire.

Los métodos químicos que implican la producción de oxígeno a partir de diversas sustancias son ineficaces y actualmente sólo tienen importancia en el laboratorio.

La electrólisis del agua, es decir, su descomposición en sus componentes: hidrógeno y oxígeno, se lleva a cabo en dispositivos llamados electrolizadores. Se pasa una corriente continua a través del agua, a la que se le añade sosa cáustica NaOH para aumentar la conductividad eléctrica; el oxígeno se acumula en el ánodo y el hidrógeno en el cátodo. La desventaja de este método es el alto consumo de electricidad: se consumen 12-15 kW por 1 m 3 0 2 (además, se obtienen 2 m 3 N 2). h. Este método es racional en presencia de electricidad barata, así como en la producción de hidrógeno electrolítico, cuando el oxígeno es un producto de desecho.

El método físico consiste en separar el aire en sus componentes mediante un enfriamiento profundo. Este método permite obtener oxígeno en cantidades casi ilimitadas y es de gran importancia industrial. El consumo de electricidad por 1 m 3 O 2 es de 0,4 a 1,6 kW. h, dependiendo del tipo de instalación.

OBTENCIÓN DE OXÍGENO DEL AIRE

El aire atmosférico es principalmente una mezcla mecánica de tres gases con el siguiente contenido volumétrico: nitrógeno - 78,09%, oxígeno - 20,93%, argón - 0,93%. Además, contiene aproximadamente un 0,03% de dióxido de carbono y pequeñas cantidades de gases raros, hidrógeno, óxido nitroso, etc.

La tarea principal al obtener oxígeno del aire es separar el aire en oxígeno y nitrógeno. En el camino se separa el argón, cuyo uso en métodos especiales de soldadura aumenta constantemente, así como los gases raros, que desempeñan un papel importante en varias industrias. El nitrógeno tiene algunos usos en la soldadura como gas protector, en medicina y otros campos.

La esencia del método es el enfriamiento profundo del aire, convirtiéndolo en un estado líquido, que a presión atmosférica normal se puede lograr en el rango de temperatura de -191,8 ° C (inicio de la licuefacción) a -193,7 ° C (fin de la licuefacción). ).

La separación del líquido en oxígeno y nitrógeno se lleva a cabo utilizando la diferencia en sus temperaturas de ebullición, a saber: T pb. o2 = -182,97°C; Temperatura de ebullición N2 = -195,8° C (a 760 mm Hg).

Con la evaporación gradual de un líquido, el nitrógeno, que tiene un punto de ebullición más bajo, pasará primero a la fase gaseosa y, a medida que se libera, el líquido se enriquecerá con oxígeno. Repetir este proceso muchas veces permite obtener oxígeno y nitrógeno de la pureza requerida. Este método de separar líquidos en sus componentes se llama rectificación.

Para producir oxígeno del aire, existen empresas especializadas equipadas con unidades de alto rendimiento. Además, las grandes empresas metalúrgicas cuentan con sus propias estaciones de oxígeno.

Las bajas temperaturas necesarias para licuar el aire se obtienen mediante los llamados ciclos de refrigeración. A continuación se comentan brevemente los principales ciclos de refrigeración utilizados en las instalaciones modernas.

El ciclo de refrigeración con estrangulación del aire se basa en el efecto Joule-Thomson, es decir, una fuerte disminución de la temperatura del gas durante su libre expansión. El diagrama del ciclo se muestra en la Fig. 2.

El aire se comprime en un compresor de múltiples etapas 1 a 200 kgf/cm2 y luego pasa a través de un refrigerador 2 con agua corriente. El enfriamiento profundo del aire se produce en el intercambiador de calor 3 mediante el flujo inverso de gas frío desde el colector de líquido (licuador) 4. Como resultado de la expansión del aire en la válvula de mariposa 5, se enfría adicionalmente y parcialmente. licuado.

La presión en el colector 4 se regula entre 1 y 2 kgf/cm 2 . El líquido se drena periódicamente de la colección a recipientes especiales a través de la válvula 6. La parte no licuada del aire se descarga a través de un intercambiador de calor, enfriando nuevas porciones de aire entrante.

