การได้รับออกซิเจน - ไฮเปอร์มาร์เก็ตแห่งความรู้ สมบัติทางเคมีและกายภาพ การประยุกต์และการผลิตออกซิเจน วิธีการสร้างปฏิกิริยาออกซิเจน

คุณสมบัติของออกซิเจนและวิธีการได้มา

ออกซิเจน O2 เป็นองค์ประกอบที่มีมากที่สุดในโลก พบในปริมาณมากในรูปของสารประกอบเคมีที่มีสารต่างๆ ในเปลือกโลก (มากถึง 50% โดยน้ำหนัก) ร่วมกับไฮโดรเจนในน้ำ (ประมาณ 86% โดยน้ำหนัก) และในสถานะอิสระในอากาศในชั้นบรรยากาศใน ส่วนผสมหลักมีไนโตรเจนในปริมาณ 20.93% โดยปริมาตร (23.15% น้ำหนัก)

ออกซิเจนมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อเศรษฐกิจของประเทศ มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านโลหะวิทยา อุตสาหกรรมเคมี สำหรับการแปรรูปโลหะด้วยเปลวไฟแก๊ส การขุดเจาะหินแข็งด้วยไฟ การทำให้ถ่านหินกลายเป็นก๊าซใต้ดิน ในด้านการแพทย์และเครื่องช่วยหายใจต่างๆ เช่น ในเที่ยวบินที่สูง และในพื้นที่อื่นๆ

ภายใต้สภาวะปกติ ออกซิเจนจะเป็นก๊าซที่ไม่มีสี ไม่มีกลิ่น และไม่มีรส ซึ่งไม่ติดไฟ แต่สนับสนุนการเผาไหม้อย่างแข็งขัน ที่อุณหภูมิต่ำมาก ออกซิเจนจะกลายเป็นของเหลวและแม้แต่ของแข็ง

ค่าคงที่ทางกายภาพที่สำคัญที่สุดของออกซิเจนมีดังนี้:

ออกซิเจนมีฤทธิ์ทางเคมีที่ดีเยี่ยมและก่อตัวเป็นสารประกอบกับองค์ประกอบทางเคมีทั้งหมด ยกเว้นก๊าซหายาก ปฏิกิริยาของออกซิเจนกับสารอินทรีย์มีลักษณะคายความร้อนเด่นชัด ดังนั้น เมื่อออกซิเจนอัดทำปฏิกิริยากับไขมันหรือสารที่ติดไฟได้ที่เป็นของแข็งที่กระจายตัวละเอียด จะเกิดออกซิเดชันทันทีและความร้อนที่เกิดขึ้นจะทำให้เกิดการเผาไหม้ได้เองของสารเหล่านี้ ซึ่งอาจก่อให้เกิดไฟไหม้หรือการระเบิดได้ ต้องคำนึงถึงคุณสมบัตินี้เป็นพิเศษเมื่อใช้งานอุปกรณ์ออกซิเจน

คุณสมบัติที่สำคัญอย่างหนึ่งของออกซิเจนคือความสามารถในการสร้างส่วนผสมที่ระเบิดได้กับก๊าซไวไฟและไอระเหยไวไฟของเหลวในช่วงกว้าง ซึ่งอาจนำไปสู่การระเบิดต่อหน้าเปลวไฟหรือแม้แต่ประกายไฟ ส่วนผสมของอากาศกับก๊าซหรือเชื้อเพลิงไอก็สามารถระเบิดได้เช่นกัน

สามารถรับออกซิเจนได้: 1) โดยวิธีทางเคมี; 2) กระแสไฟฟ้าของน้ำ 3) ทางกายภาพจากอากาศ

วิธีทางเคมีที่เกี่ยวข้องกับการผลิตออกซิเจนจากสารต่างๆ ไม่ได้ผล และปัจจุบันมีความสำคัญทางห้องปฏิบัติการเท่านั้น

อิเล็กโทรไลซิสของน้ำ เช่น การสลายตัวเป็นส่วนประกอบ - ไฮโดรเจนและออกซิเจน ดำเนินการในอุปกรณ์ที่เรียกว่าอิเล็กโทรไลเซอร์ กระแสตรงถูกส่งผ่านน้ำซึ่งมีการเติมโซดาไฟ NaOH เพื่อเพิ่มการนำไฟฟ้า ออกซิเจนสะสมที่ขั้วบวกและไฮโดรเจนสะสมที่แคโทด ข้อเสียของวิธีนี้คือการใช้พลังงานสูง: ใช้พลังงาน 12-15 kW ต่อ 1 m 3 0 2 (นอกจากนี้ได้รับ 2 m 3 N 2) ซ. วิธีการนี้สมเหตุสมผลเมื่อมีไฟฟ้าราคาถูกเช่นเดียวกับในการผลิตไฮโดรเจนด้วยไฟฟ้าเมื่อออกซิเจนเป็นของเสีย

วิธีการทางกายภาพคือการแยกอากาศออกเป็นส่วนประกอบต่างๆ โดยใช้การทำความเย็นแบบลึก วิธีนี้ทำให้สามารถรับออกซิเจนได้ในปริมาณเกือบไม่จำกัด และมีความสำคัญทางอุตสาหกรรมเป็นอย่างมาก ปริมาณการใช้ไฟฟ้าต่อ 1 m 3 O 2 คือ 0.4-1.6 kW h ขึ้นอยู่กับประเภทของการติดตั้ง

การได้รับออกซิเจนจากอากาศ

อากาศในบรรยากาศส่วนใหญ่เป็นส่วนผสมเชิงกลของก๊าซสามชนิดที่มีปริมาณปริมาตรดังต่อไปนี้: ไนโตรเจน - 78.09%, ออกซิเจน - 20.93%, อาร์กอน - 0.93% นอกจากนี้ยังมีคาร์บอนไดออกไซด์ประมาณ 0.03% และก๊าซหายาก ไฮโดรเจน ไนตรัสออกไซด์ ฯลฯ จำนวนเล็กน้อย

