Жидкий воздух

Жидкий воздух — это воздух , охлажденный до очень низких температур ( криогенных температур ), в результате чего он конденсировался в бледно-голубую подвижную жидкость. ^{[ 1 ]} Его хранят в специализированных контейнерах, например вакуумных колбах , чтобы изолировать его от комнатной температуры . Жидкий воздух может быстро поглощать тепло и возвращаться в газообразное состояние. Его часто используют для конденсации других веществ в жидкость и/или их затвердевания, а также в качестве промышленного источника азота , кислорода , аргона и других инертных газов посредством процесса, называемого разделением воздуха (в промышленности называемого ректификацией воздуха).

Характеристики

Жидкий воздух имеет плотность около 870 кг/м. ³ (870 г/л ; 0,87 г / см ³). Плотность конкретной пробы воздуха варьируется в зависимости от состава этой пробы (например, влажности и концентрации CO ₂ ). Поскольку сухой газообразный воздух содержит примерно 78% азота, 21% кислорода и 1% аргона , плотность жидкого воздуха стандартного состава рассчитывается по процентному содержанию компонентов и их соответствующей плотности жидкости (см. жидкий азот и жидкий кислород ). Хотя воздух содержит следовые количества углекислого газа (около 0,03%), углекислый газ затвердевает из газовой фазы, не проходя через промежуточную жидкую фазу, и, следовательно, не будет присутствовать в жидком воздухе при давлении менее 5,1 атм (520 кПа ).

Температура кипения воздуха составляет -194,35 ° C (78,80 K ; -317,83 ° F ), промежуточную между точками кипения жидкого азота и жидкого кислорода . Однако во время кипения жидкости может быть трудно поддерживать стабильную температуру, поскольку азот выкипает первым, в результате чего смесь становится обогащенной кислородом и изменяется точка кипения. В некоторых случаях это также может произойти из-за того, что жидкий воздух конденсирует кислород из атмосферы. ^{[ 2 ]}^: 36

Жидкий воздух начинает замерзать примерно при 60 К (-213,2 ° C; -351,7 ° F), выпадая в осадок богатое азотом твердое вещество (но со значительным количеством кислорода в твердом растворе). Если кислород предварительно не поместился в твердый раствор, эвтектика замерзает при 50 К. ^{[ 3 ]}

Подготовка

Принцип производства

Компоненты воздуха когда-то были известны как «постоянные газы», поскольку их нельзя было сжижать только за счет сжатия при комнатной температуре. Процесс сжатия приведет к повышению температуры газа. Это тепло удаляется путем охлаждения до температуры окружающей среды в теплообменнике, а затем расширяется за счет вентиляции в камеру. Расширение вызывает понижение температуры, и за счет противоточного теплообмена расширенного воздуха воздух под давлением, поступающий в расширитель, дополнительно охлаждается. При достаточном сжатии, потоке и отводе тепла в конечном итоге образуются капли жидкого воздуха, которые затем можно будет использовать непосредственно для демонстрации низких температур.

Основные компоненты воздуха были впервые сжижены польскими учеными Каролем Ольшевским и Зигмунтом Врублевским в 1883 году.

Устройства для производства жидкого воздуха коммерчески недоступны и их нелегко изготовить.

Процесс производства

Наиболее распространенным процессом подготовки жидкого воздуха является двухколонный цикл Хэмпсона-Линде с использованием эффекта Джоуля-Томсона . Воздух подается под высоким давлением (>75 атм (7600 кПа ; 1100 фунтов на квадратный дюйм )) в нижнюю колонну, в которой он разделяется на чистый азот и жидкость, богатую кислородом. Богатая жидкость и часть азота подаются с обратным холодильником в верхнюю колонну, которая работает при низком давлении (<25 атм (2500 кПа; 370 фунтов на квадратный дюйм)), где происходит окончательное разделение на чистый азот и кислород. Неочищенный аргоновый продукт можно отводить из середины верхней колонны для дальнейшей очистки. ^{[ 4 ]}

