Содержание:
- Способы получения кислорода
- Сравнительная таблица способов получения кислорода
- Оборудование для получения кислорода
- Что влияет на выбор метода
- Заключение
Кислород — это один из самых востребованных газов в промышленности. Его используют в металлургии, химической, медицинской отраслях, а также в системах жизнеобеспечения и водоочистки. Как производят этот газ в масштабах, достаточных для крупных предприятий? В статье рассмотрим основные способы получения кислорода в промышленности, особенности технологий и их преимущества.
Способы получения кислорода
Методы получения газа подразделяют на лабораторные и промышленные. В первом случае процесс основан на химических реакциях и не подходит для производства кислорода в промышленных масштабах. Рассмотрим все методы, чтобы понять их плюсы, минусы и экономическую целесообразность.
Химический способ
Основан на разложении химических веществ, содержащих кислород, в результате термического воздействия или химических реакций. Применяют в лабораториях, а также в том случае, если не нужен постоянный большой объем газа.
Примеры химических реакций:
- Разложение перманганата калия (KMnO4)
При нагревании KMnO4 разлагается, выделяя O2:
2KMnO4→K2MnO4+MnO2+O2↑
Этот способ часто используется в школах и лабораториях для демонстрации процесса получения газа.
- Разложение пероксида водорода (H2O2)
С добавлением катализатора, например, оксида марганца (MnO2), пероксид водорода разлагается на воду и кислород:
2H2O2→2H2O+O2↑
- Термическое разложение нитратов или хлоратов
Например, разложение бертолетовой соли (KClO3) при нагревании:
2KClO3→2KCl+3O2↑
Преимущества химического метода:
- простая реализация,
- подходит для получения газа высокой чистоты.
Недостатки:
- невозможность масштабного промышленного применения,
- высокая себестоимость процесса.
Электролиз
Электролиз воды — это процесс разложения воды (H2O) на водород (H2) и кислород (O2) под действием электрического тока. Этот способ получения кислорода применяют для получения газа в лабораторных, а также промышленных условиях.
Принцип работы:
Электроды помещают в воду с добавлением электролита, например, раствора щелочи или кислоты, чтобы повысить проводимость. На катоде (-) выделяется водород, а на аноде (+) — кислород:
2H2O→2H2+O2
Этапы процесса:
- Подготовка воды. В нее добавляют электролит, например, NaOH или H2SO4, для улучшения проводимости.
- Пропускание электрического тока. В результате вода разлагается на составляющие.
- Сбор кислорода и водорода в отдельных резервуарах.
Преимущества способа:
- высокая чистота полученного кислорода — до 99,99%,
- экологичность — процесс не требует использования вредных химических веществ,
- получение сразу двух газов — водорода и кислорода.
Недостатки:
- большой расход электроэнергии для производства,
- высокая стоимость получаемого газа.
Экономически целесообразно получать О2 таким способом, только если цена на электроэнергию невысока, например, на гидроэлектростанциях. Этот способ не пригоден для получения кислорода в промышленности.
Криогенная дистилляция воздуха
Это самый распространенный и высокоэффективный способ получения О2 из воздуха, обеспечивающий чистоту до 99,95%.
Этапы процесса:
- Воздух очищают от углекислого газа, влаги и твердых частиц.
- Затем его сжимают, охлаждают до температуры ниже точки сжижения.
- Полученную жидкую смесь разделяют методом дистилляции. Компоненты — азот, кислород, аргон, отделяются благодаря разнице в их температурах кипения.
- Чистый газ собирают, а хранят в криогенных резервуарах.
Преимущества:
- Высокая чистота газа, подходящая для медицины, высокотехнологичных процессов.
- Возможность одновременного получения азота и аргона.
- Экономичность при больших объемах производства.
Недостатки:
- дорогостоящее оборудование,
- высокое энергопотребление в процессе производства О2.
Адсорбционный метод — PSA — Pressure Swing Adsorption
Этот способ получения кислорода для промышленности основан на использовании молекулярных сит, которые адсорбируют азот, оставляя О2 в газовой смеси. После насыщения сит процесс переходит на вторую стадию, где давление снижается, и азот выделяется, освобождая адсорбенты для повторного цикла.
