Question n°2 Comment obtient-on l'oxygène en laboratoire et dans l'industrie ? Écrivez les équations des réactions correspondantes. En quoi ces méthodes diffèrent-elles les unes des autres ?

Répondre:

En laboratoire, l'oxygène peut être obtenu des manières suivantes :

1) Décomposition du peroxyde d'hydrogène en présence d'un catalyseur (oxyde de manganèse

2) Décomposition du sel de Berthollet (chlorate de potassium) :

3) Décomposition du permanganate de potassium :

Dans l’industrie, l’oxygène est obtenu à partir de l’air, qui en contient environ 20 % en volume. L'air est liquéfié sous pression et refroidissement extrême. L'oxygène et l'azote (le deuxième composant principal de l'air) ont des points d'ébullition différents. Ils peuvent donc être séparés par distillation : l’azote a un point d’ébullition inférieur à celui de l’oxygène, donc l’azote s’évapore avant l’oxygène.

Différences entre les méthodes industrielles et de laboratoire pour produire de l'oxygène :

1) Toutes les méthodes de laboratoire pour produire de l'oxygène sont chimiques, c'est-à-dire qu'il y a une transformation de certaines substances en d'autres. Le processus d'obtention de l'oxygène de l'air est un processus physique, car la transformation de certaines substances en d'autres ne se produit pas.

2) L’oxygène peut être obtenu à partir de l’air en quantités beaucoup plus importantes.

L'oxygène est l'un des gaz les plus utilisés par l'humanité ; il est largement utilisé dans presque tous les domaines de notre vie. Métallurgie, industrie chimique, médecine, économie nationale, aviation - ce ne sont là qu'une courte liste de domaines dans lesquels cette substance ne peut être évitée.

L'oxygène est produit selon deux technologies : de laboratoire et industrielle. Les premières méthodes de production de gaz incolore reposaient sur des réactions chimiques. L'oxygène est produit par la décomposition du permanganate de potassium, du sel de Berthollet ou du peroxyde d'hydrogène en présence d'un catalyseur. Cependant, les techniques de laboratoire ne peuvent pas satisfaire pleinement les besoins en cet élément chimique unique.

La deuxième méthode de production d’oxygène est la rectification cryogénique ou utilisant des technologies d’adsorption ou de membrane. La première méthode garantit une grande pureté des produits de séparation, mais a une période de démarrage plus longue (par rapport à la seconde méthode).

Les usines d'oxygène par adsorption se sont révélées être l'un des meilleurs systèmes hautes performances pour la production d'air enrichi en oxygène. Ils permettent d'obtenir un gaz incolore d'une pureté allant jusqu'à 95 % (jusqu'à 99 % avec l'utilisation d'une étape de purification supplémentaire). Leur utilisation est économiquement justifiée, en particulier dans les situations où il n'y a pas besoin d'oxygène de haute pureté, pour lequel il faudrait payer trop cher.

Principales caractéristiques des systèmes cryogéniques

Souhaitez-vous produire de l'oxygène d'une pureté allant jusqu'à 99,9 % ? Faites ensuite attention aux installations fonctionnant sur la base de la technologie cryogénique. Avantages des systèmes de production d'oxygène de haute pureté :

• longue durée de vie de l'installation ;
• hautes performances;
• la capacité d'obtenir de l'oxygène d'une pureté de 95 à 99,9 %.

Mais en raison des grandes dimensions des systèmes cryogéniques, de l'impossibilité de démarrer et d'arrêter rapidement et d'autres facteurs, l'utilisation d'équipements cryogéniques n'est pas toujours recommandée.

