Что такое воздух и вода. Где самый чистый и полезный воздух. Проблема загрязнения свежего воздуха

Химический состав воздуха и его свойства

Каждый из нас учился в школе и знает, что пустая бутылка на самом деле не пуста. Не все вещества на нашей планете имеют цвет и запах, не всё мы с вами можем потрогать и попробовать на вкус. Мы дышим воздухом. И он повсюду. Именно он заполняет бутылку, когда мы вино оттуда разольем по бокалам, он заполняет наши легкие при каждом вдохе.

Состав воздуха почти всегда постоянен. Его некоторые колебания могут зависеть от расположения объекта или населенного пункта, рельефа или природной зоны. Большую долю здесь составляет азот (его присутствие в воздухе - примерно семьдесят восемь процентов). Далее - кислород (порядка двадцати одного процента), аргон, озон и немного водяного пара. В состав воздуха в малых долях также включается углекислый и некоторые другие газы. Из этой прозрачной смеси состоит атмосфера Земли, имеющая в высоту от пятидесяти до ста километров от поверхности планеты. Это наша защита от смертельного холода, жары и губительных излучений. Воздух имеет свою плотность, однако может искусственно сжиматься, чем с удовольствием пользуются дайверы.

Кислород

Его каждый с уверенностью назовет самым важным газом для нашей жизни. Кислород - вещество, дающее основу для существования почти всего, что растет и обитает на планете. В состав воздуха данный газ входит абсолютно всегда и почти постоянно составляет примерно пятую его часть.

Кислород в больших объемах вырабатывается зелеными растениями (данный процесс называется фотосинтез), а мы с вами его потребляем. Так, человек за десять минут (при прочих равных условиях) потребляет его примерно три литра. Полезно периодически дышать чистым кислородом (такая услуга имеется уже во многих медицинских, спортивных учреждениях и салонах красоты). Это помогает восстановить организм после тяжелых нагрузок физического или психологического характера.

Если вернуться и посмотреть состав воздуха в процентах, то мы увидим, что данный газ преобладает в нем. Азот считают веществом, являющимся «разбавителем» рассмотренного выше кислорода. Особой индивидуальной полезности он не несет. Однако люди научились ее добывать. В прямом смысле слова. На основе азота производится большое количество минеральных удобрений. И основу для них добывают как раз из воздуха.

Углекислый газ

В состав воздуха он входит в совсем небольшом соотношении - занимает порядка полпроцента, а то и меньше. Данный газ является продуктом нашего дыхания, а также сгорания топлива, считается крайне вредным для человека. Если его доля в воздухе больше одного процента, то это уже является небезопасным. Больше всего углекислого газа обычно в промышленных зонах, внутри жилых и спортивных помещений.

Остальные составляющие

Озон является неотъемлемым элементом воздуха. Его больше в горах, хвойных лесах. Много озона образуется во время грозы. Именно этот газ, находясь в атмосфере, оберегает планету от губительных излучений. В воздухе присутствуют также микроорганизмы, частички пыли, которые, попадая в легкие, могут вызывать заболевания различной тяжести. Из-за промышленных выбросов здесь могут быть соединения серы, сажа и многие другие небезопасные составляющие. Для их минимизации, а также для обеспечения оптимального состава воздуха, постоянно проводится его контроль и изучение.

Химический состав воздуха

Воздух имеет такой химический состав: азот-78, 08%, кислород-20, 94%, инертные газы-0, 94%, диоксид углерода-0, 04%. Эти показатели в приземном слое могут колебаться в незначительных пределах. Человеку в основном нужен кислород, без которого он не сможет жить, как и остальные живые организмы. Но сейчас изучено и доказано, что другие составные части воздуха также имеют большое значение.

Кислород - газ без цвета и запаха, хорошо растворимый в воде. Человек за сутки вдыхает в состоянии покоя примерно 2722 л (25 кг) кислорода. В выдыхаемом воздухе содержится около 16% кислорода. От величины потребляемого кислорода зависит характер интенсивности окислительных процессов в организме.

Азот - газ без цвета и запаха, малоактивный, его концентрация в выдыхаемом воздухе почти не меняется. Он играет важную физиологическую роль в создании атмосферного давления, который жизненно необходим, и совместно с инертными газами разбавляет кислород. С растительной пищей (особенно бобовых) азот в связанном виде поступает в организм животных и участвует в образовании животных белков, а соответственно и белков человеческого организма.

Диоксид углерода - газ без цвета, с кисловатым вкусом и своеобразным запахом, хорошо растворимый в воде. В выдыхаемом из легких воздухе его содержится до 4,7%. Повышение содержания диоксида углерода в 3% во вдыхаемом воздухе отрицательно влияет на состояние организма, возникают ощущения сжатия головы и головная боль, повышается артериальное давление, замедляется пульс, появляется шум в ушах, может наблюдаться психическое возбуждение. При росте концентрации двуокиси углерода до 10% во вдыхаемом воздухе происходит потеря сознания, а затем может наступить остановка дыхания. Большие концентрации быстро приводят к параличу мозговых центров и смерти.