หน้าที่หลักในการรับออกซิเจนจากอากาศคือการแยกอากาศออกเป็นออกซิเจนและไนโตรเจน ระหว่างทางอาร์กอนจะถูกแยกออก ซึ่งการใช้วิธีเชื่อมแบบพิเศษนั้นเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง เช่นเดียวกับก๊าซหายากซึ่งมีบทบาทสำคัญในหลายอุตสาหกรรม ไนโตรเจนมีประโยชน์บางประการในการเชื่อมเป็นแก๊สป้องกัน ในด้านการแพทย์และด้านอื่นๆ

สาระสำคัญของวิธีการคือการทำให้อากาศเย็นลงลึกโดยเปลี่ยนให้เป็นสถานะของเหลวซึ่งสามารถทำได้ที่ความดันบรรยากาศปกติในช่วงอุณหภูมิตั้งแต่ -191.8 ° C (จุดเริ่มต้นของการทำให้เป็นของเหลว) ถึง -193.7 ° C (สิ้นสุดการทำให้เป็นของเหลว) ).

การแยกของเหลวออกเป็นออกซิเจนและไนโตรเจนทำได้โดยใช้ความแตกต่างของอุณหภูมิจุดเดือด ได้แก่ T bp o2 = -182.97°ซ; อุณหภูมิจุดเดือด N2 = -195.8° C (ที่ 760 มม. ปรอท)

ด้วยการระเหยของของเหลวทีละน้อย ไนโตรเจนซึ่งมีจุดเดือดต่ำกว่าจะผ่านเข้าสู่สถานะก๊าซก่อน และในขณะที่ปล่อยออกมา ของเหลวก็จะมีออกซิเจนเพิ่มมากขึ้น การทำกระบวนการนี้ซ้ำหลายครั้งทำให้สามารถรับออกซิเจนและไนโตรเจนตามความบริสุทธิ์ที่ต้องการได้ วิธีการแยกของเหลวออกเป็นส่วนประกอบต่างๆ นี้เรียกว่าการแก้ไข

ในการผลิตออกซิเจนจากอากาศ มีองค์กรเฉพาะทางที่ติดตั้งหน่วยประสิทธิภาพสูง นอกจากนี้ สถานประกอบการด้านโลหะการขนาดใหญ่ยังมีสถานีออกซิเจนเป็นของตัวเอง

อุณหภูมิต่ำที่จำเป็นในการทำให้อากาศกลายเป็นของเหลวได้มาจากการใช้สิ่งที่เรียกว่าวงจรการทำความเย็น วงจรการทำความเย็นหลักที่ใช้ในการติดตั้งสมัยใหม่มีการอภิปรายสั้นๆ ด้านล่างนี้

วงจรการทำความเย็นที่มีการควบคุมปริมาณอากาศจะขึ้นอยู่กับผลกระทบของจูล-ทอมสัน กล่าวคือ อุณหภูมิของก๊าซลดลงอย่างรวดเร็วระหว่างการขยายตัวอย่างอิสระ แผนภาพวงจรจะแสดงในรูป 2.

อากาศถูกอัดในคอมเพรสเซอร์แบบหลายขั้นตอน 1 ถึง 200 kgf/cm2 จากนั้นไหลผ่านตู้เย็น 2 โดยมีน้ำไหล การระบายความร้อนของอากาศอย่างล้ำลึกเกิดขึ้นในตัวแลกเปลี่ยนความร้อน 3 โดยการไหลย้อนกลับของก๊าซเย็นจากตัวสะสมของเหลว (ของเหลว) ​​4 อันเป็นผลมาจากการขยายตัวของอากาศในวาล์วปีกผีเสื้อ 5 ทำให้เย็นลงเพิ่มเติมและบางส่วน เหลว

ความดันในตัวสะสม 4 ถูกควบคุมภายใน 1-2 kgf/cm 2 ของเหลวจะถูกระบายออกจากคอลเลกชันเป็นระยะลงในภาชนะพิเศษผ่านวาล์ว 6 ส่วนที่ไม่เป็นของเหลวจะถูกระบายออกผ่านเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ซึ่งจะทำให้อากาศที่เข้ามาส่วนใหม่เย็นลง

การระบายความร้อนของอากาศจนถึงอุณหภูมิการทำให้เป็นของเหลวจะเกิดขึ้นทีละน้อย เมื่อเปิดการติดตั้ง จะมีช่วงเริ่มต้นในระหว่างที่ไม่มีการสังเกตการไหลของอากาศ แต่จะเกิดเฉพาะการระบายความร้อนของการติดตั้งเท่านั้น ช่วงนี้ใช้เวลาหลายชั่วโมง

ข้อดีของวงจรคือความเรียบง่าย แต่ข้อเสียคือการใช้พลังงานค่อนข้างสูง - มากถึง 4.1 กิโลวัตต์ h ต่ออากาศเหลว 1 กิโลกรัมที่ความดันคอมเพรสเซอร์ 200 kgf/cm 2; ที่ความดันต่ำ การใช้พลังงานจำเพาะจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว วงจรนี้ใช้ในการติดตั้งที่มีความจุต่ำและปานกลางเพื่อผลิตก๊าซออกซิเจน

วงจรที่มีการควบคุมปริมาณและการทำความเย็นอากาศล่วงหน้าด้วยแอมโมเนียค่อนข้างซับซ้อนกว่า

วงจรการทำความเย็นแรงดันปานกลางที่มีการขยายตัวในตัวขยายจะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของก๊าซที่ลดลงระหว่างการขยายตัวพร้อมกับการกลับมาของงานภายนอก นอกจากนี้ยังใช้เอฟเฟ็กต์จูล-ทอมสันด้วย แผนภาพวงจรจะแสดงในรูป 3.

