Способ получения азота

Версия для печатиВерсия для печати

Воздух как неисчерпаемый источник промышленного азота долгое время оставался неиспользованным. Объясняется это тем, что разделение воздуха на азот, кислород и другие газы представляло большие трудности. Основная причина заключалась в том, что азот, который занимает 80% объема воздуха, как правило, не вступает в соединение с другими элементами.

Можно было бы пойти по другому пути - вместо фиксации азота связать кислород, который легко вступает в соединения со многими элементами, встречающимися в природе. Азот в этом случае остался бы в газообразном состоянии. Но этот дорогой и малопроизводительный метод не мог служить источником азота для промышленных целей.

По аналогии с методом разделения жидкости полагали, что самым рациональным способом разделения воздуха является его ожижение с последующим испарением каждого газа в отдельности. Но получить жидкий воздух долгое время не удавалось.

В дальнейшем выяснилось, что критическая температура для азота составляет -147°C, для кислорода -119°C, а для воздуха -141°C. Каждый газ имеет не только свою критическую температуру, но и свое критическое давление, ниже которого газ, охлажденный до своей критической температуры, не переходит в жидкость.

После этого открытия стало понятно, чтобы получить жидкий воздух, необходимо было температуру газообразного воздуха понизить до -141°C, а давление поднять до 37,2 атмосферы. При более высокой температуре, как бы велико ни было давление, получить жидкий воздух нельзя. Но при более низкой температуре можно сжижать воздух и при меньшем давлении. Например, если охладить воздух до температуры -195°C, то он перейдет в жидкое состояние и при атмосферном давлении.

Получив жидкий воздух, начали искать способ его разделения на составные части. Было известно, что для разделения смеси, состоящей из нескольких жидкостей с различными температурами кипения, необходимо медленно отгонять сначала одну из них, кипящую при более низкой температуре, а затем ту, температура кипения которой выше.

Жидкий воздух представляет собой смесь жидкостей с различными температурами кипения, и к нему могут быть применены все законы фракционной перегонки.

Как известно, температура кипения азота на 195,8°C, а кислорода - на 183°C ниже нуля. Чтобы испарить азот или кислород, не нужен специальный источник теплоты. Даже та теплота, которая поступает из окружающего воздуха, вызывает бурное кипение этих жидкостей.

Чтобы понизить скорость кипения и устранить возможное одновременное испарение азота и кислорода, необходимо уменьшить приток теплоты из окружающей среды.

Азот из жидкого воздуха получают путем медленного его испарения. Но однократным разделением жидкого воздуха нельзя получить чистых продуктов отгона. Даже в начале процесса, когда в жидком воздухе содержится 78% азота и 21% кислорода, полученный газообразный азот будет содержать примесь кислорода и чем меньше азота будет оставаться в жидкой смеси, тем количество примеси кислорода будет больше.

Например, когда в жидкой фазе останется только 50 процентов азота, то в газообразной фазе, кроме азота, будет содержаться до 20, процентов кислорода.

Поэтому неминуемо повторное разделение газов, для чего их необходимо снова сконденсировать. Но конденсировать азот нецелесообразно, обычно из получаемой смеси газов конденсируют только кислород.

Пропуская через жидкий воздух газообразный азот, содержащий примеси кислорода, можно получить чистый азот, так как часть газообразного кислорода сконденсируется и останется в жидкой фазе. Одновременно из жидкого воздуха дополнительно испарится часть азота.

На принципе повторной конденсации кислорода с одновременным испарением азота из жидкого воздуха основан процесс разделения жидкого воздуха на чистый газообразный азот и жидкий кислород.

Аппарат, в котором осуществляется разделение жидкого воздуха на азот и кислород, называется ректификационной колонной, а число ступеней, в которых конденсируется кислород и испаряется азот, носит название числа тарелок. Чем больше тарелок в ректификационной колонне, тем чище конечные продукты разделения жидкого воздуха на его составные части.

Ректификационная колонна состоит из ряда перегородок, в которые впаяны сливные стаканы. В верхнее отделение (тарелку) - медленно подают жидкий воздух. По сливным стаканам он постепенно стекает вниз, заполняя все тарелки колонны.

Ректификационная колонна

1 - корпус колонны; 2 - латунные перегородки; 3 - сливные стаканы; 4 - сливной кран

Схема ректификационной колонны

Перегородки сделаны из латунного листа, в котором на расстоянии около 3 миллиметров друг от друга в шахматном порядке пробиты мелкие отверстия диаметром в 0,8-0,9 миллиметра. Образующийся при (испарении жидкого воздуха газообразный азот с примесью кислорода под небольшим давлением проходит через отверстия в дне тарелок, не давая жидкости просочиться через них. Газы, пройдя через слой жидкости, вспенивают ее, хорошо перемешиваясь с ней. Во время перемешивания газообразный кислород конденсируется и переходит в жидкое состояние. За счет теплоты, выделенной при конденсации кислорода, испаряется новая часть азота, которая вместе с поступившим азотом переходит вверх на следующую тарелку, где он все больше обедняется кислородом. В результате наверху, на выходе из колонны, получают чистый газообразный азот, а внизу колонны собирается чистый жидкий кислород.