Основными химическими примесями, загрязняющими атмосферу, являются следующие.

Оксид углерода (СО) - бесцветный газ, не имеющий запаха, так называемый «угарный газ». Образуется в результате неполного сгорания ископаемого топлива (угля, газа, нефти) в условиях недостатка кислорода при низкой температуре.

Диоксид углерода (СО 2), или углекислый газ - бесцветный газ с кисловатым запахом и вкусом, продукт полного окисления углерода. Является одним из парниковых газов.

Диоксид серы (SO 2) или сернистый ангидрид - бесцветный газ с резким запахом. Образуется в процессе сгорания серосодержащих ископаемых видов топлива, в основном угля, а также при переработке сернистых руд. Он участвует в формировании кислотных дождей. Длительное воздействие диоксида серы на человека приводит к нарушению кровообращения и остановке дыхания.

Оксиды азота (оксид и диоксид азота). Образуются при всех процессах горения большей частью в виде оксида азота. Оксид азота достаточно быстро окисляется до диоксида, который представляет собой красно-белый газ с неприятным запахом, сильно действующим на слизистые оболочки человека. Чем выше температура горения, тем интенсивнее идет образование оксидов азота.

Озон - газ с характерным запахом, более сильный окислитель, чем кислород. Его относят к наиболее токсичным из всех обычных загрязняющих воздух примесей. В нижнем атмосферном слое озон образуется в результате фотохимических процессов с участием диоксида азота и летучих органических соединений (ЛОС).

Углеводороды - химические соединения углерода и водорода. К ним относят тысячи различных загрязняющих атмосферу веществ, содержащихся в несгоревшем бензине, жидкостях, применяемых в химчистке, промышленных растворителях и т.д. Многие углеводороды опасны сами по себе. Например, бензол, один из компонентов бензина, может вызвать лейкемию, а гексан - тяжелые поражения нервной системы человека. Сильным канцерогеном является бутадиен.

Свинец - серебристо-серый металл, токсичный в любой известной форме. Широко используется для производства припоя, красок, боеприпасов, типографского сплава и т.п. Свинец и его соединения, попадая в организм человека, снижают активность ферментов и нарушают обмен веществ, кроме того, они обладают способностью накапливаться в организме человека. Особую угрозу соединения свинца представляют для детей, нарушая их умственное развитие, рост, слух, речь ребенка, его способность сосредоточиться.

Фреоны - группа галогеносодержащих веществ, синтезированных человеком. Фреоны, представляющие собой хлорированные и фторированные углероды (ХФУ), как недорогие и нетоксичные газы широко применяют в качестве хладагентов в холодильниках и кондиционерах, пенообразующих агентов, в установках для газового пожаротушения, рабочего тела аэрозольных упаковок (лаков, дезодорантов).

Промышленные пыли в зависимости от механизма их образования подразделяют на следующие классы:

механическая пыль - образуется в результате измельчения продукта в ходе технологического процесса,

возгоны - образуются в результате объемной конденсации паров веществ при охлаждении газа, пропускаемого через технологический аппарат, установку или агрегат,

летучая зола - содержащийся в дымовом газе во взвешенном состоянии несгораемый остаток топлива, образуется из его минеральных примесей при горении,

промышленная сажа - входящий в состав промышленного выброса твердый высокодисперсный углерод, образуется при неполном сгорании или термическом разложении углеводородов.

Основной параметр, характеризующий взвешенные частицы, - это их размер, который колеблется в широком диапазоне - от 0,1 до 850 мкм. Наиболее опасны частицы от 0,5 до 5 мкм, поскольку они не оседают в дыхательных путях и именно их вдыхает человек.

Диоксины относятся к классу полихлорированных полициклических соединений. Под этим названием объединено более 200 веществ - дибензодиоксинов и дибензофуранов. Основным элементом диоксинов является хлор, который в отдельных случаях может замещаться бромом, кроме того, диоксины содержат кислород, углерод и водород.

Атмосферный воздух выступает своего рода посредником загрязнения всех других объектов природы, способствуя распространению больших масс загрязнения на значительные расстояния. Промышленными выбросами (примесями), переносимыми по воздуху, загрязняется Мировой океан, закисляются почва и вода, изменяется климат и разрушается озоновый слой.

