Кислород можно получить по реакции. Как получают кислород в промышленности. Достоинства газоразделительных систем

Данный урок посвящен изучению современных способов получения кислорода. Вы узнаете, с помощью каких методов и из каких веществ получают кислород в лаборатории и промышленности.

Тема: Вещества и их превращения

Урок: Получение кислорода

В промышленных целях кислород необходимо получать в больших объёмах и максимально дешёвым способом. Такой способ получения кислорода был предложен лауреатом Нобелевской премии Петром Леонидовичем Капицей. Он изобрёл установку для сжижения воздуха. Как известно, в воздухе находится около 21% по объему кислорода. Кислород можно выделить из жидкого воздуха методом перегонки, т.к. все вещества, входящие в состав воздуха имеют разные температуры кипения. Температура кипения кислорода — -183°С, а азота — -196°С. Значит, при перегонке сжиженного воздуха первым закипит и испарится азот, а затем – кислород.

В лаборатории кислород требуется не в таких больших количествах, как в промышленности. Обычно его привозят в голубых стальных баллонах, в которых он находится под давлением. В некоторых случаях всё же требуется получить кислород химическим путём. Для этого используют реакции разложения.

ОПЫТ 1. Нальем в чашку Петри раствор пероксида водорода. При комнатной температуре пероксид водорода разлагается медленно (признаков протекания реакции мы не видим), но этот процесс можно ускорить, если добавить в раствор несколько крупинок оксида марганца(IV). Вокруг крупинок черного оксида сразу начинают выделяться пузырьки газа. Это кислород. Как бы долго ни протекала реакция, крупинки оксида марганца(IV) в растворе не растворяются. То есть, оксид марганца(IV) участвует в реакции, ее ускоряет, но сам в ней не расходуется.

Вещества, которые ускоряют реакцию, но не расходуются в реакции, называют катализаторами .

Реакции, ускоряемые катализаторами, называют каталитическими .

Ускорение реакции катализатором называют

катализом .

Таким образом, оксид марганца (IV) в реакции разложения пероксида водорода служит катализатором. В уравнении реакции формула катализатора записывается сверху на

Получение кислорода в промышленности

В атмосферном воздухе кислород занимает 21%. Большая часть его находится в земной коре, пресной воде и живых микроорганизмах. Он применяется во многих сферах промышленности и задействуется для хозяйственных и медицинских потребностей. Востребованность вещества обусловлена химическими и физическими особенностями.

Как добывают кислород в промышленности. 3 метода

Производство кислорода в промышленности осуществляется за счет деления атмосферного воздуха. Для этого задействуются следующие методы:

• Мембранный. Основывается на проницаемости мембран в хаотичном порядке. Его суть сводится к разной скорости проникновения газов через мембрану, выполненную из полимерных материалов при смене парциального давления. Чистая воздушная масса, которая предварительно сжимается, направляется в мембрану. Газы быстрого типа просачиваются через мембрану в область с невысоким рабочим давлением и в зоне выхода впитывают компонент, отличающийся легкостью проникновения. Остальное количество воздуха обогащается медленным газом и удаляется с агрегата. Преимущества такого метода заключается в экономии электроэнергии и незатратной эксплуатации мембранных установок. С его помощью получаемый кислород отличается чистотой в пределах 45%.
• Адсорбционный. Базируется на зависимости поглощения элемента газовой смеси от парциального давления и температурного режима. Процесс поглощения осуществляется за счет предусмотренных молекулярных сит с применением периодической адсорбции. Его регулировка происходит благодаря смене давления и температуры. Зависимость свойств адсорбента от поглотительных способностей элемента газа является пропорциональной давлению. Данный метод, который объясняет, как получают кислород в промышленности, характеризуется незначительными затратами на электрическую энергию и эксплуатацию агрегатов.
  Генераторы кислорода — оборудование для получения кислорода адсорбционным методом.
• Криогенный. Дает возможность получать кислород, чистота которого достигает 99,7%. Благодаря температурной разнице кипения кислорода и азота позволяет добиваться разделения сжатой воздушной массы на элементы в колоннах ректификационного типа. Чтобы воздух трансформировался в жидкое состояние, его температура должна опуститься к отметке -196 °C. Процедура охлаждения осуществляется в специальных машинах (детандерах). Отличительная особенность такого оборудования — расширение воздушной массы наблюдается как на лопатках рабочего колеса, так и в сопловом устройстве. Движение газа происходит против центробежных сил. Криогенные кислородные установки вырабатывают холод с применением воздуха, находящегося в сжатом состоянии до нескольких атмосфер. Вращение ротора генератора выполняется за счет энергии.

