Кислород

 Введение

Кислород является самым распространенным элементом на земле, встречающимся в виде химических соединений в различными веществами: в земле – до 50 % по массе; в соединении с водородом в воде – около 86 % по массе и в воздухе – до 21 % по объему и 23 % по массе.

При нормальных условиях (температура 20 °С, давление 0,1 МПа) – это бесцветный, прозрачный, негорючий газ, немного тяжелее воздуха, не имеющий запаха, но активно поддерживающий горение. При нормальных условиях масса 1 м³ кислорода равна 1,33 кг.

Кислород обладает высокой химической активностью и способен образовывать химические соединения (оксиды) со всеми элементами, кроме инертных газов (аргон, криптон, ксенон, неон и гелий) и благородных металлов (золото, серебро, платина, палладий, родий и т.д.). Скорость реакции окисления резко возрастает при повышении температуры или применении катализаторов. Реакции окисления органических веществ в кислороде носят экзотермический характер и протекают с выделением большого количества теплоты. Повышение давления и температуры кислорода в зоне реакции значительно ускоряет ее. В сжатом или нагретом кислороде процесс окисления при определенных условиях может протекать с нарастающей скоростью за счет повышения температуры в зоне реакции вследствие выделения теплоты.

Технический кислород находит широкое применение во многих ведущих отраслях промышленности. Его используют для интенсификации выплавки стали (в мартеновских и электрических печах) и чугуна (в доменных печах), при кислородно-конверторной выплавке стали и получении цветных металлов из руд. Крупным потребителем кислорода является химическая промышленность. С его применением осуществляется газификация твердых топлив, конверсия газообразных углеводородов при получении синтетического аммиака, метанола и формальдегида, производство ацетилена из природного газа, азотной и серной кислот и другие процессы.

Технический газообразный кислород применяют для газопламенной обработки металлов и других технических целей. Медицинский газообразный кислород применяют для дыхания и лечебных целей.

Согласно ГОСТ 5583-78 кислород различается различной степенью чистоты (99,7–99,2 %). Следует учесть важное значение чистоты газа при сварке и резке металла. Снижение чистоты кислорода на 1 % не только ухудшает качество сварного шва, но и требует увеличения расхода кислорода на 1,5 %.

 Свойства

Основные свойства кислорода приведены в таблице 1.

Таблица 1 — Основные свойства кислорода

Показатель	Данные показателя
Формула	О2
Молекулярная масса	31,9988
Плотность (при 0 °С и давлении 760 мм рт. ст.), кг/м3	1,43
Плотность (при 20 °С и давлении 760 мм рт. ст.), кг/м3	1,33
Температура критическая, °С	-118,8
Давление критическое, кгс/см2	51,35
Температура кипения (при 760 мм рт. ст.), °С	-182,97
Температура плавления (затвердевания) (при 760 мм рт. ст.), °С	-218,4
Масса 1 л жидкости кислорода при -182,97 °С и 760 мм рт. ст., кг	1,13
Количество газообразного кислорода, получающегося из 1 л жидкого, л	850

Массовая концентрация механических примесей в медицинском кислороде, предназначенном для авиации, – не более 0,001 г/м³ с размером частиц не более 0,1 мм при 15 °С и 101, 3 кПа (760 мм рт. ст.).

По физико-химическим показателям газообразный технический и медицинский кислород должен соответствовать нормам, указанным в таблице 2.

Таблица 2 — Физико-химические показатели кислорода

Наименование показателя	Норма для марок
	Технический кислород		Медицинский кислород
	Первый сорт	Второй сорт
Объемная доля кислорода, %, не менее	99,7	99,5	99,5
Объемная доля водяных паров, %, не более	0,007	0,009	0,009
Объемная доля водорода, %, не более	0,3	0,5	—
Объемная доля двуокиси углерода, %, не более	Не нормируется		0,01
Запах	Не нормируется		Отсутствие

 Производство кислорода из воздуха

В промышленности технически чистый кислород получают двумя способами:

• из воздуха – методом глубоко охлаждения;
• из воды – путем электролиза.

