I ze školního kurzu chemie víme, který prvek je na naší planetě nejrozšířenější. Proto není divu, že technický kyslík je široce používán v mnoha oblastech života. Zejména některé technologické operace, které jsou spojeny s obráběním kovů, jsou prováděny za přímé účasti tohoto plynu.
Obsah
- Přehled
- Extrakce a prezentace
- Skladování, přeprava a bezpečnostní opatření
- Bezpečnostní pokyny pro manipulaci a přepravu kyslíkových lahví
- Průmyslové aplikace
- Jiné průmyslové aplikace
- Chemické metody
- Elektrolýza vody
- Kryogenní metoda
- Adsorpční metoda
- Oddělení membrány
- Závěr
Přehled
Kyslík (také Kyslík, z řeckého ὀξύς OXYS „ostrý, štiplavý, kyselý“ a γεν- rody – „vytvářet“) je chemický prvek. Je to bezbarvý plyn bez zápachu, který tvoří 21 % vzduchu. Kyslík je nejrozšířenějším prvkem na Zemi.
Kyslík má chemickou značku O a atomové číslo 8. Obvykle se vyskytuje jako chemická sloučenina dvou atomů kyslíku s obecným vzorcem O2 Metastabilní a reaktivní alotropní forma sestávající ze 3 atomů kyslíku (O3) se nazývá ozon. Atomový kyslík ve formě jednotlivých volných atomů kyslíku je stabilně přítomen pouze v extrémních podmínkách, jako je vakuum vesmíru nebo horké atmosféry hvězd.
Hraje však důležitou roli jako reaktivní meziprodukt v mnoha reakcích v chemii atmosféry. Při vyšších teplotách kyslík reaguje a vytváří oxidy s mnoha prvky, často zažehne oheň. V tomto článku se dozvíte, jak se kyslík vyrábí, a také jeho aplikace.
To je nezbytné pro všechny procesy spalování a koroze. Všichni živočichové a většina rostlin potřebují k životu kyslík. Obvykle ho získávají vdechováním vzduchu nebo absorbováním kyslíku rozpuštěného ve vodě. Naopak ve vysokých koncentracích je pro většinu živých tvorů jedovatý.
Extrakce a prezentace
Technicky se kyslík dnes získává čištěním vzduchu. Tento proces byl poprvé vyvinut Carlem von Lindem v roce 1902 (Lindův proces) a úspěšný Georges Claude. Malé množství O2 vzniká jako vedlejší produkt při výrobě vodíku elektrolýzou vody.
Pro získání kyslíku pomocí Claudeovy metody je vzduch očištěný od oxidu uhličitého, vlhkosti a dalších plynů přes filtry stlačen na 5–6 bar pomocí turbín. Vzniklé teplo lze nejprve přeměnit na mechanickou energii a prostřednictvím generátorů na energii elektrickou a tak inteligentně využít. Díky tomu je proces – na rozdíl od Lindeho procesu, při kterém se teplo odebírá vodním chlazením – výrazně ekonomičtější. Stlačený vzduch je ochlazen na teplotu blízkou jeho bodu varu plyny unikajícími z procesu.
Kyslík lze také získat jeho oddělením od dusíku nebo jiných plynů. Vlastní separace dusíku a kyslíku probíhá destilací ve dvou destilačních kolonách při různých tlacích. Destilace probíhá podle protiproudého principu, tzn. plyn odpařený kondenzačním teplem stoupá nahoru a zkondenzovaná kapalina stéká dolů. Protože kyslík má vyšší bod varu než dusík, snadněji kondenzuje a shromažďuje se na dně, zatímco dusík se shromažďuje v horní části kolony.