Principe de fonctionnement des unités d'adsorption

Le schéma de fonctionnement des systèmes à oxygène utilisant la technologie d'adsorption peut être présenté comme suit :

• l'air comprimé se déplace dans le récepteur, dans le système de traitement de l'air pour éliminer les impuretés mécaniques et filtrer l'humidité goutte à goutte ;
• l'air purifié est envoyé à l'unité de séparation de l'air par adsorption, qui comprend des adsorbeurs avec adsorbant ;
• pendant le fonctionnement, les adsorbeurs sont dans deux états : absorption et régénération ; au stade de l'absorption, l'oxygène pénètre dans le récepteur d'oxygène et l'azote au stade de la génération est rejeté dans l'atmosphère ; après quoi l'oxygène est envoyé au consommateur ;
• si nécessaire, la pression du gaz peut être augmentée à l'aide d'un surpresseur d'oxygène, puis remplie dans des bouteilles.

Les complexes d'adsorption se distinguent par un haut niveau de fiabilité, une automatisation complète, une facilité de maintenance, des dimensions et un poids réduits.

Avantages des systèmes de séparation des gaz

Les installations et stations utilisant la technologie d'adsorption pour produire de l'oxygène sont largement utilisées dans des domaines variés : soudage et coupage des métaux, construction, pisciculture, élevage de moules, de crevettes, etc.

Avantages des systèmes de séparation des gaz :

• la capacité d'automatiser le processus de production d'oxygène ;
• aucune exigence particulière pour les locaux ;
• démarrage et arrêt rapides ;
• haute fiabilité;
• faible coût de l’oxygène produit.

Avantages des installations d'adsorption de NPK Grasys

Êtes-vous intéressé à produire de l’oxygène par des méthodes industrielles ? Souhaitez-vous recevoir de l’oxygène à un coût financier minime ? La société de recherche et de production Grasys vous aidera à résoudre votre problème au plus haut niveau. Nous proposons des systèmes fiables et efficaces pour obtenir de l’oxygène à partir de l’air. Voici les principales caractéristiques distinctives de nos produits :

• automatisation complète ;
• des designs pensés dans les moindres détails ;
• systèmes modernes de surveillance et de contrôle.

L'oxygène produit par nos unités d'adsorption et de séparation d'air a une pureté allant jusqu'à 95 % (avec possibilité de post-traitement jusqu'à 99 %). Le gaz présentant de telles caractéristiques est largement utilisé dans la métallurgie pour le soudage et le coupage des métaux, ainsi que dans l'économie nationale. Les équipements que nous produisons utilisent des technologies modernes qui offrent des capacités uniques dans le domaine de la séparation des gaz.

Caractéristiques de nos usines d’adsorption d’oxygène :

• haute fiabilité;
• faible coût de l'oxygène produit ;
• système innovant de surveillance et de contrôle hautement intelligent ;
• facilité d'entretien;
• la capacité de produire de l'oxygène d'une pureté allant jusqu'à 95 % (avec possibilité de purification supplémentaire jusqu'à 99 %) ;
• la productivité peut atteindre 6 000 m³/h.

Les usines d'oxygène par adsorption de NPK Grasys sont une combinaison unique d'une expérience mondiale en matière de conception dans la production d'équipements de séparation de gaz et de technologies innovantes nationales.

Les principales raisons de coopérer avec NPK Grasys

La méthode industrielle de production d'oxygène à l'aide d'installations basées sur la technologie de l'adsorption est aujourd'hui l'une des plus prometteuses. Il permet d'obtenir un gaz incolore avec des coûts énergétiques minimes de la pureté requise. Une substance présentant ces paramètres est recherchée dans la métallurgie, la construction mécanique, l'industrie chimique et la médecine.

La méthode de rectification cryogénique est la solution optimale lorsqu'il est nécessaire de produire de l'oxygène de haute pureté (jusqu'à 99,9 %).

L'entreprise nationale leader Grasys propose à des conditions avantageuses des systèmes hautement efficaces pour la production d'oxygène utilisant la technologie d'adsorption. Nous possédons une vaste expérience dans la mise en œuvre d’une variété de projets clé en main, nous n’avons donc pas peur même des tâches les plus complexes.