El enfriamiento del aire hasta la temperatura de licuefacción se produce gradualmente; Cuando se enciende la instalación, hay un periodo de arranque durante el cual no se observa licuefacción del aire, sino que sólo se produce un enfriamiento de la instalación. Este período dura varias horas.

La ventaja del ciclo es su simplicidad, pero la desventaja es el consumo de energía relativamente alto: hasta 4,1 kW. h por 1 kg de aire licuado a una presión del compresor de 200 kgf/cm 2; a menor presión, el consumo específico de energía aumenta considerablemente. Este ciclo se utiliza en instalaciones de baja y media capacidad para producir gas oxígeno.

El ciclo de estrangulación y preenfriamiento del aire con amoniaco es algo más complejo.

El ciclo frigorífico de media presión con expansión en expansor se basa en una disminución de la temperatura del gas durante la expansión con retorno de trabajo externo. Además, también se utiliza el efecto Joule-Thomson. El diagrama del ciclo se muestra en la Fig. 3.

El aire se comprime en el compresor 1 a 20-40 kgf/cm 2, pasa por el refrigerador 2 y luego por los intercambiadores de calor 3 y 4. Después del intercambiador de calor 3, la mayor parte del aire (70-80%) se envía al pistón de expansión. máquina expansora 6, y una parte más pequeña del aire (20-30%) va a la expansión libre a la válvula de mariposa 5 y luego al colector 7, que tiene una válvula 8 para drenar el líquido. En el expansor 6

el aire, ya enfriado en el primer intercambiador de calor, funciona: empuja el pistón de la máquina, su presión cae a 1 kgf/cm 2, por lo que la temperatura desciende bruscamente. Desde el expansor, el aire frío, que tiene una temperatura de aproximadamente -100 ° C, se descarga al exterior a través de los intercambiadores de calor 4 y 3, enfriando el aire entrante. Por tanto, el expansor proporciona una refrigeración muy eficaz de la instalación a una presión relativamente baja en el compresor. El trabajo del expansor se aprovecha de forma útil y esto compensa parcialmente la energía gastada en la compresión del aire en el compresor.

Las ventajas del ciclo son: una presión de compresión relativamente baja, que simplifica el diseño del compresor, y una mayor capacidad de refrigeración (gracias al expansor), que garantiza un funcionamiento estable de la instalación cuando el oxígeno se toma en forma líquida.

Ciclo de refrigeración de baja presión con expansión en turboexpansor, desarrollado por Acad. P. L. Kapitsa, se basa en la utilización de aire a baja presión con producción de frío únicamente mediante la expansión de este aire en una turbina de aire (turboexpansor) con producción de trabajo externo. El diagrama del ciclo se muestra en la Fig. 4.

El aire se comprime mediante el turbocompresor 1 a 6-7 kgf/cm2, se enfría con agua en el frigorífico 2 y se suministra a los regeneradores 3 (intercambiadores de calor), donde se enfría mediante un flujo inverso de aire frío. Hasta el 95% del aire después de los regeneradores se envía al turboexpansor 4, se expande a una presión absoluta de 1 kgf/cm 2 con trabajo externo y se enfría bruscamente, después de lo cual se suministra al espacio de tuberías del condensador 5. y condensa el resto del aire comprimido (5%), entrando al espacio anular. Desde el condensador 5, el flujo de aire principal se dirige a los regeneradores y enfría el aire entrante, y el aire líquido pasa a través de la válvula de mariposa 6 al colector 7, desde donde se drena a través de la válvula 8. El diagrama muestra un regenerador , pero en realidad son varios y se encienden uno por uno.

Las ventajas de un ciclo de baja presión con turboexpansor son: mayor eficiencia de las turbomáquinas en comparación con las máquinas de pistón, simplificación del esquema tecnológico, mayor confiabilidad y seguridad contra explosiones de la instalación. La bicicleta se utiliza en instalaciones de alta capacidad.