Separace nejprve probíhá při 5–6 barech v tzv. středotlaké koloně. Výsledná kapalina obohacená kyslíkem se pak přivádí do nízkotlaké kolony. Plynný dusík prochází kapalným kyslíkem v nízkotlaké koloně. Tím dochází ke zkapalnění a ohřívání kapaliny v důsledku vznikajícího kondenzačního tepla. Uvolňuje se nejvíce těkavý dusík a zůstává vyčištěný kapalný kyslík. Stále obsahuje plyny krypton a xenon, které jsou v samostatném sloupci.
Pro výrobu menšího množství kyslíku lze kyslík ve vzduchu oddělit od ostatních plynů adsorpcí. K tomu vzduch prochází molekulárními síty. Dusík a oxid uhličitý se adsorbují, kyslík a argon procházejí.
Starším procesem je proces oxidu barnatého, který je založen na chemických reakcích. To je neekonomické kvůli vysoké spotřebě energie. K tomu se oxid barnatý zahřeje na 500 °C s přiváděným vzduchem, který tvoří peroxid barnatý. Při zahřátí na 700 °C se dříve absorbovaný kyslík opět uvolňuje termolýzou. Před vývojem Lindeho procesu byl tento proces jediným způsobem výroby čistého kyslíku.
Některé anorganické sloučeniny obohacené kyslíkem, jako je manganistan draselný, dusičnan draselný (ledek), chlorečnan draselný a chroman draselný, uvolňují kyslík při zahřívání, když reagují s redukčními činidly.
Dalším způsobem výroby kyslíku v laboratoři je rozklad peroxidu vodíku na poplatinované niklové fólii.
Čistý kyslík lze získat elektrolýzou 30% hydroxidu draselného na niklových elektrodách. Vodík a kyslík se vyrábějí odděleně od sebe.
Skladování, přeprava a bezpečnostní opatření
Pro skladování a přepravu O2 se používají tlakové láhve modré barvy s charakteristickým černým nápisem. Ventil je vyroben z mosazi a opatřen speciálním závitem. Zároveň musí být neustále kontrolována provozuschopnost a těsnost. Takové kontejnery jsou skladovány ve speciálně vybavených skladech nebo venku pod přístřeškem, který poskytuje ochranu před slunečním zářením a srážkami.
Bezpečnostní pokyny pro manipulaci a přepravu kyslíkových lahví
Vždy pamatujte: kyslík díky svým vlastnostem podporuje spalovací reakce.
Při kontaktování se proto řiďte následujícími pokyny:
- Dlouhodobé vdechování vysokých koncentrací kyslíku může způsobit nevolnost, závratě, dušnost nebo záchvaty.
- Zabraňte pádu nebo odkutálení lahví
- Před přepravou odšroubujte redukční ventil plynu a veškeré další armatury.
- Kouření a otevřený oheň v blízkosti láhve jsou přísně zakázány.
- Pevně připevněte ochranný kryt na ventil
- Nedovolte, aby se olej, tuk nebo jiné nečistoty dostaly do lahví, hadic, redukčních ventilů atd.
- Skladujte na dobře větraném místě.
Opatrní byste měli být také při manipulaci s kapalným kyslíkem. Protože z jednoho litru kapalného kyslíku vzniká přibližně 850-860 litrů plynného kyslíku – a tedy potenciálně velmi vysoká koncentrace, která je zdraví nebezpečná. Vyhněte se také přímému kontaktu pokožky s kapalným kyslíkem a používejte ochranné rukavice a brýle.
Průmyslové aplikace
Kyslík se průmyslově využívá v metalurgii pro výrobu železa a oceli a také při rafinaci mědi. Čistý kyslík nebo kyslíkem obohacený vzduch se zde používá jednak k dosažení vysokých teplot, jednak k rafinaci surové oceli, tzn. k odstranění nežádoucích nečistot uhlíku, křemíku, manganu a fosforu, které se oxidují a oddělují.
V chemických procesech se kyslík používá hlavně k oxidaci různých surovin, jako je oxidace olefinů a ethylenu. Ethylenoxid se používá při částečné oxidaci ropy a uhlí. Kyslík je také potřebný pro výrobu vodíku, syntézu plynu a výrobu kyseliny sírové a dusičné.