อากาศถูกอัดในคอมเพรสเซอร์ 1 ถึง 20-40 kgf/cm 2 ผ่านตู้เย็น 2 จากนั้นผ่านตัวแลกเปลี่ยนความร้อน 3 และ 4 หลังจากตัวแลกเปลี่ยนความร้อน 3 อากาศส่วนใหญ่ (70-80%) จะถูกส่งไปยังส่วนขยายลูกสูบ เครื่องขยาย 6 และอากาศส่วนเล็ก ๆ (20-30%) ไปเพื่อการขยายตัวอย่างอิสระในวาล์วปีกผีเสื้อ 5 จากนั้นเข้าสู่คอลเลกชัน 7 ซึ่งมีวาล์ว 8 สำหรับระบายของเหลว ในเครื่องขยาย 6

อากาศที่ระบายความร้อนในตัวแลกเปลี่ยนความร้อนตัวแรกทำงานได้ - มันดันลูกสูบของเครื่องความดันลดลงเหลือ 1 กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร 2 เนื่องจากอุณหภูมิลดลงอย่างรวดเร็ว จากเครื่องขยาย อากาศเย็นซึ่งมีอุณหภูมิประมาณ -100 ° C จะถูกระบายออกภายนอกผ่านตัวแลกเปลี่ยนความร้อน 4 และ 3 เพื่อทำให้อากาศที่เข้ามาเย็นลง ดังนั้นตัวขยายจึงให้การระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพมากในการติดตั้งที่แรงดันค่อนข้างต่ำในคอมเพรสเซอร์ งานของเครื่องขยายถูกนำมาใช้อย่างมีประโยชน์และเป็นการชดเชยพลังงานบางส่วนที่ใช้ในการอัดอากาศในคอมเพรสเซอร์

ข้อดีของวงจรนี้คือ: แรงดันในการอัดค่อนข้างต่ำ ซึ่งทำให้การออกแบบคอมเพรสเซอร์ง่ายขึ้น และความสามารถในการทำความเย็นที่เพิ่มขึ้น (ด้วยตัวขยาย) ซึ่งช่วยให้มั่นใจได้ถึงการทำงานที่มั่นคงของการติดตั้งเมื่อนำออกซิเจนในรูปของเหลว

วงจรทำความเย็นแรงดันต่ำพร้อมการขยายตัวในตัวเทอร์โบเอ็กซ์แพนเดอร์ พัฒนาโดย Acad P. L. Kapitsa มีพื้นฐานมาจากการใช้อากาศความดันต่ำโดยการผลิตความเย็นผ่านการขยายตัวของอากาศนี้ในกังหันอากาศ (เทอร์โบเอ็กซ์แพนเดอร์) กับการผลิตงานภายนอกเท่านั้น แผนภาพวงจรจะแสดงในรูป 4.

อากาศถูกอัดโดยเทอร์โบคอมเพรสเซอร์ 1 ถึง 6-7 กก./ซม.2 ระบายความร้อนด้วยน้ำในตู้เย็น 2 และจ่ายให้กับรีเจนเนอเรเตอร์ 3 (ตัวแลกเปลี่ยนความร้อน) ซึ่งจะถูกทำให้เย็นลงโดยการไหลย้อนกลับของอากาศเย็น อากาศมากถึง 95% หลังจากที่รีเจนเนอเรเตอร์ถูกส่งไปยังเทอร์โบเอ็กซ์แพนเดอร์ 4 แล้วขยายเป็นความดันสัมบูรณ์ที่ 1 กก./ซม. 2 โดยทำงานภายนอกและทำให้เย็นลงอย่างรวดเร็ว หลังจากนั้นจึงจ่ายให้กับพื้นที่ท่อของคอนเดนเซอร์ 5 และควบแน่นอากาศอัดส่วนที่เหลือ (5%) เข้าสู่วงแหวน จากคอนเดนเซอร์ 5 การไหลของอากาศหลักจะถูกส่งไปยังรีเจนเนอเรเตอร์และทำให้อากาศที่เข้ามาเย็นลงและอากาศของเหลวจะถูกส่งผ่านวาล์วปีกผีเสื้อ 6 ไปยังคอลเลกชัน 7 จากนั้นจะถูกระบายผ่านวาล์ว 8 แผนภาพแสดงรีเจนเนอเรเตอร์หนึ่งตัว แต่ในความเป็นจริงแล้วมีอยู่หลายรายการและเปิดทีละรายการ

ข้อดีของวงจรแรงดันต่ำที่มีเทอร์โบเอ็กซ์แพนเดอร์คือ: ประสิทธิภาพที่สูงกว่าของเครื่องจักรเทอร์โบเมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องจักรแบบลูกสูบ, ลดความซับซ้อนของโครงร่างเทคโนโลยี, เพิ่มความน่าเชื่อถือและความปลอดภัยในการระเบิดของการติดตั้ง วงจรนี้ใช้ในการติดตั้งที่มีความจุสูง

การแยกอากาศของเหลวออกเป็นส่วนประกอบนั้นดำเนินการผ่านกระบวนการแก้ไขสาระสำคัญคือส่วนผสมของไนโตรเจนและออกซิเจนที่เป็นไอที่เกิดขึ้นระหว่างการระเหยของอากาศของเหลวจะถูกส่งผ่านของเหลวที่มีปริมาณออกซิเจนต่ำกว่า เนื่องจากมีออกซิเจนในของเหลวน้อยกว่าและมีไนโตรเจนมากกว่า จึงมีอุณหภูมิต่ำกว่าไอน้ำที่ไหลผ่าน และทำให้เกิดการควบแน่นของออกซิเจนจากไอน้ำและการทำให้ของเหลวเพิ่มขึ้นพร้อมกับการระเหยของไนโตรเจนจากของเหลวไปพร้อมกัน กล่าวคือ การเสริมสมรรถนะของไอเหนือของเหลว