Воздух необходим всем живым организмам: животным для дыхания, а растениям - для питания. К тому же воздух защищает Землю от губительного ультрафиолетового излучения Солнца. Основные составляющие воздуха - азот и кислород. В воздухе есть также небольшие примеси благородных газов, углекислого газа и некоторое количество твердых частиц - копоти, пыли. Воздух нужен всем животным для дыхания. Около 21% воздуха составляет кислород. Молекула кислорода (О 2) состоит из двух связанных кислорода.

Состав воздуха

Процентное соотношение различных га­зов в воздухе слегка изменяется в зависимости от места, времени года и суток. Азот и кислород - основные компоненты воздуха. Один процент воздуха составляют благородные газы, углекислой газ, водяной пар и загрязнения, например диоксид азота. Входящие в состав воздуха газы можно разделить путем фракционной перегонки . Воздух охлаждается до тех пор, пока газы не перейдут в жидкое состояние (см. статью « «). Пос­ле этого жидкая смесь нагревается. кипения у каждой жидкости своя, и образующиеся при кипении газы можно собирать от­дельно. Кислород, азот и углекислый газ постоянно по­падают из воздуха в и возвращают­ся в воздух, т.е. происходит круговорот. Животные вдыхают кислород воздуха и выдыхают углекислый газ.

Кислород

Азот

Более 78% воздуха составляет азот. Бел­ки, из которых построены живые организ­мы, также содержат азот. Главное промышленное применение азота - производство аммиака , необходимого для удобрений. Азот для этого соединяют с . Азот накачивается в упаковки для мяса или рыбы, т.к. при контакте с обычным воздухом продукты окисляются и портятся Предназначенные для пересадки человеческие органы хранятся в жидком азоте, потому что он холодный и химически инертный. Молекула азота (N 2) состоит из двух связанных атомов азота.

Благородные газы

Благородные газы - это 6 8-й группы . Они чрезвычайно инертны химически. Только они существуют в виде от­дельных атомов, не образующих молекулы. Из-за их пассивности некоторыми из них наполняют лампы. Ксенон практически не используется человеком, зато аргон накачивают в электролампочки, а крип­тоном наполняют люминесцентные лампы. Неон вспыхивает красно-оранжевым светом при прохождении электрического разряда. Он используется в натриевых уличных лампах и неоновых лампах. Радон радиоактивен. Он образуется в результате распада металла радия. Никакие соединения гелия науке неизвестны, и гелий считается абсолютно инертным. Его плотность в 7 раз меньше плотности воздуха, поэтому им наполняют дирижабли. Наполненные гелием воздушные шары оснащаются научной аппаратурой и запускаются в верхние слои атмосферы.

Парниковый эффект

Так называется наблюдающееся сейчас повышение содержания углекислого газа в атмосфере и вызванное этим глобальное потепление , т.е. повышение среднегодовых температур во всем мире. Углекислый газ не дает теплу покидать Землю, так же как стекло сохраняет высокую температуру внутри парника. Поскольку углекислого газа в воздухе становится все больше, все больше тепла задерживается в атмосфере. Даже небольшое потепление вызывает повышение уровня Мирового океана, перемену ветров и таяние части льда у полюсов. Ученые считают, что если содержание углекислого газа будет расти так же быстро, то за 50 лет средняя темпера­тура может возрасти на величину от 1,5°С до 4°С.

Наша планета надежно защищена от негативного влияния из космоса удивительной оболочкой – атмосферой, без которой жизнь на Земле была бы немыслимой.


Многие знают, что без воздуха человек может прожить не более 5–9 минут, но не каждый понимает, что такое воздух и из чего состоит это жизненно важное вещество, образующее земную атмосферу. Попробуем разобраться.

Слово «воздух» произошло благодаря прибавлению приставки воз- к старославянскому слову дѹхъ, что означает «дух», «дохнуть», «дышать». Приставка воз- имеет древнерусское происхождение и отождествляется с предлогом «вверх» или существительным «подъем».

Более тысячи лет в славянском языке присутствовало древнегреческое слово аэр (ἀηρ), переводимое как «воздух». Впоследствии оно было практически забыто, хотя и сейчас встречается в некоторых топонимах – аэроплан, аэроходный, аэродинамика.

Воздух является главным условием существования всего живого . По сути, он представляет собой естественную смесь газов, принимающих непосредственное участие в круговороте веществ в природе. В своем составе воздух содержит около 21 % кислорода, который во время дыхания поступает в клетки нашего организма и способствует выделению жизненной энергии.

Еще одной важной его составляющей выступает азот, объем которого в атмосфере превышает 78 %. В небольших количествах в воздухе содержатся углекислый газ, метан, водород, аргон, неон и ряд других химических элементов, а также водяные пары, объем которых непосредственно влияет на общую атмосферную массу.

Поскольку воздух представляет собой естественную смесь газов, его масса в единице объема (плотность) может меняться в зависимости от изменений пропорций тех или иных компонентов, а также от влажности, температуры и высоты, на которой эта величина будет измеряться. Как правило, за основу берется показатель 1,225 кг⁄м3, который обычно фиксируется на уровне моря при температуре +15 °С.