Этапы процесса:
- Компрессор сжимает воздух, очищая его от примесей.
- В специальной камере под давлением азот связывается адсорбентами.
- Освобожденный кислород собирается и подается потребителю.
Преимущества:
- быстрый запуск и остановка оборудования,
- оборудование можно установить непосредственно в месте потребления,
- регулируемая концентрация — до 95%.
Недостатки:
- чистота до 95% — подходит не для всех сфер,
- нужна регулярная замена молекулярных сит.
Мембранный способ
Для получения О2 используют полупроницаемые мембраны, которые пропускают кислород быстрее, чем азот. Это обеспечивает разделение газов с образованием кислородной обогащенной смеси.
Этапы процесса:
- Сжатый воздух поступает в мембранный модуль.
- Легкие молекулы О2 проходят через мембрану быстрее, чем молекулы азота.
- На выходе получается смесь с концентрацией кислорода до 40%.
Преимущества:
- простая конструкция, требующая минимального технического обслуживания;
- низкое энергопотребление.
Этот метод подходит для небольших производств. Основной недостаток — это низкая чистота газа — до 40%, что сильно ограничивает сферу применения.
Сравнительная таблица методов
Ниже представлены основные способы получения кислорода, с чистотой газа, преимуществами и недостатками.
|
Метод |
Принцип |
Чистота кислорода |
Область применения |
Преимущества |
Недостатки |
|
Химический |
Разложение соединений, содержащих кислород, под воздействием температуры или катализаторов |
До 99% |
Лаборатории, небольшие объемы |
Простота реализации, доступность реагентов |
Высокая себестоимость, непригодность для масштабного производства |
|
Электролиз воды |
Разложение воды на водород и кислород с использованием электрического тока |
До 99,99% |
Лаборатории, медтехника, производство водорода |
Высокая чистота, экологичность |
Высокая энергоемкость, зависимость от стоимости электроэнергии |
|
Криогенная дистилляция |
Сжижение воздуха с последующим разделением компонентов при низких температурах |
До 99,95% |
Массовое производство, металлургия, медицина, промышленность |
Подходит для больших объемов, высокая чистота |
Дорогостоящее оборудование, энергозатратный процесс |
|
Адсорбционный |
Использование адсорбентов для разделения О2 и азота в воздухе |
90–95% |
Небольшие и средние объемы, медицина, производство стекла |
Низкая себестоимость, компактность оборудования |
Ограниченная чистота, зависит от типа адсорбента |
|
Мембранный |
Пропускание воздуха через мембраны, задерживающие азот и пропускающие кислород |
30–45% (до 95% с доп. оборудованием) |
Производство азотно-кислородных смесей, системы пожаротушения |
Низкая стоимость, простота эксплуатации, энергоэффективность |
Низкая чистота кислорода, ограниченность масштабного применения |
Оборудование для получения кислорода в промышленности
Для каждой технологии используют определенное оборудование.
Криогенные установки. Это высокотехнологичное оборудование со множеством элементов —компрессоры, теплообменники, дистилляционные колонны.
PSA-установки. Состоят из компрессора, адсорбционных колонн, системы управления. Адаптивны под разные производственные задачи.
Мембранные системы. Оснащены мембранными модулями и фильтрами. Компактны, просты в обслуживании.
Что влияет на выбор метода
Выбор способа получения кислорода в промышленности зависит:
- От объема производства. Для крупных заводов подходит криогенная дистилляция, для малых — адсорбционные или мембранные установки.
- Чистоты кислорода. Высокая требуется в медицине, электронике.
- Энергозатрат. Мембранные технологии и PSA отличаются низким потреблением энергии.
- Мобильности оборудования. Мембранные и PSA-установки легко транспортировать, поэтому можно использовать даже на отдаленных объектах.
Заключение
Промышленный способ получения кислорода из воздуха — это важный этап в обеспечении потребности в газе множества отраслей. Современные технологии позволяют получать газ в больших объемах с заданной чистотой.
Правильный выбор метода — залог эффективности, экономичности, надежности любого производства.
В компании «Провита» вы можете заказать адсорбционные генераторы кислорода. Мы сами доставим оборудование, проведем пусконаладочные работы. Даем дополнительную гарантию, осуществляем гарантийное и постгарантийное обслуживание.