Avantages de travailler avec un équipementier responsable NPK Grasys :

• notre société est un fabricant direct, le coût des installations vendues n'est donc pas augmenté par des commissions intermédiaires supplémentaires ;
• produits de haute qualité ;
• une gamme complète de services de réparation et de maintenance pour les usines de production d'oxygène ;
• approche individuelle de chaque client;
• de nombreuses années d'expérience dans le secteur de la production d'oxygène.

Appelez nos managers pour clarifier les nuances de la coopération.

Plus en détail, vous pouvez vous familiariser avec les équipements d'oxygène (générateurs d'oxygène, installations d'oxygène, stations d'oxygène) sur la page

Histoire de la découverte de l'oxygène La découverte de l'oxygène a marqué une nouvelle période dans le développement de la chimie. On sait depuis l’Antiquité que la combustion nécessite de l’air. Le processus de combustion des substances est resté longtemps flou. À l'ère de l'alchimie, la théorie du phlogistique s'est répandue, selon laquelle les substances brûlent en raison de leur interaction avec la matière ardente, c'est-à-dire avec le phlogistique contenu dans la flamme. L'oxygène a été obtenu par le chimiste anglais Joseph Priestley dans les années 70 du XVIIIe siècle. Le chimiste a chauffé la poudre rouge d'oxyde de mercure (II) et, par conséquent, la substance s'est décomposée, formant du mercure métallique et un gaz incolore :

2HgO t° → 2Hg + O2

Méthodes de production et de collecte d'oxygène en laboratoire

1) Décomposition de l'oxyde de mercure (II)

2) Décomposition du permanganate de potassium

2KMnO4 t° → K2MnO4 + MnO2 + O2

Comment détecter la présence d’oxygène ? Utilisons la méthode de Priestley. Allumons un éclat de bois, laissons-le brûler un peu, puis éteignons-le pour qu'il couver à peine. Abaissons l'éclat fumant dans un récipient contenant de l'oxygène. La torche brille fort ! Tuyau de sortie de gaz n'a pas été abaissé accidentellement au fond du navire récepteur. L'oxygène est plus lourd que l'air, il s'accumulera donc au bas du récepteur, en chassant l'air. L'oxygène peut également être collecté en déplaçant l'eau. Pour ce faire, le tube de sortie de gaz doit être descendu dans un tube à essai rempli d'eau et descendu dans un cristalliseur avec de l'eau avec le trou vers le bas. Lorsque l’oxygène entre, le gaz chasse l’eau du tube à essai.

Décomposition du peroxyde d'hydrogène

Catalyseur– une substance qui accélère la vitesse d’une réaction chimique

Versez du peroxyde d'hydrogène dans le ballon et ajoutez un catalyseur au liquide. Le catalyseur peut être de la poudre noire - oxyde de manganèse MnO2. Immédiatement, le mélange commencera à mousser en raison de la libération d'une grande quantité d'oxygène. Apportons un éclat fumant dans le flacon - il s'enflamme vivement. L’équation de réaction pour la décomposition du peroxyde d’hydrogène est :

2H2O2MnO2 → 2H2O + O2

Attention : le catalyseur qui accélère la réaction est inscrit au dessus de la flèche ou du signe «=», car il n'est pas consommé lors de la réaction, mais ne fait que l'accélérer.

Décomposition du chlorate de potassium

2KClO3 t°, MnO2 → 2KCl + 3O2.

Décomposition des nitrates

AB → A + B.

Des réactions de décomposition peuvent se produire sous l’influence de divers facteurs. Il peut s'agir de chauffage, de courant électrique ou de l'utilisation d'un catalyseur. Il existe des réactions dans lesquelles les substances se décomposent spontanément.