แนวคิดเกี่ยวกับสาระสำคัญของกระบวนการแก้ไขสามารถกำหนดได้จากรูปที่แสดงในรูปที่ 5 เป็นแผนภาพอย่างง่ายของกระบวนการระเหยซ้ำและการควบแน่นของอากาศของเหลว

เราถือว่าอากาศประกอบด้วยไนโตรเจนและออกซิเจนเท่านั้น ลองจินตนาการว่ามีภาชนะหลายใบ (I-V) เชื่อมต่อถึงกัน ภาชนะด้านบนมีอากาศเหลวที่มีออกซิเจน 21% ด้วยการจัดเรียงของภาชนะแบบขั้นบันไดของเหลวจะไหลลงมาและในเวลาเดียวกันก็ค่อยๆอุดมด้วยออกซิเจนและอุณหภูมิก็จะเพิ่มขึ้น

สมมติว่าในภาชนะ II มีของเหลวที่มี 30% 0 2 ในภาชนะ III - 40% ในภาชนะ IV - 50% และในภาชนะ V - ออกซิเจน 60%

ในการกำหนดปริมาณออกซิเจนในเฟสไอเราจะใช้กราฟพิเศษ - รูปที่. 6 เส้นโค้งที่แสดงปริมาณออกซิเจนในของเหลวและไอที่ความดันต่างๆ

เรามาเริ่มระเหยของเหลวในภาชนะ V ด้วยความดันสัมบูรณ์ 1 kgf/cm2 กัน ดังที่เห็นได้จากรูป 6 เหนือของเหลวในภาชนะนี้ประกอบด้วย 60% 0 2 และ 40% N 2 อาจมีองค์ประกอบไอสมดุลที่มี 26.5% 0 2 และ 73.5% N 2 โดยมีอุณหภูมิเท่ากับของเหลว . เราป้อนไอน้ำนี้ลงในภาชนะ IV ซึ่งของเหลวมีเพียง 50% 0 2 และ 50% N 2 และจะเย็นกว่า จากรูป 6 แสดงให้เห็นว่าไอเหนือของเหลวนี้สามารถมีเพียง 19% 0 2 และ 81% N 2 และในกรณีนี้เท่านั้น อุณหภูมิของมันจะเท่ากับอุณหภูมิของของเหลวในภาชนะนี้

ดังนั้น ไอน้ำที่จ่ายไปยังถัง IV จากถัง V ซึ่งมี 26.5% O 2 มีอุณหภูมิสูงกว่าของเหลวในถัง IV ดังนั้นออกซิเจนของไอจึงควบแน่นในของเหลวของภาชนะ IV และส่วนหนึ่งของไนโตรเจนจากนั้นจะระเหยไป เป็นผลให้ของเหลวในภาชนะ IV จะได้รับการเสริมสมรรถนะด้วยออกซิเจน และไอที่อยู่ด้านบนจะเสริมสมรรถนะด้วยไนโตรเจน

กระบวนการที่คล้ายกันจะเกิดขึ้นในภาชนะอื่น ดังนั้นเมื่อระบายจากภาชนะด้านบนลงสู่ภาชนะด้านล่าง ของเหลวจะถูกทำให้อุดมด้วยออกซิเจน ควบแน่นจากไอระเหยที่เพิ่มขึ้นและให้ไนโตรเจนแก่พวกมัน

เมื่อดำเนินกระบวนการต่อไปคุณจะได้รับไอน้ำที่ประกอบด้วยไนโตรเจนเกือบบริสุทธิ์และในส่วนล่าง - ออกซิเจนเหลวบริสุทธิ์ ในความเป็นจริง กระบวนการแก้ไขที่เกิดขึ้นในคอลัมน์การกลั่นของโรงงานออกซิเจนนั้นซับซ้อนกว่าที่อธิบายไว้มาก แต่เนื้อหาพื้นฐานของมันเหมือนกัน

โดยไม่คำนึงถึงรูปแบบเทคโนโลยีของการติดตั้งและประเภทของวงจรทำความเย็นกระบวนการผลิตออกซิเจนจากอากาศรวมถึงขั้นตอนต่อไปนี้:

1) ทำความสะอาดอากาศจากฝุ่น ไอน้ำ และคาร์บอนไดออกไซด์ การจับกับ CO 2 ทำได้โดยการส่งอากาศผ่านสารละลาย NaOH ที่เป็นน้ำ

2) การอัดอากาศในคอมเพรสเซอร์ตามด้วยการทำความเย็นในตู้เย็น

3) การระบายความร้อนของอากาศอัดในตัวแลกเปลี่ยนความร้อน

4) การขยายตัวของอากาศอัดในวาล์วปีกผีเสื้อหรือตัวขยายเพื่อทำให้เย็นและทำให้เป็นของเหลว