Производство кислорода в промышленных масштабах несет в себе высокую значимость. К выбору технологии и соответствующего оборудования нужно уделить повышенное вынимание. Допущенные ошибки могут негативно отразиться на технологичном процессе и повлечь за забой увеличение затрат.

Технические особенности оборудования для получения кислорода в промышленности

Наладить процесс получения кислорода в газообразном состоянии помогают генераторы промышленного типа «ОКСИМАТ». Их технические характеристики и конструктивные особенности направлены на получение данного вещества в промышленности необходимой чистоты и требуемом количестве на протяжении суток (без перерыва). Следует учесть, что работать оборудование может в любом режиме как с остановками, так и без них. Агрегат функционирует под давлением. На входе должен быть осушенный воздух в сжатом состоянии очищенный от влаги. Предусматриваются модели малой, средней и большой производительности.

Нужна консультация по выбору генератора кислорода? Звоните!

+7 (800) 550-06-57

или оставте заявку онлайн

Наши консультанты помогут Вам в выборе подходящего оборудования и предложат различные варианты модификаций товара.

Оставить заявку

Как получают кислород

Как получают кислород:

В лаборатории кислород получают, нагревая легко разлагающиеся вещества, например, бертолетову соль, которая начинает кипеть при 400°C и происходит её разложение с выделением газа:

2KClO₃   2KCl + 3O₂ ↑

Символ температуры (t) над равенством означает, что реакция происходит при нагревании. А стрелка вверх (↑) показывает, что выделяется газ.

Чтобы реакция проходила при меньшей температуре в 200 °C, к бертолетовой соли добавляют катализатор — вещество, которое ускоряет реакцию. Реакции с катализатором называют катализом. В данном случае добавляют оксид марганца MnO

2

Реакцию записывают так:

2KClO₃  ​​​​​​​ 2KCl + 3O₂ ↑

Полученный кислород вытесняет воздух из пробирки. Чтобы воздух не смешивался с кислородом обратно, ему не дают вернуться, с помощью неплотного прикрытия пробирки бумагой или ваткой.

Если в пробирке кислород, то поднесенная тлеющая лучинка будет вспыхивать около отверстия.

Существуют и другие способы получения кислорода. 

Полученный кислород сжимают под давлением до 150 атмосфер, чтобы он превратился в жидкость и закачивают в специальные баллоны с голубой окраской.

Редактировать этот урок и/или добавить задание Добавить свой урок и/или задание

Добавить интересную новость

Химические и физические свойства, применение и получение кислорода

Четыре элемента-«халькогена» (т.е. «рождающих медь») возглавляют главную подгруппу VI группы (по новой классификации – 16-ю группу) периодической системы. Кроме серы, теллура и селена к ним также относится кислород. Давайте подробно разберем свойства этого наиболее распространенного на Земле элемента, а также применение и получение кислорода.

Распространенность элемента

Содержание кислорода в земной коре составляет практически 50%. Он находится в различных минералах в виде оксидов и солей.

В связанном виде кислород входит в химический состав воды – его процентное соотношение составляет порядка 89%, а также в состав клеток всех живых существ – растений и животных.

В воздухе кислород находится в свободном состоянии в виде О2, занимая пятую часть его состава, и в виде озона – О3.

Физические свойства

Кислород О2 представляет собой газ, который не обладает цветом, вкусом и запахом. В воде растворяется слабо. Температура кипения – 183 градуса ниже нуля по Цельсию. В жидком виде кислород имеет голубой цвет, а в твердом виде образует синие кристаллы. Температура плавления кислородных кристаллов составляет 218,7 градуса ниже нуля по Цельсию.

Химические свойства

При нагревании этот элемент реагирует со многими простыми веществами, как металлами, так и неметаллами, образуя при этом так называемые оксиды – соединения элементов с кислородом. Химическая реакция, в которую элементы вступают с кислородом, называется окислением.