При повышении столбика термометра до +35 °С масса воздуха снижается до 1,1455 кг/м3, при понижении температуры до -25 °С – возрастает до 1,4224 кг/м3. Помимо плотности, одним из физических свойств воздуха является молярная масса, т. е. отношение его плотности к количеству молей. Этот показатель остается неизменным и составляет 28,98 г/моль.

В городах (особенно в мегаполисах и промышленных центрах) вредные газы попадают в воздух при сгорании бензина, различных химических веществ, каменного угля (в тепловых ТЭЦ) и всевозможных искусственных материалов. Наибольший вред экологии городов наносят транспортные средства и деятельность предприятий, загрязняющих атмосферу посторонними примесями. Помимо азота, кислорода и углерода, в воздухе крупных населенных пунктов присутствуют окиси метана, сернистого газа и других веществ, оказывающих негативное воздействие на биосферу нашей планеты.

Сегодня во всем мире ученые и экологи прилагают все усилия для того, чтобы максимально сократить число вредных выбросов в атмосферу и предотвратить ее загрязнение. С этой целью создаются экологически чистые виды транспорта, отопительные системы, использующие в своей работе силу солнца и ветра, а также новые технологии, позволяющие обеспечить экологическую безопасность на производстве. Впрочем, каждый человек и сам может сделать немало для окружающей среды, выполняя ежедневно простые правила – не мыть автомобили в природных водоемах, не курить, тушить костры в парке после пикника и многое другое.

В большинстве современных стран температуру воздуха принято измерять в градусах по шкале Цельсия, предусматривающей 0 °С как температуру таяния льда, а +100 °С – кипения воды. В некоторых государствах применяется шкала Фаренгейта, согласно которой разница между точкой таяния льда и кипения воды делится на 180°.


Для измерения температуры чаще всего используют жидкостные или ртутные стеклянные термометры, реже – электрические и механические, а также оптические, регистрирующие градус за счет изменения спектра света, его уровня и других показателей.

Влажность воздуха определяется психрометром (гигрометром психометрическим), состоящим из сухого и влажного спиртовых термометров. Разница между их показателями определяет скорость испарения воды, а следовательно и влажность.

ВОЗДУХ
смесь газов, которая составляет атмосферу Земли, простирающуюся до высоты 1000-1200 км. До высоты ок. 11 км состав атмосферы остается неизменным. Этот слой называется тропосферой. В нем разыгрывается большинство метеорологических процессов, определяющих погоду. Здесь происходит интенсивная циркуляция воздуха, возникают ветры, бури и ураганы, велика турбулентность. В тропосфере сосредоточены почти весь находящийся в атмосфере водяной пар и почти вся воздушная пыль, а потому именно здесь по большей части происходит образование облаков. Над тропосферой, простираясь примерно на 50 км, располагается слой стратосферы. Здесь огромные потоки сравнительно спокойного воздуха циркулируют на больших расстояниях без значительных возмущений. В нижней части стратосферы образуются редкие облака, состоящие из мельчайших ледяных кристалликов. Над стратосферой до высоты ок. 80 км простирается мезосфера - слой, в котором достигается самая низкая в естественных условиях температура воздуха, составляющая примерно -110° C (160 К). Далее до высоты ок. 720 км следует слой термосферы. Здесь молекулы воздуха движутся столь быстро, что если бы плотность воздуха была такой же, как и на уровне моря (а не в миллиарды раз меньшей), то его температура была бы близка к 3000° C. Самый верхний слой атмосферы - экзосфера. В ней воздух крайне разрежен и столкновения молекул друг с другом столь редки, что большинство из них движутся по простым баллистическим траекториям, как пуля, а некоторая их часть - по эллиптическим орбитам, подобно искусственным спутникам Земли. Какая-то доля молекул, в основном водорода и гелия, достигает скоростей, при которых возможен выход за пределы действия сил земного тяготения, и рассеивается в пространстве между Землей и Луной (см. также АТМОСФЕРА). Изо всех разнообразных свойств воздуха важнее всего то, что он необходим для жизни на Земле. Существование людей и животных было бы невозможно без кислорода. Поскольку же для дыхания нужен кислород в разбавленном виде, наличие других газов в воздухе тоже имеет жизненно важное значение.
Состав. На уровне моря и в пределах тропосферы газовый состав воздуха (в об. %) таков: азот - 78,08%, кислород - 20,95%, аргон - 0,93%, углекислый газ (диоксид углерода) - 0,034%, водород - 5 x 10-5 %; кроме того, имеются "следовые" количества так называемых благородных (или инертных, редких) газов: неона - 1,8 x 10-3 %, гелия - 5,24 x 10-4 %, криптона - 1 x 10-4 % и ксенона - 8 x 10-6 %. Воздух в тропосфере содержит также переменные количества водяного пара; его влажность зависит от температурных условий и высоты. В нижних слоях атмосферы во взвешенном состоянии содержатся переменные количества пыли и золы, образующихся, например, в процессах горения и при извержении вулканов. С присутствием в воздухе таких аэрозольных частиц связаны яркие краски солнечных восходов и закатов, обусловленные рассеянием на них солнечных лучей.

РЕКТИФИКАЦИОННОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ ВОЗДУХА

Различные газы, входящие в состав атмосферного воздуха, можно преобразовать в жидкое и даже твердое состояние, если соответственно повысить давление и понизить температуру. Люди нашли для воздуха многочисленные и разнообразные применения. Масштабы применения газовых компонентов атмосферного воздуха в науке и технике, промышленности и быту во много раз расширились после того, как был разработан способ разделения воздушной смеси на отдельные компоненты. Этот способ состоит в том, что воздух сначала преобразуется в жидкое состояние, а затем подвергается дистилляции или ректификации (фракционированию) точно так же, как нефть-сырец разделяется на различные нефтепродукты. Впервые ожижение воздуха успешно осуществили в 1883 З.Вроблевский и К.Ольшевский. Для промышленного применения ректификационного разделения воздуха важны два обстоятельства. Во-первых, газы, входящие в состав воздуха, образуют физическую смесь, а не химическое соединение, и, во-вторых, точки кипения разных компонентов воздуха существенно различаются. Технические средства, созданные с учетом того и другого, обеспечивают практически полное разделение основных компонентов воздуха, причем с высокой степенью чистоты каждого компонента. Процесс разделения воздуха протекает в три этапа: 1) подготовка, или очистка, воздуха, 2) преобразование очищенного воздуха в жидкую фазу (ожижение) и 3) ректификационное разделение жидкой смеси на отдельные газы.