La separación del aire líquido en componentes se lleva a cabo mediante el proceso de rectificación, cuya esencia es que la mezcla vaporosa de nitrógeno y oxígeno formada durante la evaporación del aire líquido pasa a través de un líquido con un menor contenido de oxígeno. Como hay menos oxígeno en el líquido y más nitrógeno, tiene una temperatura más baja que el vapor que lo atraviesa, y esto provoca la condensación del oxígeno del vapor y su enriquecimiento del líquido con la evaporación simultánea del nitrógeno del líquido. es decir, su enriquecimiento del vapor por encima del líquido.

La figura que se muestra en la fig. puede dar una idea de la esencia del proceso de rectificación. 5 es un diagrama simplificado del proceso de evaporación y condensación repetidas de aire líquido.

Suponemos que el aire se compone únicamente de nitrógeno y oxígeno. Imaginemos que hay varios vasos (I-V) conectados entre sí; el de arriba contiene aire líquido que contiene un 21% de oxígeno. Gracias a la disposición escalonada de los vasos, el líquido fluirá hacia abajo y al mismo tiempo se enriquecerá gradualmente con oxígeno y su temperatura aumentará.

Supongamos que en el recipiente II hay un líquido que contiene 30% de 0 2, en el recipiente III - 40%, en el recipiente IV - 50% y en el recipiente V - 60% de oxígeno.

Para determinar el contenido de oxígeno en la fase de vapor, usaremos un gráfico especial: Fig. 6, cuyas curvas indican el contenido de oxígeno en líquido y vapor a distintas presiones.

Comencemos a evaporar el líquido en el recipiente V a una presión absoluta de 1 kgf/cm 2 . Como se puede ver en la Fig. 6, encima del líquido en este recipiente, que consta de 60 % de 0 2 y 40 % de N 2, puede haber una composición de vapor en equilibrio que contenga 26,5 % de 0 2 y 73,5 % de N 2, que tenga la misma temperatura que el líquido. Introducimos este vapor en el recipiente IV, donde el líquido contiene sólo 50% de 0 2 y 50% de N 2 y, por tanto, estará más frío. De la Fig. 6 muestra que el vapor sobre este líquido puede contener solo 19% de 0 2 y 81% de N 2, y solo en este caso su temperatura será igual a la temperatura del líquido en este recipiente.

En consecuencia, el vapor suministrado al recipiente IV desde el recipiente V, que contiene 26,5% de O 2, tiene una temperatura más alta que el líquido en el recipiente IV; por lo tanto, el oxígeno del vapor se condensa en el líquido del recipiente IV y parte del nitrógeno del mismo se evaporará. Como resultado, el líquido del recipiente IV se enriquecerá con oxígeno y el vapor que se encuentra encima se enriquecerá con nitrógeno.

Un proceso similar ocurrirá en otros vasos y, así, al drenar de los vasos superiores a los inferiores, el líquido se enriquece con oxígeno, condensándolo de los vapores ascendentes y dándoles su nitrógeno.

Continuando el proceso hacia arriba, se puede obtener vapor que consiste en nitrógeno casi puro y, en la parte inferior, oxígeno líquido puro. En realidad, el proceso de rectificación que se produce en las columnas de destilación de las plantas de oxígeno es mucho más complicado de lo descrito, pero su contenido fundamental es el mismo.

Independientemente del esquema tecnológico de la instalación y del tipo de ciclo frigorífico, el proceso de producción de oxígeno a partir del aire incluye las siguientes etapas:

1) limpiar el aire del polvo, vapor de agua y dióxido de carbono. La unión del CO2 se logra haciendo pasar aire a través de una solución acuosa de NaOH;

2) compresión de aire en un compresor seguida de enfriamiento en refrigeradores;

3) enfriamiento de aire comprimido en intercambiadores de calor;

4) expansión de aire comprimido en una válvula de mariposa o expansor para enfriarlo y licuarlo;

5) licuefacción y rectificación de aire para producir oxígeno y nitrógeno;

6) drenar oxígeno líquido a tanques estacionarios y descargar oxígeno gaseoso a tanques de gas;

7) control de calidad del oxígeno producido;

8) llenar tanques de transporte con oxígeno líquido y llenar cilindros con oxígeno gaseoso.