Production d'oxygène dans l'industrie

• En laboratoire, l'oxygène est produit par des réactions de décomposition
• Réaction de décomposition- une réaction à la suite de laquelle des substances complexes sont décomposées en substances plus simples
• L'oxygène peut être collecté par la méthode de déplacement d'air ou la méthode de déplacement d'eau
• Pour détecter l'oxygène, un éclat fumant est utilisé ; il y brille vivement ;
• Catalyseur- une substance qui accélère une réaction chimique, mais qui n'y est pas consommée

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Publié le http://www.allbest.ru//

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Ministère de l'Éducation et des Sciences de la Fédération de Russie

MBOU "Gymnase n°1 de Vladivostok"

séparation de l'air par turbodétendeur d'oxygène

"Production d'oxygène dans l'industrie"

Travail réalisé par : Kadysheva Eva

Élève de 8e année "B"

Gymnase MBOU n°1

Superviseur scientifique : Kovalenko N.S.

Vladivostok2016

1.Introduction

L'oxygène constitue non seulement une part importante de l'air atmosphérique, de la croûte terrestre et de l'eau potable, mais il occupe également 65 % du poids corporel humain, étant l'élément chimique le plus important dans la structure du corps humain. Ce gaz est l’une des substances les plus utilisées ; il est utilisé dans presque tous les domaines de l’activité humaine en raison de ses propriétés chimiques et physiques.

L'OXYGÈNE est un élément chimique de numéro atomique 8 et de masse atomique 16. Dans le tableau périodique des éléments de Mendeleïev, l'oxygène se situe dans la deuxième période du groupe VIA. Sous sa forme libre, l’oxygène est un gaz incolore, inodore et insipide.

Le développement de la production d'oxygène et son utilisation comme intensificateur pour de nombreux processus technologiques sont l'un des facteurs du progrès technique moderne, car ils permettent d'augmenter la productivité du travail et d'assurer la croissance de la production dans un certain nombre d'industries importantes.

Objectif : Recherche de technologies pour la production industrielle d'oxygène

Étudier l’histoire de la production d’oxygène dans l’industrie ;

Identifier les avantages et les inconvénients de chaque méthode d'obtention ;

Trouver des applications de l'oxygène

2.Informations historiques

Les installations modernes de séparation de l'air, dans lesquelles le froid est produit à l'aide de turbodétendeurs, fournissent à l'industrie, principalement à la métallurgie et à la chimie, des centaines de milliers de mètres cubes d'oxygène gazeux. Ils travaillent non seulement ici, mais partout dans le monde.

Le premier prototype de turbodétendeur créé par P. L. Kapitsa était petit. Et ce turbodétendeur est devenu le « cœur » de la première installation de production d’oxygène selon un nouveau procédé.

En 1942, une installation similaire, mais beaucoup plus puissante, fut construite, produisant jusqu'à 200 kg d'oxygène liquide par heure. À la fin de 1944, l'installation de turbo-oxygène la plus puissante au monde a été mise en service, produisant 6 à 7 fois plus d'oxygène liquide que l'installation de type ancien et occupant en même temps 3 à 4 fois moins de surface.

Une unité moderne de séparation de l'air BR-2, dont la conception utilise également un turbodétendeur, pourrait fournir trois litres d'oxygène gazeux à chaque résident de l'URSS en une journée de fonctionnement.

Le 30 avril 1945, Mikhaïl Ivanovitch Kalinine a signé un décret attribuant à l'académicien P.L. Kapitsa a reçu le titre de Héros du travail socialiste « pour le développement réussi d'une nouvelle méthode de production d'oxygène par turbine et pour la création d'une puissante usine de turbo-oxygène ». L'Institut des problèmes physiques de l'Académie des sciences de l'URSS, où ce travail a été effectué, a reçu l'Ordre du Drapeau rouge du travail.

3. Modalités d'obtention

3.1 Méthode de séparation cryogénique de l'air

L'air atmosphérique déshumidifié est un mélange contenant 21 % d'oxygène et 78 % d'azote en volume, de l'argon 0,9 % et d'autres gaz inertes, du dioxyde de carbone, de la vapeur d'eau, etc. Pour obtenir des gaz atmosphériques techniquement purs, l'air est soumis à un refroidissement en profondeur et liquéfié ( température d'ébullition de l'air liquide à pression atmosphérique -194,5°C.)