Способ производства кислорода из воздуха более экономичный: на 1 м³ кислорода расходуется 0,5–1,6 кВт/ч электроэнергии. Чтобы получить 1 м³ кислорода путем электролиза воды требуется 10–21 кВт/ч.

Атмосферный осушенный воздух представляет собой смесь, содержащую 20,93 % кислорода и 78,03 % азота, остальное – инертные газы, углекислый газ и пр. Содержание водяных паров в воздухе может изменяться в зависимости от температуры и степени их насыщения. Для получения технически чистого кислорода воздух подвергают глубокому охлаждению и сжижают (температура кипения жидкого воздуха при нормальном атмосферном давлении –194,5 °С). Полученный жидкий воздух подвергают дробной перегонке или ректификации в ректификационных колоннах. Возможность успешной ректификации основывается на довольно значительной разности (около 13 °С) температур кипения жидких азота (–196 °С) и кислорода (–183 °С).

Воздух, засасываемый многоступенчатым компрессором, проходит сначала через воздушный фильтр, где очищается от пыли, затем проходит последовательно ступени компрессора. За каждой ступенью компрессора давление воздуха возрастает и достигает 5–22 МПа в зависимости от системы установки и стадии производства. После каждой ступени воздух проходит водяной холодильник и влагоотделитель, где отделяется вода, конденсирующаяся при сжатии воздуха.

Сжатый воздух из компрессора проходит через осушительную батарею из баллонов, заполненных кусками едкого натра, поглощающего влагу и остатки углекислоты. Затем сжатый воздух поступает в кислородный аппарат, где происходит охлаждение, сжижение и ректификация (разделением на кислород и азот). Газообразный азот применяют как защитный газ для сварки меди.

Кислород направляется в газгольдер и подается для наполнения кислородных баллонов под давлением до 16,5 МПа; масса 1 м³ кислорода при нормальном атмосферном давлении (0,1 МПа) и 0 °С составляет 1,43 кг, при 20 °С – 1,31 кг; масса 1 л жидкого кислорода равна 1,13 кг; в результате испарения образуется 0,79 м³ газообразного кислорода (при 0 °С и нормальном атмосферном давлении); 1 кг жидкого кислорода занимает объем 0,885 л и, испаряясь, образует 0,70 м³ газообразного кислорода (при 0 °С и атмосферном давлении 0,1 МПа).

 Расчет объема газообразного кислорода в баллоне

Объем газообразного кислорода в баллоне (V) в кубических метрах при нормальных условиях вычисляют по формуле:

V = K1·Vб,

где

Vб	—	вместимость баллона, дм3. В расчетах принимают среднюю статистическую величину вместимости баллонов не менее чем из 100 шт.;
K1	—	коэффициент для определения объема кислорода в баллоне при нормальных условиях, вычисляемый по формуле:

где

P	—	давление газа в баллоне, измеренное манометром, кгс/см2;
0,968	—	коэффициент для пересчета технических атмосфер (кгс/см2) в физические;
t	—	температура газа в баллоне, °С;
Z	—	коэффициент сжигаемости кислорода при температуре t.

Значения коэффициента K₁ приведены в таблице 3.

 Транспортирование и хранение

Упаковка, маркировка, транспортирование и хранение газообразного технического и медицинского кислорода – по ГОСТ 26460.

Номинальное давление кислорода при 20 °С при наполнении, хранении и транспортировании баллонов и автореципиентов должно составлять (14,7 ± 0,5) МПа [(150 ± 5) кгс/см²] или (19,6 ± 1,0) МПа [(200 ± 10) кгс/см²].

Технический и медицинский кислород транспортируют также автомобильными газификационными установками, осуществляющими газификацию жидкого кислорода непосредственно у потребителя.