Удаление примесей. Прежде чем воздух поступит на вход ожижительной и ректификационной секций воздухоразделительной установки, из него удаляются все примеси, которые либо взвешены в атмосферном воздухе в виде твердых частиц, либо легко могут превратиться в твердые при понижении температуры. В противном случае неизбежна быстрая закупорка узких каналов оборудования. К таким посторонним примесям относятся водяной пар, пыль, дым и пары других веществ, а также углекислый газ. Основная часть этих примесей задерживается масло- и влагоуловителями, как правило, после компрессорного сжатия. Осушка воздуха после сжатия более предпочтительна, так как в этом случае меньше воды приходится удалять в виде пара, поскольку при сжатии он большей частью превращается в жидкость. Дальнейшая сушка воздуха производится пропусканием его через адсорберы с активированным оксидом алюминия или силикагелем (частично дегидратированным диоксидом кремния). Углекислый газ можно удалять химическим путем за счет реакции с гидроксидом калия (едким кали) или натрия (едким натром). Однако эти химикаты быстро расходуются и требуют частого пополнения. На крупных воздухоразделительных установках используются теплообменные аппараты, в которых удаляются одновременно углекислый газ и водяной пар, а также охлаждается воздух, поступающий на вход системы. Легкозамораживаемые газы оседают в твердом виде на металлических поверхностях теплообменников, которые поддерживаются при очень низких температурах потоком отделенных газов, проходящим по их внутренним каналам. Систему периодически очищают от накопившихся примесей, обращая поток газов в теплообменнике.
Ожижение. Очищенный воздух поступает в секцию ожижения и охлаждается в системе механической рефрижерации, пока основная его часть не превратится в жидкость. В зависимости от давления, до которого воздух был сжат первоначально, его температура здесь снижается до примерно 100 К. Давления цикла находятся в пределах от 0,6 до 20 МПа. При охлаждении используется холод отделенных ранее газов, поступающих из ректификационной секции. В оптимально сконструированном теплообменнике холод отделенных газов практически полностью передается входящему воздуху. На некоторых установках, в частности таких, где часть отделенных газов отбирается в жидком виде, для предварительного охлаждения до примерно -40° С (230 К) предусматриваются теплообменники с фреоном или метилхлоридом. При более низких температурах, необходимых для ожижения воздуха, охлаждающей средой служит либо входящий воздух, либо отделенный азот. Этот газ, сжатый до определенного давления, приводит в движение расширительную машину, или детандер (обращенный компрессор). Расширяясь, газ перемещает поршень, который через коленчатый вал приводит во вращение электрогенератор, выполняющий функцию "тормоза". Поскольку газ при расширении в детандере совершает работу, его теплосодержание и температура понижаются. При первом пуске установки необходимо сначала охладить ее до рабочей температуры, а для этого требуется больше холода, чем в установившемся рабочем режиме (захолаживание установки). Охлаждение можно также осуществлять за счет расширения сжатых газов в газообразной или жидкой фазе при истечении через дроссельный клапан. В этом случае понижение температуры обусловлено эффектом Джоуля - Томсона (дроссель-эффектом). Указанные методы охлаждения основаны на разных термодинамических эффектах, и если ввести их в цикл в правильной последовательности, то можно использовать преимущества каждого из них
(см. также
ТЕПЛОТА ;
ТЕРМОДИНАМИКА ;
ФИЗИКА НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР).
Секции ожижения и ректификации, работающие при криогенных температурах, требуют хорошей наружной теплоизоляции. Поэтому аппараты названных секций снабжаются кожухами, заполненными такими теплоизолирующими материалами, как минеральная вата, стекловата и пористый вулканический пепел. Конструкционные материалы теплообменников, ректификационных колонн и соединительных трубопроводов выбираются очень тщательно. Углеродистые стали при криогенных температурах становятся хрупкими. Поэтому предпочтение отдается таким материалам, как медь, бронза, латунь, нержавеющая сталь и алюминий, обнаруживающим в криогенных условиях превосходные прочностные характеристики.
Ректификация. Разделение ожиженного воздуха на составляющие производится в вертикальных цилиндрических аппаратах, называемых ректификационными колоннами. Внутри такой колонны имеется вертикальный ряд горизонтальных "тарелок" с отверстиями, через которые вниз стекает жидкость, а из нижней части колонны поднимается газ, вступая в контакт с жидкостью на тарелках. В установках для выделения с высокой степенью чистоты всех компонентов воздуха предусматривается целый ряд таких колонн. В верхнюю часть каждой колонны вводится жидкость соответствующего состава, а в нижней создаются условия, необходимые для достаточно интенсивного парообразования, так что в колонне происходит постепенное разделение смеси. В условиях нормального атмосферного давления воздух ожижается при температуре около 80 К (-190° C); состав смеси изменяется по сравнению с первоначальным. Если исходный воздух содержит приблизительно 79% азота и 21% кислорода, то в результате естественного кинетического перераспределения в жидкости будет 65% азота и 35% кислорода, а в газе над жидкостью - 87% азота и 13% кислорода. Другие составляющие газы ведут себя точно так же, независимо от соотношения между кислородом и азотом. Как правило, пар над жидкостью обогащен компонентом с более низкой температурой кипения. Соотношение между фазами зависит, конечно, от давления. По мере того как жидкость опускается, а пары поднимаются по ректификационной колонне, концентрации выделяемых компонентов в них повышаются; в конце концов, в нижней части колонны отбирается кислород "товарной" чистоты, в ее верхней части - высококачественный азот, в других точках - аргон и смесь "более редких" газов. Поскольку на воздухоразделительных установках температура, как правило, не опускается ниже точки кипения азота, неон и гелий остаются неожиженными, и их можно несконденсированными выводить в виде смеси с азотом из основной ректификационной колонны. Смеси кислорода с аргоном разделять труднее, чем смеси газов с большой разницей в температурах кипения. На крупных воздухоразделительных установках конденсационно-испарительный процесс для увеличения выхода аргона высокой чистоты дополняется химическим процессом. К смеси кислорода, азота и аргона, отбираемой из криогенной секции системы, добавляется дозированное количество газообразного водорода. Кислород вступает в реакцию с водородом в присутствии палладиевого катализатора, и образуется вода, которая удаляется в осушителях. Остающаяся газообразная смесь аргона и азота вновь охлаждается и направляется на повторную ректификацию. Редкие газы (гелий, неон, криптон и ксенон) окончательно разделяются на комбинированных установках, где конденсационно-испарительный метод сочетается с методом селективной адсорбции. В качестве адсорбента часто применяется активированный уголь, охлажденный до температуры жидкого азота.
Транспортировка и хранение. Кислород, азот и аргон транспортируются и хранятся как в жидком, так и в газообразном виде. Для криогенных жидкостей используются специальные теплоизолированные сосуды. Низкотемпературные газы хранятся под давлением до 17 МПа в стальных баллонах. Редкие газы отпускаются в стеклянных сосудах Дьюара вместимостью 1-2 л; применяются и стальные термосы.

ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РАЗДЕЛЕННЫХ ГАЗОВ

Вряд ли можно найти какой-либо вид промышленной деятельности, где бы не играл значительную роль тот или иной из разделенных газов воздуха. Ниже отмечаются лишь наиболее важные применения.
Кислород. В металлообработке кислород в сочетании с разными топливными газами (ацетиленом, пропаном, природным газом) применяется для резки и сварки сортовой стали высокотемпературным пламенем. Кислородно-ацетиленовое пламя используется для зачистки металлических поверхностей в целях удаления ржавчины и окалины, а также для пайки твердым припоем многих металлов. В металлургии с помощью кислорода в смеси с топливными газами производится огневая зачистка новой стали для удаления дефектов. Для ускорения процессов выплавки стали кислород в больших количествах расходуется в качестве обезуглероживающего и окислительного агента. В связи со все более широким распространением тугоплавких стекол кислород все шире применяется в технике формования стеклянных изделий. В космических ракетах кислород используется как компонент топлива. Из-за недостатка свободного места в таких летательных аппаратах он хранится в жидком виде, но перед подачей в двигатель преобразуется в газ.
См. также РАКЕТА ; КОСМОСА ИССЛЕДОВАНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ .
Азот. Благодаря своей относительной инертности азот особенно подходит для защиты продуктов, портящихся (окисляющихся) под воздействием кислорода. В пищевой промышленности к атмосфере азота часто прибегают как к средству предотвращения контакта с кислородом воздуха, способным привести к порче пищевого продукта или к потере естественного запаха. В химической, нефтяной и лакокрасочной промышленности азотная газовая подушка применяется для сохранения чистоты продукта и для предотвращения возгорания и взрыва в ходе технологической обработки. В электронной промышленности газообразным азотом продувают для вытеснения воздуха баллоны электронных ламп и корпуса полупроводниковых приборов перед их завариванием и герметизацией. Азот применяется для создания контролируемой атмосферы при отжиге и термообработке, для продувки расплавленного алюминия в целях удаления растворенного водорода и для очистки вторичного алюминия (скрапа). В электротехнике часто применяется атмосфера азота повышенного давления для поддержания высокого сопротивления изоляции и для увеличения срока службы изоляционных материалов. Пространство для расширения в маслонаполненных трансформаторах обычно заполняют азотом. Жидкий азот широко применяется для охлаждения как в промышленности, так и в научных исследованиях, в частности в экологических тестах.
См. также АЗОТ .
Аргон. В отличие от азота, который может вступать в реакцию с некоторыми металлами при повышенных температурах, аргон совершенно инертен при любых условиях. Поэтому он применяется для создания защитной атмосферы в производстве таких химически активных металлов, как титан и цирконий. Он служит также защитной средой при дуговой сварке трудносвариваемых металлов и сплавов - алюминия, бронзы, меди, монель-металла и нержавеющих сталей. Аргон хорошо подходит для заполнения (с добавкой азота) ламп накаливания. Обладая низкой теплопроводностью, аргон допускает более высокие температуры нити, что повышает световую отдачу лампы, а его значительная молекулярная масса затрудняет испарение металла из раскаленной вольфрамовой нити. В результате увеличивается срок службы лампы. Аргоном, чистым или в смеси с другими газами, заполняют также люминесцентные лампы, как осветительные (с термокатодом), так и рекламные (с холодным катодом). Кроме того, он применяется в производстве высокочистых полупроводниковых материалов (германия и кремния) для изготовления транзисторов. См. также ТРАНЗИСТОР .
Неон, криптон и ксенон. Все эти три газа обладают повышенной способностью к ионизации, т.е. они становятся электропроводящими при значительно меньших напряжениях, чем большинство других газов. Будучи ионизованы, эти газы, так же как аргон и гелий, испускают яркий свет, каждый своего цвета, а потому используются в лампах для рекламного освещения. В электронной промышленности эти редкие газы применяются для заполнения особых видов электронных ламп - стабилитронов, стартеров, фотоэлементов, тиратронов, ультрафиолетовых стерилизационных ламп и счетчиков Гейгера. В атомной промышленности ими наполняют ионизационные и пузырьковые камеры и другие устройства для исследования субатомных частиц и измерения интенсивности проникающего излучения.
Водород, гелий и углекислый газ. Эти газы в больших количествах производятся другими методами, при которых их производство обходится дешевле. Поэтому после выделения в процессе ректификационного разделения воздуха их обычно выпускают в атмосферу. См. также ВОДОРОД .