La calidad del oxígeno gaseoso y líquido está regulada por los GOST correspondientes.

Según GOST 5583-58, el oxígeno técnico gaseoso se produce en tres grados: el más alto, con un contenido de al menos 99,5% de O 2, el 1º, al menos 99,2% de O 2 y el 2º, al menos 98,5% de O 2. el resto es argón y nitrógeno (0,5-1,5%). El contenido de humedad no debe exceder los 0,07 g/f 3 . El oxígeno obtenido por electrólisis del agua no debe contener más del 0,7% de hidrógeno en volumen.

Según GOST 6331-52, el oxígeno líquido se produce en dos grados: grado A con un contenido de al menos 99,2% de O 2 y grado B con un contenido de al menos 98,5% de O 2 . El contenido de acetileno en el oxígeno líquido no debe exceder los 0,3 cm 3 /l.

El oxígeno de proceso utilizado para intensificar diversos procesos en la industria metalúrgica, química y otras industrias contiene entre un 90% y un 98% de O 2 .

El control de calidad del oxígeno gaseoso y líquido se realiza directamente durante el proceso de producción mediante instrumentos especiales.

Administración Calificación general del artículo: Publicado: 2012.06.01

Esta lección está dedicada al estudio de los métodos modernos de producción de oxígeno. Aprenderá mediante qué métodos y de qué sustancias se obtiene el oxígeno en el laboratorio y la industria.

Tema: Sustancias y sus transformaciones.

Lección:Obteniendo oxígeno

Para fines industriales, el oxígeno debe obtenerse en grandes volúmenes y de la forma más económica posible. Este método de producción de oxígeno fue propuesto por el premio Nobel Pyotr Leonidovich Kapitsa. Inventó un dispositivo para licuar aire. Como sabes, el aire contiene aproximadamente un 21% de oxígeno en volumen. El oxígeno se puede separar del aire líquido mediante destilación, porque Todas las sustancias que componen el aire tienen diferentes puntos de ebullición. El punto de ebullición del oxígeno es de -183°C y el del nitrógeno es de -196°C. Esto significa que al destilar aire licuado, el nitrógeno hervirá y se evaporará primero, seguido del oxígeno.

En el laboratorio no se necesitan cantidades tan grandes de oxígeno como en la industria. Suele entregarse en cilindros de acero azul en los que está presurizado. En algunos casos, todavía es necesario obtener oxígeno químicamente. Para ello se utilizan reacciones de descomposición.

EXPERIMENTO 1. Vierta una solución de peróxido de hidrógeno en una placa de Petri. A temperatura ambiente, el peróxido de hidrógeno se descompone lentamente (no vemos signos de reacción), pero este proceso se puede acelerar agregando algunos granos de óxido de manganeso (IV) a la solución. Inmediatamente comienzan a aparecer burbujas de gas alrededor de los granos de óxido negro. Esto es oxígeno. No importa cuánto tiempo dure la reacción, los granos de óxido de manganeso (IV) no se disuelven en la solución. Es decir, el óxido de manganeso(IV) participa en la reacción, la acelera, pero no se consume en ella.

Las sustancias que aceleran una reacción pero no se consumen en la reacción se llaman catalizadores.

Las reacciones aceleradas por catalizadores se llaman catalítico.

La aceleración de una reacción por un catalizador se llama catálisis.

Así, el óxido de manganeso (IV) sirve como catalizador en la reacción de descomposición del peróxido de hidrógeno. En la ecuación de reacción, la fórmula del catalizador está escrita encima del signo igual. Anotemos la ecuación de la reacción. Cuando el peróxido de hidrógeno se descompone, se libera oxígeno y se forma agua. La liberación de oxígeno de una solución se muestra mediante una flecha que apunta hacia arriba:

2. Colección unificada de recursos educativos digitales ().

3. Versión electrónica de la revista “Química y Vida” ().

Tarea

Con. 66-67 Nos. 2 – 5 del Libro de ejercicios de química: octavo grado: al libro de texto de P.A. Orzhekovsky y otros “Química. 8vo grado” / O.V. Ushakova, P.I. Bespalov, P.A. Orzhekovsky; bajo. ed. profe. PENSILVANIA. Orzhekovsky - M.: AST: Astrel: Profizdat, 2006.