Например,

4Na + О2= 2Na2O

S + О2 = SO2

Некоторые из сложных веществ также вступают в реакцию с кислородом, тоже образуя при этом оксиды:

СН4 + 2О2= СО2 + 2Н2О

2СО + О2 = 2СО2

Если какое-либо вещество медленно реагирует с кислородом, то такое окисление называется медленным. Например, это процессы разложения пищевых продуктов, гниение.

Получение кислорода

Этот химический элемент можно получить как в лаборатории, так и на промышленном предприятии.

Получение кислорода в лаборатории проводится несколькими способами:

1. С помощью реакции разложения бертолетовой соли (хлората калия).

2. Через разложение перекиси водорода при нагревании ее в присутствии оксида марганца, выступающего в роли катализатора.

3. Через разложение перманганата калия.

Получение кислорода в промышленности проводится такими способами:

1. Для технических целей кислород получают из воздуха, в котором обычное его содержание составляет порядка 20%, т.е. пятую часть. Для этого воздух сначала сжигают, получая смесь с содержанием жидкого кислорода около 54%, жидкого азота – 44% и жидкого аргона – 2%. Затем эти газы разделяют с помощью процесса перегонки, используя сравнительно небольшой интервал между температурами кипения жидкого кислорода и жидкого азота – минус 183 и минус 198,5 градуса соответственно. Получается, что азот испаряется раньше, чем кислород.

Современная аппаратура обеспечивает получение кислорода любой степени чистоты. Азот, который получается при разделении жидкого воздуха, используется в качестве сырья при синтезе его производных.

2. Электролиз воды также дает кислород очень чистой степени. Этот способ получил распространение в странах с богатыми ресурсами и дешевой электроэнергией.

Применение кислорода

Кислород является основным по значению элементом в жизнедеятельности всей нашей планеты. Этот газ, который содержится в атмосфере, расходуется в процессе дыхания растениями, животными и людьми.

Получение кислорода очень важно для таких сфер деятельности человека, как медицина, сварка и резка металлов, взрывные работы, авиация (для дыхания людей и для работы двигателей), металлургия.

В процессе хозяйственной деятельности человека кислород расходуется в больших количествах – например, при сжигании различных видов топлива: природного газа, метана, угля, древесины. Во всех этих процессах образуется оксид углерода. При этом природа предусмотрела процесс естественного связывания данного соединения с помощью фотосинтеза, который проходит в зеленых растениях под действием солнечного света. В результате этого процесса образуется глюкоза, которую растение потом расходует для строительства своих тканей.

Кислородная установка — Википедия

Экономическая целесообразность применения мембранной технологии для производства кислорода

Кислородная установка — устройство для производства кислорода посредством его отделения от других компонентов воздуха. В основу её работы положены разные принципы — физическая адсорбция (короткоцикловая (КЦА) и вакуумная короткоцикловая (ВКЦА)), мембранное и криогенное разделение.

Кислородные установки находят широкое применение в различных технологических процессах практически во всех отраслях промышленности, в медицине и сельском хозяйстве. Это обусловлено сильными окислительными свойствами кислорода, например, способностью поддерживать процесс горения.

Кислородные установки получили очень широкое распространение в процессах металлообработки, сварки, резки и пайки. В химической, нефтехимической промышленности и нефтегазовом комплексе кислород в больших объёмах используется как окислитель в химических реакциях.

Принцип работы[править | править код]

В кислородных установках используется явление селективной гетерогенной адсорбции кислорода из воздуха твердым адсорбентом. Установки отличаются высокой надежностью, простотой и высокими технико-экономическими характеристиками.

Схема работы адсорбционной кислородной установки

Влияние температуры и давления[править | править код]

Методы получения из воздуха газообразного кислорода с помощью технологии адсорбции на сегодняшний день доведены почти до совершенства. Работа современной адсорбционной кислородной установки основана на том, что поглощение газа адсорбентом сильно зависит от температуры и парциального давления компонента газа.

Таким образом, благодаря изменению давления и температуры можно регулировать процессы поглощения газа и регенерации адсорбента.