5) การทำให้เป็นของเหลวและการแก้ไขอากาศเพื่อผลิตออกซิเจนและไนโตรเจน

6) ระบายออกซิเจนเหลวลงในถังที่อยู่กับที่และปล่อยออกซิเจนที่เป็นก๊าซลงในถังแก๊ส

7) การควบคุมคุณภาพของออกซิเจนที่ผลิต

8) เติมถังขนส่งด้วยออกซิเจนเหลวและเติมถังออกซิเจนด้วยก๊าซ

คุณภาพของออกซิเจนที่เป็นก๊าซและของเหลวได้รับการควบคุมโดย GOST ที่เกี่ยวข้อง

ตาม GOST 5583-58 ออกซิเจนทางเทคนิคของก๊าซผลิตได้ในสามเกรด: สูงสุด - มีเนื้อหาไม่น้อยกว่า 99.5% O 2, ที่ 1 - ไม่น้อยกว่า 99.2% O 2 และ 2 - ไม่น้อยกว่า 98.5% O 2 , ส่วนที่เหลือคืออาร์กอนและไนโตรเจน (0.5-1.5%) ปริมาณความชื้นไม่ควรเกิน 0.07 g/f 3 ออกซิเจนที่ได้จากการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าไม่ควรมีไฮโดรเจนเกิน 0.7% โดยปริมาตร

ตาม GOST 6331-52 ออกซิเจนเหลวผลิตได้ในสองเกรด: เกรด A ที่มีเนื้อหาอย่างน้อย 99.2% O 2 และเกรด B ที่มีเนื้อหาอย่างน้อย 98.5% O 2 . ปริมาณอะเซทิลีนในออกซิเจนเหลวไม่ควรเกิน 0.3 ซม. 3 /ลิตร

ออกซิเจนในกระบวนการผลิตที่ใช้เพื่อเพิ่มความเข้มข้นของกระบวนการต่างๆ ในอุตสาหกรรมโลหะวิทยา เคมี และอุตสาหกรรมอื่นๆ ประกอบด้วย O 2 90-98%

การควบคุมคุณภาพของก๊าซและออกซิเจนเหลวจะดำเนินการโดยตรงในระหว่างกระบวนการผลิตโดยใช้เครื่องมือพิเศษ

การบริหาร คะแนนโดยรวมของบทความ: ที่ตีพิมพ์: 2012.06.01

ออกซิเจนครอบครอง 21% ของอากาศในบรรยากาศ ส่วนใหญ่พบในเปลือกโลก น้ำจืด และจุลินทรีย์ที่มีชีวิต มันถูกใช้ในหลายพื้นที่ของอุตสาหกรรม และใช้สำหรับความต้องการทางเศรษฐกิจและการแพทย์ ความต้องการใช้สารนี้เกิดจากคุณสมบัติทางเคมีและกายภาพ

วิธีการผลิตออกซิเจนในอุตสาหกรรม 3 วิธี

การผลิตออกซิเจนในอุตสาหกรรมดำเนินการโดยการแบ่งอากาศในชั้นบรรยากาศ วิธีการต่อไปนี้ใช้สำหรับสิ่งนี้:

การผลิตออกซิเจนในระดับอุตสาหกรรมมีความสำคัญอย่างยิ่ง ต้องใช้ความระมัดระวังอย่างยิ่งในการเลือกเทคโนโลยีและอุปกรณ์ที่เหมาะสม ข้อผิดพลาดที่เกิดขึ้นอาจส่งผลเสียต่อกระบวนการทางเทคโนโลยีและนำไปสู่ต้นทุนการฆ่าที่เพิ่มขึ้น

คุณสมบัติทางเทคนิคของอุปกรณ์สำหรับการผลิตออกซิเจนในอุตสาหกรรม

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าประเภทอุตสาหกรรม “OXIMAT” ช่วยสร้างกระบวนการรับออกซิเจนในสถานะก๊าซ ลักษณะทางเทคนิคและคุณสมบัติการออกแบบมีวัตถุประสงค์เพื่อให้ได้สารนี้ในอุตสาหกรรมที่มีความบริสุทธิ์และปริมาณที่ต้องการตลอดทั้งวัน (โดยไม่หยุดชะงัก) ควรสังเกตว่าอุปกรณ์สามารถทำงานได้ในโหมดใดก็ได้ทั้งแบบมีและไม่มีการหยุด หน่วยทำงานภายใต้ความกดดัน ที่ทางเข้าควรมีอากาศแห้งอยู่ในสภาวะอัดแน่นปราศจากความชื้น มีรุ่นความจุขนาดเล็ก กลาง และใหญ่ให้เลือก

อากาศเป็นแหล่งออกซิเจนที่ไม่สิ้นสุด เพื่อให้ได้ออกซิเจนจากก๊าซนี้ จะต้องแยกก๊าซนี้ออกจากไนโตรเจนและก๊าซอื่นๆ วิธีการผลิตออกซิเจนทางอุตสาหกรรมมีพื้นฐานมาจากแนวคิดนี้ ดำเนินการโดยใช้อุปกรณ์พิเศษที่ค่อนข้างยุ่งยาก ประการแรก อากาศจะเย็นลงอย่างมากจนกระทั่งกลายเป็นของเหลว จากนั้นอุณหภูมิของอากาศเหลวจะค่อยๆ เพิ่มขึ้น ก๊าซไนโตรเจนเริ่มถูกปล่อยออกมาก่อน (จุดเดือดของไนโตรเจนเหลวคือ -196 ° C) และของเหลวนั้นอุดมไปด้วยออกซิเจน

การรับออกซิเจนในห้องปฏิบัติการ- วิธีการผลิตออกซิเจนในห้องปฏิบัติการจะขึ้นอยู่กับปฏิกิริยาทางเคมี

เจ. พรีสต์ลีย์ได้ก๊าซนี้จากสารประกอบที่เรียกว่าปรอท (II) ออกไซด์ นักวิทยาศาสตร์ใช้เลนส์แก้วซึ่งเขาเน้นแสงแดดไปที่สสารนั้น