El oxígeno apareció en la atmósfera terrestre con la aparición de plantas verdes y bacterias fotosintéticas. Gracias al oxígeno, los organismos aeróbicos realizan la respiración o la oxidación. Es importante obtener oxígeno en la industria: se utiliza en metalurgia, medicina, aviación, economía nacional y otras industrias.

Propiedades

El oxígeno es el octavo elemento de la tabla periódica. Es un gas que favorece la combustión y oxida sustancias.

Arroz. 1. Oxígeno en la tabla periódica.

El oxígeno fue descubierto oficialmente en 1774. El químico inglés Joseph Priestley aisló el elemento del óxido de mercurio:

2HgO → 2Hg + O 2 .

Sin embargo, Priestley no sabía que el oxígeno forma parte del aire. Las propiedades y la presencia del oxígeno en la atmósfera fueron determinadas más tarde por el colega de Priestley, el químico francés Antoine Lavoisier.

Características generales del oxígeno:

• gas incoloro;
• no tiene olor ni sabor;
• Mas pesado que el aire;
• la molécula consta de dos átomos de oxígeno (O 2);
• en estado líquido tiene un color azul pálido;
• poco soluble en agua;
• es un fuerte agente oxidante.

Arroz. 2. Oxígeno líquido.

La presencia de oxígeno se puede comprobar fácilmente colocando una astilla humeante en un recipiente que contiene gas. En presencia de oxígeno, la antorcha estalla en llamas.

¿Cómo lo conseguiste?

Existen varios métodos conocidos para producir oxígeno a partir de diversos compuestos en condiciones industriales y de laboratorio. En la industria, el oxígeno se obtiene del aire licuándolo bajo presión y a una temperatura de -183°C. El aire líquido está sujeto a evaporación, es decir. calentar gradualmente. A -196°C, el nitrógeno comienza a evaporarse y el oxígeno permanece líquido.

En el laboratorio, el oxígeno se forma a partir de sales, peróxido de hidrógeno y como resultado de la electrólisis. La descomposición de las sales se produce cuando se calienta. Por ejemplo, el clorato de potasio o la sal de bertolita se calientan a 500°C, y el permanganato de potasio o el permanganato de potasio se calientan a 240°C:

• 2KClO3 → 2KCl + 3O2;
• 2KMnO 4 → K 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2 .

Arroz. 3. Calentar sal Berthollet.

También se puede obtener oxígeno calentando nitrato o nitrato de potasio:

2KNO 3 → 2KNO 2 + O 2 .

Al descomponer el peróxido de hidrógeno, se utiliza como catalizador óxido de manganeso (IV) - MnO 2, carbono o polvo de hierro. La ecuación general se ve así:

2H2O2 → 2H2O + O2.

Una solución de hidróxido de sodio sufre electrólisis. Como resultado, se forman agua y oxígeno:

4NaOH → (electrólisis) 4Na + 2H 2 O + O 2.

El oxígeno también se separa del agua mediante electrólisis, descomponiéndolo en hidrógeno y oxígeno:

2H2O → 2H2 + O2.

En los submarinos nucleares, el oxígeno se obtenía del peróxido de sodio: 2Na 2 O 2 + 2CO 2 → 2Na 2 CO 3 + O 2. El método es interesante porque el dióxido de carbono se absorbe junto con la liberación de oxígeno.

Cómo utilizar

La recolección y el reconocimiento son necesarios para liberar oxígeno puro, que se utiliza en la industria para oxidar sustancias, así como para mantener la respiración en el espacio, bajo el agua y en habitaciones con humo (el oxígeno es necesario para los bomberos). En medicina, los cilindros de oxígeno ayudan a respirar a los pacientes con dificultades respiratorias. El oxígeno también se utiliza para tratar enfermedades respiratorias.

El oxígeno se utiliza para quemar combustibles: carbón, petróleo, gas natural. El oxígeno se utiliza ampliamente en la metalurgia y la ingeniería mecánica, por ejemplo, para fundir, cortar y soldar metales.

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