Технологии короткоцикловой адсорбции (КЦА)[править | править код]

Процесс работы кислородной установки устроен таким образом, что легко адсорбируемые компоненты смеси газа поглощаются адсорбентом, тогда как слабо адсорбируемые и неадсорбируемые компоненты проходят через установку. На сегодняшний день получили распространение три метода организации циклического безнагревного процесса адсорбционного разделения воздуха: напорные (PSA), вакуумные (VSA) и смешанные (VPSA). Для напорных схем кислород извлекают при давлении выше атмосферного, а стадия регенерации адсорбента протекает при атмосферном давлении. В вакуумных схемах кислород получают при атмосферном давлении, регенерация проводится при отрицательном давлении. Работа смешанных схем сочетает изменение давления от положительного до отрицательного.

Принцип работы мембран[править | править код]

В основе разделения газовых сред с помощью мембранных кислородных установок лежит разница в скоростях проникновения компонентов в газовой смеси через вещество мембраны. Процесс разделения обусловлен разницей в парциальных давлениях на различных сторонах мембраны.

Принцип работы мембранного картриджа

Мембранный картридж[править | править код]

Современная газоразделительная мембрана представляет собой отнюдь не плоскую пластину или плёнку, а полое волокно. Для технологий мембранного разделения газов применяется современная половолоконная мембрана, состоящая из пористого полимерного волокна с нанесенным на его внешнюю поверхность газоразделительным слоем. Конструктивно половолоконная мембрана компонуется в виде цилиндрического картриджа, который представляет собой катушку с намотанным на неё особым образом полимерным волокном. Пористое волокно имеет сложную асимметричную структуру, плотность полимера возрастает по мере приближения к внешней поверхности волокна. Применение пористых подложек с асимметричной структурой позволяет разделять газы при высоких давлениях (до 6,5 MПа).

Толщина газоразделительного слоя волокна не превышает 0,1 мкм, что обеспечивает высокую удельную проницаемость газов через полимерную мембрану. Существующий уровень развития технологии позволяет производить полимеры, которые обладают высокой селективностью при разделении различных газов, что, соответственно, обеспечивает высокую чистоту газообразных продуктов. Современный мембранный модуль, используемый в кислородных установках, состоит из сменного мембранного картриджа и корпуса. Плотность упаковки волокон в картридже достигает значений 500—700 квадратных метров волокна на один кубический метр картриджа, что позволяет минимизировать размеры кислородных установок.

Компрессорная и вакуумная технологии[править | править код]

Из-за высокой проницаемости вещества мембраны по кислороду, в отличие от азота, требуется специальный подход к проектированию мембранных кислородных комплексов. Принципиально существует две технологии получения кислорода с помощью мембран: компрессорная и вакуумная. В случае компрессорной технологии воздух под избыточным давлением подается в волоконное пространство, кислород выходит из мембраны под небольшим избыточным давлением, и, в случае необходимости, дожимается компрессором до нужного давления. При использовании вакуумной технологии в кислородной установке для создания разности парциальных давлений применяется вакуумный насос.

Преимущества адсорбционных и мембранных кислородных установок[править | править код]

• Возможность автоматизации
• Во время работы не требуется контроль со стороны оператора
• Быстрый запуск и остановка системы
• Небольшие габариты и вес
• Большой ресурс установок
• Отсутствие специальных требований к помещению

Недостатки адсорбционных и мембранных кислородных установок[править | править код]

• Ограниченная производительность
• Относительно низкая чистота получаемого кислорода — не более 95 % для адсорбционных и не более 45 % для мембранных

Принцип разделения газов[править | править код]

В основе работы криогенных кислородных установок разделения воздуха лежит метод низкотемпературной ректификации, базирующийся на разности температур кипения компонентов воздуха и различии составов, находящихся в равновесии жидких и паровых смесей. В процессе разделения воздуха при криогенных температурах между находящимися в контакте жидкой и паровой фазами, состоящими из компонентов воздуха, осуществляется массо- и теплообмен. В результате паровая фаза обогащается низкокипящим компонентом (компонентом, имеющим более низкую температуру кипения), а жидкая высококипящим компонентом. Таким образом, поднимаясь по ректификационной колонне вверх, пар обогащается низкокипящим компонентом — азотом, а стекающая вниз жидкость насыщается высококипящим компонентом — кислородом.