Dalšími důležitými produkty oxidace kyslíku jsou acetylen, acetaldehyd, kyselina octová, vinylacetát a chlor. Ve sklářském průmyslu, stejně jako při svařování a řezání betonu, se kyslík používá k dosažení požadovaných vysokých teplot. V environmentálních technologiích se odpadní voda rychleji čistí od organických znečišťujících látek a toxinů zavedením plynného kyslíku bakteriemi.
Jiné průmyslové aplikace
Neméně důležitý je význam kyslíku pro chemický průmysl, například pro oxidaci organických sloučenin. V kosmických lodích se kapalný kyslík používá jako okysličovadlo raketového paliva. Kyslík v atmosféře je nezbytným základem života většiny dnes existujících organismů, protože je nezbytný pro všechny oxidační procesy (včetně organismů), včetně biologické oxidace (buněčné dýchání).
Kyslík se proto využívá i v lékařství (pro ventilaci raněných), umožňuje letectví a cestování vesmírem i expedice do podmořského světa. To vše by nebylo možné bez dýchacího vzduchu obohaceného kyslíkem. Již nějakou dobu se ozon používá jako dezinfekční prostředek při biologické úpravě vody. Plyn se také používá jako bělidlo pro papír, vlákna, celulózu a různé tuky, oleje, vosky atd.
Na počátku XNUMX. století, kdy byly vyvinuty první průmyslové metody výroby kyslíku, se vyráběl v malých množstvích a byl poměrně drahý. Z tohoto důvodu bylo jeho použití omezené.
Na počátku XNUMX. století, kdy byly vyvinuty první průmyslové metody výroby kyslíku, se vyráběl v malých množstvích a byl poměrně drahý. Z tohoto důvodu bylo jeho použití omezené.
V posledních letech se však technologie a zařízení na výrobu kyslíku výrazně zdokonalily a nyní je možné vyrábět levný kyslík ve velkém a široce jej využívat v průmyslu.
Kyslík lze získat:
- Chemickými prostředky;
- Elektrolýza vody;
- Kryogenní metoda;
- Adsorpční metoda;
- Oddělení membrány.
Chemické metody
Zpočátku se k výrobě kyslíku používaly chemické metody založené na vlastnostech určitých látek, jako je bertholletova sůl nebo peroxid barnatý.
Zároveň lze kyslík získat z oxidu uhličitého přes olovo vápenaté, manganistan sodný pomocí vodní páry a dichroman draselný působením kyseliny sírové. Peroxid sodný, peroxid draselný a superoxid sodný také uvolňují kyslík při reakci s vodní párou a oxidem uhličitým.
Existují způsoby získávání kyslíku ze vzduchu střídavou oxidací a redukcí oxidů chrómu na silikagelu, ale nemají průmyslový význam kvůli nízké produktivitě.
Existuje také látka zvaná salcomin, která je schopna absorbovat a uvolňovat kyslík při změně tlaku a teploty, ale její použití je také omezené.
V současné době se někdy používají chemické metody výroby kyslíku k získání malých množství v laboratorní praxi a jiných případech.
Elektrolýza vody
Elektrolýzou vody vzniká kyslík a vodík průchodem stejnosměrného elektrického proudu vodou obsahující hydroxid sodný. Na kladném pólu se shromažďuje kyslík a na záporném pólu vodík. Tento proces je ekonomicky proveditelný pouze tehdy, když jsou náklady na elektřinu nízké (například vodní energie) a používá se hlavně k výrobě vodíku.
Kryogenní metoda
Hluboké ochlazování vzduchu je proces používaný k získávání kyslíku a dusíku z atmosférického vzduchu.