ในเวอร์ชันใหม่ การทดลองนี้แสดงไว้ในรูปที่ 54 เมื่อถูกความร้อน ปรอท (||) ออกไซด์ (ผงสีเหลือง) จะกลายเป็นปรอทและออกซิเจน ปรอทถูกปล่อยออกมาในสถานะก๊าซและควบแน่นอยู่บนผนังของหลอดทดลองในรูปของหยดสีเงิน ออกซิเจนจะถูกรวบรวมเหนือน้ำในหลอดทดลองหลอดที่สอง

เลิกใช้วิธีของพรีสต์ลีย์แล้วเนื่องจากไอปรอทเป็นพิษ ออกซิเจนถูกสร้างขึ้นโดยใช้ปฏิกิริยาอื่นๆ ที่คล้ายคลึงกับปฏิกิริยาที่กล่าวถึง มักเกิดขึ้นเมื่อถูกความร้อน

ปฏิกิริยาที่เกิดจากสารชนิดเดียว เรียกว่า ปฏิกิริยาการสลายตัว

ในการรับออกซิเจนในห้องปฏิบัติการ จะใช้สารประกอบที่มีออกซิเจนดังต่อไปนี้:

โพแทสเซียมเปอร์แมงกาเนต KMnO4 (ชื่อสามัญ โพแทสเซียมเปอร์แมงกาเนต เป็นสารฆ่าเชื้อทั่วไป)

โพแทสเซียมคลอเรต KClO3 (ชื่อเล็กน้อย - เกลือของ Berthollet เพื่อเป็นเกียรติแก่นักเคมีชาวฝรั่งเศสในช่วงปลายศตวรรษที่ 18 - ต้นศตวรรษที่ 19 C.-L. Berthollet)

ตัวเร่งปฏิกิริยาจำนวนเล็กน้อย - แมงกานีส (IV) ออกไซด์ MnO2 - จะถูกเติมลงในโพแทสเซียมคลอเรต เพื่อให้การสลายตัวของสารประกอบเกิดขึ้นพร้อมกับการปล่อยออกซิเจน1

โครงสร้างของโมเลกุลของชาลโคเจนไฮไดรด์ H2Eสามารถวิเคราะห์ได้โดยใช้วิธีโมเลกุลออร์บิทัล (MO) ตัวอย่างเช่น พิจารณาแผนภาพวงโคจรโมเลกุลของโมเลกุลน้ำ (รูปที่ 3)

สำหรับการก่อสร้าง (สำหรับรายละเอียดเพิ่มเติม ดู G. Grey "Electrons and Chemical Bonding", M., Publishing House "Mir", 1967, หน้า 155-62 และ G. L. Miessier, D. A. Tarr, "Inorganic Chemistry", Prantice Hall Int. Inc., 1991, หน้า 153-57) แผนภาพของ MO ของโมเลกุล H2O เราจะรวมที่มาของพิกัดกับอะตอมออกซิเจน และวางอะตอมไฮโดรเจนในระนาบ xz (รูปที่ 3) การทับซ้อนกันของออกซิเจน 2s- และ 2p-AOs กับไฮโดรเจน 1s-AOs แสดงในรูปที่ 4 AO ของไฮโดรเจนและออกซิเจนซึ่งมีสมมาตรและพลังงานใกล้เคียงกัน มีส่วนร่วมในการก่อตัวของ MO อย่างไรก็ตาม การมีส่วนร่วมของ AO ต่อการก่อตัวของ MO นั้นแตกต่างกัน ซึ่งสะท้อนให้เห็นในค่าต่าง ๆ ของสัมประสิทธิ์ในการรวมเชิงเส้นที่สอดคล้องกันของ AO ปฏิกิริยา (ทับซ้อนกัน) ของ 1s-AO ของไฮโดรเจนและ 2s- และ 2pz-AO ของออกซิเจนทำให้เกิดการก่อตัวของพันธะ 2a1 และ MO ที่ต้านพันธะ 4a1

สวัสดี.. วันนี้จะมาเล่าให้ฟังเกี่ยวกับออกซิเจนและวิธีการได้มา ฉันขอเตือนคุณว่าหากคุณมีคำถามสำหรับฉันคุณสามารถเขียนคำถามเหล่านั้นในความคิดเห็นของบทความได้ หากคุณต้องการความช่วยเหลือในวิชาเคมี ฉันยินดีที่จะช่วยคุณ

ออกซิเจนมีการกระจายในธรรมชาติในรูปของไอโซโทป 16 O, 17 O, 18 O ซึ่งมีเปอร์เซ็นต์บนโลกดังต่อไปนี้ - 99.76%, 0.048%, 0.192% ตามลำดับ

ในสถานะอิสระ ออกซิเจนมีอยู่ในรูปของสาม การปรับเปลี่ยนแบบ allotropic : อะตอมออกซิเจน - O o, ไดออกซิเจน - O 2 และโอโซน - O 3 นอกจากนี้สามารถรับอะตอมออกซิเจนได้ดังนี้:

KClO 3 = KCl + 3O 0

KNO 3 = KNO 2 + O 0

ออกซิเจนเป็นส่วนหนึ่งของแร่ธาตุและสารอินทรีย์ต่างๆ มากกว่า 1,400 ชนิด ในบรรยากาศมีปริมาณ 21% โดยปริมาตร และร่างกายมนุษย์มีออกซิเจนมากถึง 65% ออกซิเจนเป็นก๊าซไม่มีสีและไม่มีกลิ่น ละลายได้ในน้ำเล็กน้อย (ออกซิเจน 3 ปริมาตรละลายในน้ำ 100 ปริมาตร ที่อุณหภูมิ 20 o C)

ในห้องปฏิบัติการ ออกซิเจนได้มาจากการให้ความร้อนแก่สารบางชนิดในระดับปานกลาง:

1) เมื่อสลายสารประกอบแมงกานีส (+7) และ (+4):

2KMnO 4 → K 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2
แมงกาเนตแมงกาเนต
โพแทสเซียม โพแทสเซียม