Преимущества[править | править код]

Криогенный метод — единственный метод, который обеспечивает высокую чистоту продуктов разделения, что немаловажно при высоком коэффициенте извлечения и любом количестве продукта, что обуславливает высокую экономичность. При этом метод позволяет одновременно получать несколько продуктов разделения и получать продукты как в виде газа, так и в виде жидких продуктов. В данном случае, чем больше продуктов получается на выходе, тем эффективнее работает установка. Таким образом, криогенная технология обеспечивает более высокую гибкость технологии.

Недостатки[править | править код]

К недостаткам криогенных кислородных установок можно отнести более длительный, по-сравнению с адсорбционными и мембранными установками, пусковой период. В силу чего данный метод целесообразно применять для крупных стационарных комплексов большой производительности с длительным периодом непрерывной работы.

Получение кислорода

Получение кислорода из селитрыПолучение кислорода из марганцовкиПерекись водорода в таблетках

Для получения кислорода, потребуются вещества, которые им богаты. Это пероксиды, селитры, хлораты. Мы будем использовать те, что можно достать без особого труда.

Для получения кислорода в домашних условиях есть несколько способов, разберём их по-порядку.

Самый простой и доступный способ получения кислорода – использовать марганцовку (или более правильное название – перманганат калия). Всем известно, что марганцовка – прекрасный антисептик, используется в качестве обеззараживающего вещества. Если её нет, то можно приобрести в аптеке.

Поступим так. В пробирку насыпаем немного марганцовки, закроем пробиркой с отверстием, в отверстие установим газоотводную трубку (по ней будет идти кислород). Другой конец трубки поместим в другую пробирку (она должна располагаться вверх дном, так как выделяющийся кислород легче воздуха и будет подниматься вверх. Такой же пробкой закром вторую пробирку.
В итоге у нас должно получиться две пробирки, соединённые между собой газоотводной трубкой через пробки. В одной (неперевёрнутой) пробирке — марганцовка. Будем нагревать пробирку с марганцовкой. Тёмно-фиолетово-вишнёвый цвет кристалликов марганцовки исчезнет и превратится в тёмно-зелёные кристаллы манганата калия.

Реакция протекает так:

2KMnO₄→ MnO₂ + K₂MnO₄ +O₂

Так из 10 грамм марганцовки можно получить почти 1 литр кислорода. Через пару минут можно извлечь колбу с марганцовкой из пламени. Мы получили кислород в перевёрнутой пробирке. Можем его проверить. Для этого аккуратно отсоединим вторую трубку (с кислородом) от газоотводной трубки, прикрыв отверстие пальцем. Теперь, если внести слабо горящую спичку в колбу с кислородом, то она ярко вспыхнет!

Получение кислорода возможно также с помощью натриевой или калиевой селитры (соответствующие соли натрия и калия азотной кислоты).
(Нитраты калия и натрия – они же – селитры, продаются на магазинах для удобрений).

Итак, для получения кислорода из селитры возьмём пробирку из тугоплавкого стекла на штативе, поместим туда селитровый порошок (5 грамм будет достаточно).Потребуется под пробирку поставить керамическую чашечку с песком, та как стекло может расплавиться от температуры и потечь. Следовательно, горелку надо будет держать немного сбоку, а пробирку с селитрой – под наклоном.

При сильном нагреве селитры она начинает плавиться, при этом выделяется кислород. Реакция проходит так:

2KNO₃→ 2KNO₂ +O₂

Образующееся вещество – нитрит калия (или натрия, смотря, какая селитра использована) – соль азотистой кислоты.

Ещё один способ получения кислорода – использовать перекись водорода. Пероксид, гидроперит – всё одно и то же вещество. Перекись водорода продаётся в таблетках и в виде растворов (3%, 5%, 10%), которое можно приобрести в аптеке.

В отличии от предыдущих веществ, селитр или марганцовки, перекись водорода – неустойчивое вещество. Уже при наличии света она начинает распадаться на кислород и воду. Поэтому в аптеках перекись продаётся в пузырьках из тёмного стекла.

Кроме того, быстрому разложению перекиси водорода на воду и кислород способствуют катализаторы, например, оксид марганца, активированный уголь, стальной порошок (мелкая стружка) и даже слюна. Поэтому, перекись водорода нагревать не нужно, достаточно катализатора!