СЖАТЫЙ ВОЗДУХ

Энергию сжатого воздуха можно использовать для совершения механической работы, создания воздушного потока или воздушной подушки. Сжатый воздух легко транспортируется по трубам и шлангам, так что им можно пользоваться на значительном удалении от источника (компрессора или резервуара высокого давления) без больших потерь энергии в линии передачи.
Применение. Сжатый воздух применяется в пневматических двигателях, которые приводят в движение дрели, ручные шлифовальные и другие пневматические инструменты, в бурильных и отбойных молотках и в воздушных турбинах торпед. Воздушный поток, создаваемый сжатым воздухом, используется для транспортировки по аэрожелобам зерна, угольной пыли и других порошкообразных материалов. С помощью сжатого воздуха вентилируют шахты, здания, другие закрытые помещения, перемешивают жидкости, барботируя их в чанах, создают принудительную тягу в доменных и других печах. Сжатый воздух используется для уравновешения давления воды в водолазных костюмах, для накачки пневматических шин, для приведения в действие тормозов в поездах, для дистанционного воздействия на устройства управления технологическим оборудованием. Всего можно насчитать более 200 различных видов применения сжатого воздуха. Начало применению энергии сжатого воздуха в широких масштабах было положено в 1861, когда М. Соммейе сконструировал водно-поршневой компрессор с приводом от водяного колеса. Сжатый воздух подводился к бурильным молоткам на строительстве туннеля Мон-Сени в Альпах. Ранее вместо этого использовался пар, но отработанный пар создавал невыносимые условия для работающих в туннеле. Преимущества пневмопривода, особенно при проведении подземных горных работ, стали очевидны, и началось быстрое развитие пневмотехники.
Компрессоры. Для подачи воздуха под давлением был разработан поршневой компрессор. Поршень в таком компрессоре приводится в движение первичным двигателем. В такте всасывания воздух втягивается через входной клапан, а при обратном ходе поршня сжимается и выталкивается через другой клапан. Пружинные тарельчатые клапаны работают без механизма внешнего управления. В компрессоре одинарного действия сжатие осуществляется только по одну сторону поршня, а в компрессоре двойного действия для сжатия используются оба конца цилиндра. При сжатии воздуха его температура повышается. Такое нагревание нежелательно, поскольку ухудшаются условия работы поршня. Кроме того, если отводить тепло, выделяющееся при сжатии, то требуется меньше работы для сжатия. Поэтому компрессоры обычно имеют водяное или воздушное охлаждение. При давлениях нагнетания выше 0,4 МПа сжатие осуществляется ступенями. Два или несколько цилиндров соединяют так, что воздух с выхода одной ступени поступает на вход другой, и полное давление нагнетания достигается лишь на выходе последней. Между ступенями предусматриваются теплобменники, понижающие температуру воздуха. Шестиступенчатые компрессоры такого типа способны подавать сжатый воздух под давлением до 100 МПа. Объемные ротационные компрессоры бывают двух типов - пластинчатые и двухроторные. Пластинчатый компрессор устроен так же, как и пластинчатый пневмодвигатель (см. ниже), только ротор вращается в противоположном направлении. В двухроторном компрессоре воздух захватывается в пространстве между роторами и стенкой корпуса и вытесняется зацеплением роторов. Центробежные воздуходувки и компрессоры - это машины ротационного типа, подобные центробежным насосам. Энергия воздуха увеличивается благодаря центробежному действию вращающихся рабочих колес. Воздуходувками называют машины, сжимающие воздух до давления не более 0,3 МПа (изб.), а компрессорами - до давлений, превышающих эту величину. Для повышения давления те и другие делают многоступенчатыми. На одном валу располагают несколько рабочих колес, и воздух, переходя с одной ступени на другую, последовательно сжимается.
Пневмодвигатели. Пневмодвигателем называется машина, преобразующая в механическую работу энергию сжатого воздуха. Пневмодвигатели бывают поршневые, пластинчатые ротационные и турбинные. Сжатие воздуха производится вне двигателя, например в компрессоре.

Поршневые пневмодвигатели. Поршневой пневмодвигатель сходен с паровой машиной. Сжатый воздух поступает в клапанную коробку, и клапан, срабатывая, впускает порцию воздуха в цилиндр. Под давлением воздуха поршень совершает полезную работу через кривошипный или другой механизм, после чего отработанный воздух выпускается в атмосферу. Пневмоцикл может быть без расширения и с расширением.
Пластинчатые ротационные пневмодвигатели. Ротор такого двигателя смещен относительно осевой линии неподвижного корпуса. Прямоугольные пластины (или лопасти), установленные в радиальных пазах ротора, прижимаются к внутренней стенке корпуса. Сжатый воздух поступает в цилиндрический корпус через отверстие в стенке и заполняет "камеру", образуемую стенкой ротора, стенкой корпуса и одной из пластин. Под давлением воздуха пластина вместе с ротором поворачивается, а следующая пластина, проходя мимо отверстия, прерывает поступление воздуха в данную камеру и открывает ему доступ в следующую. Захваченный воздух расширяется, отдавая часть своей энергии, пока не достигается полный объем камеры. После этого открывается выпускное отверстие, и порция отработанного воздуха выходит наружу.
Турбинные пневмодвигатели. В воздушной турбине энергия давления сжатого воздуха преобразуется в кинетическую энергию его направленного движения при расширении воздуха в соплах. Высокоскоростная воздушная струя ударяется о лопатки ротора, действует на него с тангенциальной силой и заставляет вращаться (воздушные турбины сходны с паровыми).