Le processus ressemble à ceci : l'air aspiré par un compresseur à plusieurs étages passe d'abord à travers un filtre à air, où il est nettoyé de la poussière, passe à travers un séparateur d'humidité, où l'eau qui se condense lors de la compression de l'air est séparée, et un filtre à eau refroidisseur, qui refroidit l'air et évacue la chaleur générée lors de la compression. Pour absorber le dioxyde de carbone de l'air, un décarbonateur est allumé, rempli d'une solution aqueuse de soude caustique. L'élimination complète de l'humidité et du dioxyde de carbone de l'air est essentielle, car le gel de l'eau et du dioxyde de carbone à basse température obstrue les canalisations et l'installation doit être arrêtée pour dégel et purge.

Après avoir traversé la batterie de séchage, l'air comprimé pénètre dans ce que l'on appelle le détendeur, où une forte expansion se produit et, en conséquence, il est refroidi et liquéfié. L'air liquide résultant est soumis à une distillation fractionnée ou à une rectification dans des colonnes de distillation. Avec l'évaporation progressive de l'air liquide, c'est principalement l'azote qui s'évapore en premier et le liquide restant s'enrichit de plus en plus en oxygène. En répétant plusieurs fois un processus similaire sur les plateaux de distillation des colonnes de séparation d'air, on obtient de l'oxygène liquide, de l'azote et de l'argon de la pureté requise.

La méthode cryogénique de séparation de l'air permet d'obtenir des gaz de la plus haute qualité - oxygène jusqu'à 99,9 %

3.2 Méthode de séparation de l'air par adsorption

La séparation cryogénique de l'air, avec tous ses paramètres de qualité, est une méthode assez coûteuse pour produire des gaz industriels. La méthode d'adsorption de séparation de l'air, basée sur l'absorption sélective d'un gaz particulier par des adsorbants, est une méthode non cryogénique et est largement utilisée en raison des avantages suivants :

capacité de séparation élevée des composants adsorbés en fonction du choix de l'adsorbant ;

démarrage et arrêt rapides par rapport aux installations cryogéniques ;

Une plus grande flexibilité d'installation, c'est-à-dire la possibilité de changer rapidement le mode de fonctionnement, la productivité et la propreté en fonction des besoins ;

régulation de mode automatique ;

possibilité de contrôle à distance ;

faibles coûts énergétiques par rapport aux blocs cryogéniques ;

conception matérielle simple ;

faibles coûts de maintenance;

faible coût des installations par rapport aux technologies cryogéniques ;

La méthode d’adsorption est utilisée pour produire de l’azote et de l’oxygène, car elle offre d’excellents paramètres de qualité à faible coût.

3.3 Méthode de séparation de l'air par membrane

La méthode de séparation de l'air par membrane est basée sur le principe de perméabilité sélective des membranes. Il s'agit de la différence des taux de pénétration des gaz à travers une membrane polymère avec une différence de pressions partielles. De l'air comprimé purifié est fourni à la membrane. Dans ce cas, les « gaz rapides » traversent la membrane dans une zone à basse pression et, à la sortie de la membrane, s'enrichissent d'un composant facilement pénétrant. La partie restante de l'air est saturée de « gaz lents » et évacuée de l'appareil.

La méthode membranaire de production industrielle d’oxygène se caractérise par de faibles coûts énergétiques et de fonctionnement. Cependant, cette méthode permet d'obtenir de l'oxygène de faible pureté jusqu'à 45 %.

4.Utilisation de l'oxygène

Les premiers chercheurs sur l’oxygène ont remarqué qu’il était plus facile de respirer dans son atmosphère. Ils ont prédit l'utilisation généralisée de ce gaz vital en médecine et même dans la vie quotidienne comme moyen d'améliorer les fonctions vitales du corps humain.

Mais avec une étude plus approfondie, il s'est avéré qu'une inhalation prolongée d'oxygène pur par une personne peut provoquer des maladies, voire la mort : le corps humain n'est pas adapté à la vie dans l'oxygène pur.