КАК ПОЛУЧИТЬ КИСЛОРОД из ВОЗДУХА

ОГНЕННЫЙ ВОЗДУХ

О оздух не является химическим соединением отдельных газов. Теперь известно, что он представляет собою смесь из азота, кислорода и так называемых редких га­зов: аргона, неона, криптона, ксенона и гелия. Кроме того, воздух содержит ничтожные количества водорода и углекислого газа.

Главная составная часть воздуха — азот. Он зани­мает больше 3Д всего объёма воздуха. Пятую часть воздуха составляет «огненный воздух» — кислород. А на долю остальных газов приходится около одной сотой части.

Каким же образом удаётся разделить эти газы и по­лучить из воздуха чистый кислород?

30 лет назад сравнительно широко применялся хими­ческий способ получения кислорода. Для этого использо­валось соединение металла бария с кислородом — оки-сь бария. Это вещество имеет одно интересное свойство. Нагретая до тёмнокрасного цвета (примерно до 540 гра­дусов) окись бария энергично соединяется с кислородом воздуха, образуя при этом новое более богатое кислоро­дом вещество — перекись бария. Однако при дальней­шем нагревании перекись бария разлагается, выделяет кислород и снова превращается в окись. Кислород при

Этом улавливается и собирается в особые сосуды — бал­лоны, а перекись бария охлаждается до 540 градусов, чтобы снова получить способность извлекать кислород из воздуха.

Кислородные установки, работавшие по такому спо­собу, давали несколько кубических метров газа в час. Однако они были дороги, громоздки и неудобны. Кроме того, окись бария при работе постепенно теряла свои поглотительные свойства и её приходилось часто менять.

Всё это привело к тому, что с течением времени хи­мический способ получения кислорода из воздуха был вытеснен другими, более совершенными.

Наиболее просто удаётся выделить кислород из воз­духа в том случае, если воздух предварительно превра­щён в жидкость.

Жидкий воздух при обычном атмосферном давлении имеет крайне низкую температуру—минус 192 градуса, то-есть на 192 градуса ниже точки замерзания воды. Но температура ожижения отдельных газов, входящих в со­став воздуха, не одинакова. Жидкий азот, например, ки­пит и испаряется при температуре минус 196 градусов, а кислород при минус 183 градуса. Эта разница в 13 гра­дусов и позволяет разделить жидкий воздух на состав­ляющие его газы.

Если налить жидкий воздух в какой-либо сосуд, он энергично закипит и очень быстро испарится. При этом в первые моменты испаряется преимущественно азот, и жидкий воздух всё больше обогащается кисло­родом. Этот процесс и положен в основу устройства спе­циальных аппаратов, применяющихся для разделения воздуха.

В настоящее время жидкий воздух широко исполь­зуют для промышленного получения кислорода. Однако, чтобы превратить атмосферный воздух в жидкое состоя­ние, его нужно охладить до весьма низкой темпера­туры. Поэтому современный метод получения жидкого воздуха называется методом глубого охлаж­дения.

Глубокое охлаждение воздуха ведут в специальных машинах. Но, прежде чем рассказать об их работе, нам необходимо познакомиться с несколькими простейшими физическими явлениями.

МЕТАЛЛО-ХИМИЧЕСКИЙ КОМБИНАТ БУДУЩЕГО

П Омечтаем немного о будущем… 195… год. Наш автомобиль мчится по сверкающему асфальту загородного шоссе. По сторонам, в тени дере­вьев, мелькают красивые жилые здания. Машина быстро влетает на пригорок, и …

КИСЛОРОД В ПРОМЫШЛЕННОСТИ и в жизни

В этой книге мы могли остановиться лишь на отдель­ных примерах практического использования кисло­рода. На самом деле область применения «огненного воздуха» значительно шире. Одной из важнейших задач техники наших дней яв­ляется …

КИСЛОРОДНОЕ ДУТЬЁ В МЕТАЛЛУРГИИ

К Ислород активно поддерживает горение. Значит, его целесообразно применять прежде всего в тех про­цессах, которые связаны с горением, с получением высо­ких температур. Таким процессом, помимо газифика­ции твёрдых топлив, является производство …