Воздух также можно сжижать с помощью процесса Клода , который сочетает в себе охлаждение за счет эффекта Джоуля-Томсона , изэнтропическое расширение и регенеративное охлаждение. ^{[ 5 ]}

Приложение

В производственных процессах жидкий воздух обычно фракционируется на составляющие его газы в жидкой или газообразной форме, поскольку кислород особенно полезен при сварке и резке топливным газом , а также в медицинских целях, а аргон полезен в качестве защитного материала , исключающего кислород. Газ в газовой вольфрамовой дуговой сварке . Жидкий азот полезен в различных низкотемпературных применениях, поскольку он нереактивен при нормальных температурах (в отличие от кислорода) и кипит при 77 К (-196 ° C; -321 ° F).

Транспорт и хранение энергии

Между 1899 и 1902 годами автомобиль Liquid Air производился и демонстрировался совместной американо-английской компанией, утверждавшей, что они смогут построить автомобиль, который сможет проехать сто миль на жидком воздухе.

2 октября 2012 года Институт инженеров-механиков заявил, что жидкий воздух можно использовать в качестве средства хранения энергии. Это было основано на технологии, разработанной Питером Дирманом, изобретателем гаража в Хартфордшире , Англия, для привода транспортных средств. ^{[ 6 ]}

См. также

Ссылки

^ Бэббидж (15 октября 2012 г.). «Разностная машина: конец электромобиля?» . Экономист . Проверено 21 октября 2012 г.
^ Армарего, ВЛФ; Перрин, Д.Д. (16 октября 1996 г.). Очистка лабораторных химикатов (4-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . ISBN 978-0750628396 . LCCN 97109714 . OCLC 762966259 . ОЛ 722457М .
^ Кохенбургер, Томас М.; Громанн, Штеффен; Ольрих, Лотар Р. (2015). «Оценка двухступенчатого каскада смешанного хладагента для охлаждения ВТС ниже 60 К» . Процессия по физике . 67 : 227–232. Бибкод : 2015PhPro..67..227K . дои : 10.1016/j.phpro.2015.06.039 .
^ «Сжижение воздуха, «Linde Air», ректификация: выход на новые рынки с новыми результатами исследований» . Группа Линде . Архивировано из оригинала 27 сентября 2007 года . Проверено 9 августа 2007 г.
^ https://uspas.fnal.gov/materials/10MIT/Lecture_2.1.pdf . ^{[ только URL-адрес PDF ]}
^ «Жидкий воздух «даёт надежду на сохранение энергии» » . Новости Би-би-си . 2012-10-02.

Внешние ссылки

20 мая 2013 г. MIT Technology Review Статья о разработках жидкого воздуха для транспорта и хранения энергии в сети.

[1] Бэббидж (15 октября 2012 г.). «Разностная машина: конец электромобиля?» . Экономист . Проверено 21 октября 2012 г.

[2] Армарего, ВЛФ; Перрин, Д.Д. (16 октября 1996 г.). Очистка лабораторных химикатов (4-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . ISBN 978-0750628396 . LCCN 97109714 . OCLC 762966259 . ОЛ 722457М .

[3] Кохенбургер, Томас М.; Громанн, Штеффен; Ольрих, Лотар Р. (2015). «Оценка двухступенчатого каскада смешанного хладагента для охлаждения ВТС ниже 60 К» . Процессия по физике . 67 : 227–232. Бибкод : 2015PhPro..67..227K . дои : 10.1016/j.phpro.2015.06.039 .

[4] «Сжижение воздуха, «Linde Air», ректификация: выход на новые рынки с новыми результатами исследований» . Группа Линде . Архивировано из оригинала 27 сентября 2007 года . Проверено 9 августа 2007 г.

[5] ttps://uspas.fnal.gov/materials/10MIT/Lecture_2.1.pdf . ^{[ только URL-адрес PDF ]}

[6] «Жидкий воздух «даёт надежду на сохранение энергии» » . Новости Би-би-си . 2012-10-02.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]