Получение кислорода в промышленности осуществляется несколькими методами, в зависимости от необходимой чистоты кислорода и его количества. Основные способы производства кислорода включают:
1. Метод сжижения воздуха (фракционная перегонка)
Этот метод является наиболее распространенным для получения кислорода в больших объемах.
Принцип работы:
Воздух сначала сжимается, охлаждается до очень низких температур (около -200 °C), что приводит к его сжижению.
Сжиженный воздух состоит из разных газов, включая азот, кислород, аргон и другие.
Затем сжиженный воздух проходит через специальную установку, называемую колонной фракционной перегонки, где происходит разделение компонентов воздуха по их точкам кипения. Например, кислород кипит при температуре -183 °C, а азот — при -196 °C.
В процессе перегонки происходит последовательное отделение азота (он испаряется при более низкой температуре), оставляя кислород, который можно затем отделить и использовать в чистом виде.
Преимущества метода:
Высокая степень очистки кислорода (до 99,5% и выше).
Подходит для производства больших объемов газа.
Недостатки:
Энергозатратный процесс из-за необходимости охлаждения и сжижения воздуха.
Для получения кислорода высокой чистоты необходимо использовать дополнительные стадии очистки.
2. Метод осушки воздуха (мембранная фильтрация)
Этот метод используется для получения кислорода меньшей чистоты (обычно около 90-95%).
Принцип работы:
В процессе осушки воздуха с использованием мембранных технологий воздух проходит через полупроницаемые мембраны, которые позволяют различным газам проходить через них с разной скоростью.
Мембрана задерживает молекулы азота, пропуская молекулы кислорода, что позволяет отделить кислород от других газов.
Преимущества метода:
Простота и компактность оборудования.
Отсутствие необходимости в сжижении и перегонке воздуха.
Меньше затрат на энергоресурсы.
Недостатки:
Получаемый кислород имеет более низкую чистоту по сравнению с методом сжижения.
Не подходит для получения больших объемов кислорода.
3. Метод мембранной адсорбции (PSA — Pressure Swing Adsorption)
Это один из современных методов, который активно используется для производства кислорода на месте, например, в медицинских и промышленных установках.
Принцип работы:
В этом процессе используется материал, который адсорбирует молекулы азота при определенном давлении (например, цеолит). Воздух сжимается и подается в адсорберы.
На адсорбере молекулы азота задерживаются, а кислород проходит через фильтр.
Затем давление сбрасывается, и азот освобождается из адсорбера, что позволяет использовать его повторно в следующем цикле.
Преимущества метода:
Производство кислорода высокого качества (до 95-98%).
Возможность работы на месте, без необходимости транспортировки газа.
Энергосбережение по сравнению с процессом сжижения воздуха.
Недостатки:
Ограниченная пропускная способность по сравнению с методом сжижения.
Требует регулярной замены адсорбента.
4. Электролиз воды
Этот метод используется для получения кислорода высокой чистоты (до 99,999%).
Принцип работы:
Вода разлагается на кислород и водород с помощью электрического тока, проходящего через воду. Это процесс называется электролизом.
В результате на аноде выделяется кислород, а на катоде — водород.
2H2O→2H2+O22H_2O rightarrow 2H_2 + O_2
Преимущества метода:
Получаемый кислород очень высокой чистоты.
Этот метод можно использовать в малых установках, что делает его удобным для точных научных и медицинских применений.
Недостатки:
Процесс требует значительных затрат энергии, что делает его менее экономичным для массового производства кислорода.
Невозможность получения больших объемов кислорода в сравнении с методом сжижения.
5. Использование химических реагентов (метод кислородной генерации)
В некоторых случаях для получения кислорода в малых объемах используется химическое разложение определенных веществ, например, пероксида бария (BaO₂), натрия или калия нитрата.
Принцип работы:
Реакция разложения кислородосодержащих химических веществ приводит к выделению кислорода.
Это метод используется в специальных установках для генерации кислорода, например, в экстренных ситуациях.
Преимущества метода:
Компактность и простота.
Возможность получения кислорода в удаленных местах или на объектах с ограниченными ресурсами.
Недостатки:
Ограниченные объемы кислорода.
Требуется запас химических реагентов.
Заключение
В промышленности для массового производства кислорода обычно применяют методы сжижения воздуха (фракционная перегонка), мембранной фильтрации и адсорбции (PSA), так как они позволяют получать большие объемы газа с приемлемой чистотой. Электролиз воды и химическое разложение используются в специфических областях, где требуется кислород высокой чистоты или в ограниченных условиях.
Если речь идет о получении кислорода в малых количествах (например, в медицине), более подходящими являются мембранные установки или системы на основе адсорбции.