Separace vzduchu je technickou výzvou, protože vzduch je v plynném stavu. Před rozdělením vzduchu na jednotlivé části je proto nutné jej převést do kapalného stavu kompresí, expanzí a ochlazením. Poté dochází k rozdělení na jednotlivé složky pomocí rozdílu bodů varu kyslíku a dusíku.
Při atmosférickém tlaku vře kapalný dusík při -195,8 stupních Celsia a kapalný kyslík vře při -182,97 stupních Celsia. Pokud se postupně odpařuje kapalný vzduch, pak se nejprve odpaří převážně dusík, který má nižší bod varu. Jak se dusík odpařuje, kapalina se obohacuje kyslíkem. Mnohonásobným opakováním procesu odpařování a kondenzace je možné dosáhnout požadovaného stupně separace vzduchu na dusík a kyslík o požadovaných koncentracích. Tento proces se nazývá rektifikace a provádí se ve speciálních strojích – expandérech.
Metoda hlubokého chlazení je založena na ochlazení vzduchu na velmi nízké teploty. Proto tato metoda dostala své jméno. Získávání kyslíku ze vzduchu hlubokým chlazením je nejekonomičtější, což vysvětluje široké použití této metody v průmyslu. Hlubokým chlazením a rektifikací vzduchu je možné získat téměř libovolné množství levného kyslíku a dusíku. Kryogenní metoda navíc umožňuje získat kyslík, jehož čistota dosahuje 99,7 %.
RusGazCryo je jedním z předních dodavatelů kryogenních jednotek pro separaci vzduchu všech typů. Vyrábíme zařízení různých kapacit – až 110000 XNUMX m³ za hodinu. Naše instalace splňují všechny požadavky a normy, což zákazníkům umožňuje používat produkty k řešení různých technologických problémů.
Zařízení na separaci vzduchu
Adsorpční metoda
Adsorpční metoda separace vzduchu je jednou z nejběžnějších metod pro získávání plynných směsí, zvláště když jsou požadovány produkty s nízkými koncentracemi.
Proces je založen na absorpci složek vzduchu přes molekulární síta pomocí tlakové adsorpce (PSA). Instalace KBA se vyznačují nízkou cenou, snadnou instalací, provozem a údržbou, kompaktností, bezpečností, spolehlivostí, automatizací technologického procesu, krátkou dobou náběhu a prakticky neomezenou dobou pracovní kampaně.
Adsorpční metoda je ekonomičtější než metoda kryogenní, která je spojena s nižším tlakem v cyklu, ale neumožňuje výrobu čistého technického kyslíku a zkapalněných plynů.
Oddělení membrány
Membránové jednotky slouží k separaci vzduchu na složky pomocí ultratenkých polymerních membrán, přes které je rychlost průniku pro jednotlivé látky různá. Proces se provádí díky rozdílu parciálních tlaků na různých stranách membrány. Složky vzduchu se dělí na obtížně a snadno pronikající plyny. Zařízení fungující na membránovém principu se často používají k výrobě dusíku a ke zpracování souvisejícího ropného plynu. Vybavení membránových instalací je podobné adsorpčním, ale místo adsorpční jednotky jsou použity standardní membránové patrony.
Metoda je hospodárná z hlediska spotřeby energie a provozu. Kyslík získaný touto metodou má čistotu až 45 %.
Závěr
V důsledku toho můžeme na základě předložených údajů dojít k závěru, že nejúčinnější je kryogenní metoda separace vzduchu. Tato metoda poskytuje vysoký stupeň čištění a vysoce kvalitní separované složky, jako je průmyslový kyslík a zkapalněné plyny. Kryogenní zařízení vykazují vysokou produktivitu a účinnost, což umožňuje výrobu velkých objemů separovaných složek ve vysokých koncentracích. Navzdory vyšší ceně zařízení a složitým technologickým procesům ospravedlňuje kryogenní metoda svou účinnost a je široce používána v různých průmyslových odvětvích a vědeckém výzkumu.