2MnO 2 → 2 MnO + O 2

2) เมื่อสลายเปอร์คลอเรต:

2KClO 4 → KClO 2 + KCl + 3O 2
เปอร์คลอเรต
โพแทสเซียม

3) ระหว่างการสลายตัวของเกลือเบอร์ทอลเล็ต (โพแทสเซียมคลอเรต).
ในกรณีนี้จะเกิดอะตอมออกซิเจน:

2KClO 3 → 2 KCl + 6O 0
คลอเรต
โพแทสเซียม

4) ในระหว่างการสลายตัวของเกลือของกรดไฮโปคลอรัสในแสง- ไฮโปคลอไรต์:

2NaClO → 2NaCl + O 2

Ca(ClO) 2 → CaCl 2 + O 2

5) เมื่อให้ความร้อนไนเตรต
ในกรณีนี้จะเกิดอะตอมออกซิเจนขึ้น ขึ้นอยู่กับตำแหน่งของโลหะไนเตรตในชุดกิจกรรม ผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาต่างๆ จะเกิดขึ้น:

2NaNO 3 → 2NaNO 2 + O 2

Ca(NO 3) 2 → CaO + 2NO 2 + O 2

2AgNO3 → 2Ag + 2NO2 + O2

6) ในระหว่างการสลายตัวของเปอร์ออกไซด์:

2H 2 O 2 ↔ 2H 2 O + O 2

7) เมื่อให้ความร้อนออกไซด์ของโลหะที่ไม่ใช้งาน:

2Аg 2 O ↔ 4Аg + O 2

กระบวนการนี้มีความเกี่ยวข้องในชีวิตประจำวัน ความจริงก็คืออาหารที่ทำจากทองแดงหรือเงินซึ่งมีชั้นฟิล์มออกไซด์ตามธรรมชาติจะก่อให้เกิดออกซิเจนแบบแอคทีฟเมื่อถูกความร้อนซึ่งมีฤทธิ์ต้านเชื้อแบคทีเรีย การละลายเกลือของโลหะที่ไม่ใช้งาน โดยเฉพาะไนเตรต ก็นำไปสู่การก่อตัวของออกซิเจนเช่นกัน ตัวอย่างเช่น กระบวนการโดยรวมของการละลายซิลเวอร์ไนเตรตสามารถแสดงเป็นขั้นตอน:

AgNO 3 + H 2 O → AgOH + HNO 3

2AgOH → Ag 2 O + O 2

2Ag 2 O → 4Ag + O 2

หรือในรูปแบบสรุป:

4AgNO 3 + 2H 2 O → 4Ag + 4HNO 3 + 7O 2

8) เมื่อให้ความร้อนเกลือโครเมียมที่มีสถานะออกซิเดชันสูงสุด:

4K 2 Cr 2 O 7 → 4K 2 Cr2 O 4 + 2Cr 2 O 3 + 3 O 2
ไบโครเมต โครเมต
โพแทสเซียม โพแทสเซียม

ในอุตสาหกรรมจะได้รับออกซิเจน:

1) การสลายตัวของน้ำด้วยไฟฟ้า:

2H 2 O → 2H 2 + O 2

2) ปฏิกิริยาของคาร์บอนไดออกไซด์กับเปอร์ออกไซด์:

CO 2 + K 2 O 2 → K 2 CO 3 + O 2

วิธีนี้เป็นวิธีแก้ปัญหาทางเทคนิคที่ขาดไม่ได้สำหรับปัญหาการหายใจในระบบแยก: เรือดำน้ำ, เหมือง, ยานอวกาศ

3) เมื่อโอโซนทำปฏิกิริยากับสารรีดิวซ์:

O 3 + 2KJ + H 2 O → J 2 + 2KOH + O 2

สิ่งที่สำคัญเป็นพิเศษคือการผลิตออกซิเจนในระหว่างกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงที่เกิดขึ้นในพืช ทุกชีวิตบนโลกโดยพื้นฐานแล้วขึ้นอยู่กับกระบวนการนี้ การสังเคราะห์ด้วยแสงเป็นกระบวนการที่ซับซ้อนหลายขั้นตอน แสงสว่างเป็นจุดเริ่มต้น การสังเคราะห์ด้วยแสงประกอบด้วยสองขั้นตอน: แสงและความมืด ในระหว่างระยะแสง เม็ดสีคลอโรฟิลล์ที่มีอยู่ในใบพืชจะก่อตัวเป็นสารเชิงซ้อนที่เรียกว่า "ดูดซับแสง" ซึ่งรับอิเล็กตรอนจากน้ำ และแยกออกเป็นไอออนไฮโดรเจนและออกซิเจน:

2H 2 O = 4e + 4H + O 2

โปรตอนสะสมมีส่วนช่วยในการสังเคราะห์ ATP:

ADP + P = เอทีพี

ในช่วงมืด คาร์บอนไดออกไซด์และน้ำจะถูกแปลงเป็นกลูโคส และออกซิเจนจะถูกปล่อยออกมาเป็นผลพลอยได้:

6CO 2 + 6H 2 O = C 6 H 12 O 6 + O 2

blog.site เมื่อคัดลอกเนื้อหาทั้งหมดหรือบางส่วน จำเป็นต้องมีลิงก์ไปยังแหล่งที่มาดั้งเดิม

ออกซิเจนปรากฏขึ้นในชั้นบรรยากาศของโลกพร้อมกับการเกิดขึ้นของพืชสีเขียวและแบคทีเรียสังเคราะห์แสง ต้องขอบคุณออกซิเจนที่ทำให้สิ่งมีชีวิตแบบแอโรบิกหายใจหรือออกซิเดชันได้ การได้รับออกซิเจนในอุตสาหกรรมเป็นสิ่งสำคัญ - ใช้ในอุตสาหกรรมโลหะวิทยา การแพทย์ การบิน เศรษฐกิจของประเทศ และอุตสาหกรรมอื่นๆ

คุณสมบัติ

ออกซิเจนเป็นองค์ประกอบที่แปดของตารางธาตุ เป็นก๊าซที่รองรับการเผาไหม้และออกซิไดซ์สาร

ข้าว. 1. ออกซิเจนในตารางธาตุ

ออกซิเจนถูกค้นพบอย่างเป็นทางการในปี พ.ศ. 2317 นักเคมีชาวอังกฤษ Joseph Priestley แยกธาตุออกจากปรอทออกไซด์:

2HgO → 2Hg + O 2 .