Actuellement, l'oxygène pur n'est utilisé pour l'inhalation que dans certains cas : par exemple, les personnes gravement atteintes de tuberculose pulmonaire se voient proposer d'inhaler de l'oxygène par petites portions. Les aéronautes et les pilotes utilisent des appareils à oxygène lors des vols à haute altitude. Les membres des équipes de secours en montagne sont souvent contraints de travailler dans une atmosphère dépourvue d'oxygène. Pour respirer, ils utilisent un appareil dans lequel la composition de l'air nécessaire à la respiration est maintenue en ajoutant de l'oxygène à partir de bouteilles situées dans le même appareil.

La majeure partie de l'oxygène produit dans l'industrie est actuellement utilisée pour y brûler diverses substances afin d'obtenir une température très élevée.

Par exemple, le gaz acétylène inflammable (C2H2) est mélangé à de l'oxygène et brûlé dans des brûleurs spéciaux. La flamme de ce brûleur est si chaude qu'elle fait fondre le fer. Par conséquent, un chalumeau oxygène-acétylène est utilisé pour souder des produits en acier. Ce type de soudage est appelé soudage autogène.

L'oxygène liquide est utilisé pour préparer des mélanges explosifs. Des cartouches spéciales sont remplies de bois broyé (farine de bois) ou d'autres substances inflammables broyées et cette masse inflammable est humidifiée avec de l'oxygène liquide. Lorsqu'un tel mélange s'enflamme, la combustion se produit très rapidement, produisant une grande quantité de gaz chauffés à très haute température. La pression de ces gaz peut faire exploser des roches ou projeter de grandes quantités de terre. Ce mélange explosif est utilisé dans la construction de canaux, lors du creusement de tunnels, etc.

Récemment, de l'oxygène a été ajouté à l'air pour augmenter la température dans les fours lors de la fusion du fer et de l'acier. Grâce à cela, la production d'acier est accélérée et sa qualité s'améliore.

Conclusion

Au cours des travaux de recherche, l'objectif et les tâches assignées ont été atteints.

Les besoins qui ont commencé à apparaître dans divers domaines de l’activité humaine ont posé des défis aux scientifiques chimistes qui ont dû trouver de nouveaux moyens plus productifs et moins coûteux d’obtenir de l’oxygène pur.

Dans notre pays, de nouvelles stations et ateliers de production d'oxygène sont mis en service chaque année et ceux existants sont agrandis.

L'air atmosphérique est une source inépuisable de matières premières pour la production industrielle d'oxygène. Dans le même temps, l'azote et l'acétylène sont produits simultanément avec l'oxygène, ce qui a un effet positif sur le processus de séparation économique.

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L'oxygène (O 2) est un gaz chimiquement actif sans couleur, sans goût ni odeur.

Le moyen le plus simple d'obtenir de l'oxygène est de l'air, car l'air n'est pas un composé et le diviser en ses éléments n'est pas si difficile.

La principale méthode industrielle de production d'oxygène à partir de l'air est la rectification cryogénique, lorsque l'air liquide est séparé en composants dans des colonnes de distillation de la même manière que, par exemple, le pétrole est divisé. Mais pour transformer l’air atmosphérique en liquide, il faut le refroidir à moins 196°C. Pour ce faire, il faut comprimer ce dernier puis le laisser se dilater et en même temps le forcer à produire un travail mécanique. Ensuite, conformément aux lois de la physique, l’air doit se refroidir. Les machines dans lesquelles cela se produit sont appelées extenseurs. Les installations cryogéniques modernes de séparation de l'air, dans lesquelles le froid est obtenu à l'aide de turbodétendeurs, fournissent à l'industrie, principalement à la métallurgie et à la chimie, des centaines de milliers de mètres cubes d'oxygène gazeux.

Les unités de séparation d'air basées sur la technologie à membrane ou à adsorption sont également utilisées avec succès dans l'industrie.

Application de l'oxygène dans l'industrie et la médecine