Технический кислород транспортируют и по трубопроводу. Давление кислорода, транспортируемого по трубопроводу, должно быть согласовано между изготовителем и потребителем. К месту сварки кислород доставляется в кислородных баллонах, и в жидком виде – в специальных сосудах с хорошей теплоизоляцией.

Для превращения жидкого кислорода в газ используют газификаторы или насосы с испарителями для жидкого кислорода. При нормальном атмосферном давлении и температуре 20 °С 1 дм³ жидкого кислорода при испарении дает 860 дм³ газообразного.

Возвратные баллоны и автореципиенты должны иметь остаточное давление кислорода не ниже 0,05 МПа (0,5 кгс/см²).

 Требования безопасности

Кислород не токсичен, не горюч и не взрывоопасен, однако, являясь сильным окислителем, резко увеличивает способность других материалов к горению. Поэтому для работы в контакте с кислородом могут использоваться только разрешенные для этого материалы.

При соприкосновении сжатого газообразного кислорода с органическими веществами, маслами, жирами, угольной пылью, горючими пластмассами, даже в ничтожном количестве, может произойти их самовоспламенение в результате выделения теплоты при быстром сжатии кислорода, трении и ударе твердых частиц о металл, а также электростатического искрового разряда. Поэтому при использовании кислорода необходимо тщательно следить за тем, чтобы он не находился в контакте с легковоспламеняющимися и горючими веществами. В кислороде могут загораться также углеродистые стали при достаточном количестве теплоты в месте контакта и небольшой массе металла (например, при трении тонких платин о массивные части машин, наличии стружки, частиц окалины или железного порошка).

Для предотвращения аварий всю кислородную аппаратуру, кислородопроводы и баллоны подвергают тщательному обезжириванию. Необходимо исключить возможность попадания и накопления масел и жиров на поверхности деталей, работающих в среде кислорода.

Цилиндры компрессоров, накачивающих кислород в баллоны, смазывают не маслом, а дистиллированной водой, в которую иногда добавляют 10 % глицерина. Кроме того, в кислородных компрессорах применяют поршневые кольца из графита и других антифрикционных материалов, работающие без смазки и не загрязняющие кислород органическими примесями.

Также опасны пропитанные жидким кислородом пористые горячие вещества (уголь, сажа, войлок, пакля, ветошь, вата и др.), которые в этом случае становятся взрывчатыми. Одежда и волосы, будучи насыщенны кислородом, легко загораются. Смеси кислорода с горючими газами, жидкостями и их парами взрывоопасны при определенных соотношениях кислорода и горючего в смеси.

Накопление кислорода в воздухе помещений создает опасность возникновения пожаров. Объемная доля кислорода в рабочих помещениях не должна превышать 23 %. В помещениях, где возможно увеличение объемной доли кислорода, должно быть ограничено пребывание людей и не должны находиться легковоспламеняющиеся материалы. Эти помещения должны быть оборудованы средствами контроля воздушной среды и вытяжной вентиляцией для проветривания.

Перед проведением ремонтных работ или освидетельствованием трубопроводов, баллонов, стационарных и передвижных реципиентов или другого оборудования, используемого для хранения и транспортирования газообразного кислорода, необходимо продуть все внутренние объемы воздухом. Разрешается начинать работы только после снижения объемной доли кислорода во внутренних объемах оборудования до 23 %.

После пребывания в среде, обогащенной кислородом, не разрешается курить, использовать открытый огонь и приближаться к огню. Одежда должна быть проветрена в течение 30 мин.

Баллоны, автореципиенты и трубопроводы, предназначенные для транспортирования технического и медицинского кислорода, запрещается использовать для хранения и транспортирования других газов, а также запрещается производить какие-либо операции, которые могут загрязнить их внутреннюю поверхность и ухудшить физико-химические показатели продукции.

При погрузке, разгрузке, транспортировании и хранении баллонов должны применяться меры, предотвращающие падение, удары друг о друга, повреждение и загрязнение баллонов маслом. Баллоны должны быть предохранены от атмосферных осадков и нагревания солнечными лучами и другими источниками тепла.