อย่างไรก็ตาม พรีสต์ลีย์ไม่รู้ว่าออกซิเจนเป็นส่วนหนึ่งของอากาศ คุณสมบัติและการมีอยู่ของออกซิเจนในบรรยากาศถูกกำหนดในภายหลังโดยเพื่อนร่วมงานของ Priestley ซึ่งเป็นนักเคมีชาวฝรั่งเศส Antoine Lavoisier

ลักษณะทั่วไปของออกซิเจน:

• ก๊าซไม่มีสี
• ไม่มีกลิ่นหรือรส
• หนักกว่าอากาศ
• โมเลกุลประกอบด้วยอะตอมออกซิเจนสองอะตอม (O 2)
• ในสถานะของเหลวจะมีสีฟ้าอ่อน
• ละลายได้ไม่ดีในน้ำ
• เป็นสารออกซิไดซ์ที่แรง

ข้าว. 2. ออกซิเจนเหลว

สามารถตรวจสอบการมีอยู่ของออกซิเจนได้อย่างง่ายดายโดยการลดเสี้ยนที่คุกรุ่นลงในภาชนะที่บรรจุก๊าซ เมื่อมีออกซิเจน คบเพลิงจะลุกเป็นไฟ

คุณได้รับมันได้อย่างไร?

มีวิธีการที่ทราบกันดีอยู่หลายวิธีในการผลิตออกซิเจนจากสารประกอบต่างๆ ในสภาวะทางอุตสาหกรรมและในห้องปฏิบัติการ ในอุตสาหกรรม ออกซิเจนได้มาจากอากาศโดยการทำให้เป็นของเหลวภายใต้ความกดดันและที่อุณหภูมิ -183°C อากาศเหลวต้องผ่านการระเหยเช่น ค่อยๆร้อนขึ้น ที่อุณหภูมิ -196°C ไนโตรเจนเริ่มระเหย และออกซิเจนยังคงเป็นของเหลว

ในห้องปฏิบัติการ ออกซิเจนเกิดขึ้นจากเกลือ ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ และเป็นผลมาจากอิเล็กโทรไลซิส การสลายตัวของเกลือเกิดขึ้นเมื่อถูกความร้อน ตัวอย่างเช่น โพแทสเซียมคลอเรตหรือเกลือเบอร์โทไลต์ถูกให้ความร้อนถึง 500°C และโพแทสเซียมเปอร์แมงกาเนตหรือโพแทสเซียมเปอร์แมงกาเนตถูกให้ความร้อนถึง 240°C:

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

ข้าว. 3. ให้ความร้อนเกลือ Berthollet

คุณยังสามารถได้รับออกซิเจนโดยการให้ความร้อนไนเตรตหรือโพแทสเซียมไนเตรต:

2KNO 3 → 2KNO 2 + O 2 .

เมื่อย่อยสลายไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์จะใช้แมงกานีส (IV) ออกไซด์ - MnO 2 ผงคาร์บอนหรือเหล็กเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา สมการทั่วไปมีลักษณะดังนี้:

2H 2 O 2 → 2H 2 O + O 2

สารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์ผ่านกระบวนการอิเล็กโทรไลซิส เป็นผลให้เกิดน้ำและออกซิเจน:

4NaOH → (อิเล็กโทรไลซิส) 4Na + 2H 2 O + O 2

ออกซิเจนยังถูกแยกออกจากน้ำโดยใช้อิเล็กโทรไลซิส โดยสลายตัวเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจน:

2H 2 O → 2H 2 + O 2

บนเรือดำน้ำนิวเคลียร์จะได้รับออกซิเจนจากโซเดียมเปอร์ออกไซด์ - 2Na 2 O 2 + 2CO 2 → 2Na 2 CO 3 + O 2 วิธีการนี้น่าสนใจเนื่องจากก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ถูกดูดซับพร้อมกับการปล่อยออกซิเจน

วิธีใช้

การรวบรวมและการยอมรับเป็นสิ่งจำเป็นในการปล่อยออกซิเจนบริสุทธิ์ ซึ่งใช้ในอุตสาหกรรมในการออกซิไดซ์สารต่างๆ เช่นเดียวกับการรักษาการหายใจในอวกาศ ใต้น้ำ และในห้องที่มีควัน (ออกซิเจนจำเป็นสำหรับนักดับเพลิง) ในทางการแพทย์ ถังออกซิเจนช่วยให้ผู้ป่วยที่มีอาการหายใจลำบากหายใจได้ ออกซิเจนยังใช้รักษาโรคระบบทางเดินหายใจอีกด้วย

ออกซิเจนถูกใช้ในการเผาไหม้เชื้อเพลิง - ถ่านหิน, น้ำมัน, ก๊าซธรรมชาติ ออกซิเจนถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในวิศวกรรมโลหการและวิศวกรรมเครื่องกล เช่น ในการหลอม การตัด และการเชื่อมโลหะ

คะแนนเฉลี่ย: 4.9. คะแนนรวมที่ได้รับ: 220