Условие задачи
Что такое фракционная перегонка воздуха? На каких физических свойствах компонентов основан этот способ разделения воздуха? Какие продукты получают в результате фракционной перегонки жидкого воздуха?
Решение
Ниже представлено подробное решение задачи с использованием законов физики (термодинамики и физической химии), а также принципов криогенной технологии.
1. Определение фракционной перегонки воздуха
Фракционная перегонка жидкости – это метод разделения компонентов путем постепенного нагрева, когда каждая фракция (компонент) выделяется при своей характерной температуре кипения. В случае воздуха для его разделения сначала его охлаждают до состояния жидкости, а затем проводят дистилляцию (перегонку) для разделения на отдельные компоненты.
2. Физическая основа метода: разность температур кипения
Данный способ разделения основан на различии физических свойств компонентов воздуха, а именно их температур кипения. Для основных компонентов воздуха эти температуры приводятся ниже (при нормальном давлении):
• Азот – температура кипения приблизительно –196°С
• Кислород – температура кипения приблизительно –183°С
• Аргон – температура кипения около –186°С
При нагревании жидкого воздуха сначала начинается кипение того компонента, у которого температура кипения ниже (в данном случае азота). На определённом этапе, когда азот уже почти полностью испарился, начинается перегонка компонентов с более высокими температурами кипения (кислород, а затем аргон). Таким образом, их можно последовательно отделить один от другого.
3. Технологический процесс и получаемые продукты
Основной технологический процесс выглядит следующим образом:
а) Охлаждение воздуха до очень низких температур для его превращения в жидкость (криогенная технология).
б) Подача жидкого воздуха в перегонный аппарат (дистилляционную колонну), где происходит постепенное отщепление паров по мере нагрева.
в) При нагревании жидкой смеси сначала выделяется пар азота, затем при дальнейшей перегонке – кислород и в меньших количествах аргон.
В итоге процесс фракционной перегонки жидкого воздуха позволяет получить следующие основные продукты:
• Кислород – используется в медицине, металлургии, химической промышленности.
• Азот – применяется в качестве инертного газа, для создания атмосферы в промышленности, при хранении пищевых продуктов.
• Аргон – используется в сварке, при производстве освещения, в лазерных установках.
4. Заключение
Фракционная перегонка воздуха – это криогенный метод разделения составляющих атмосферы на основе разницы температур кипения компонентов. При этом модифицированный дистилляционный процесс позволяет поэтапно выделять азот, кислород и аргон, что имеет большое значение для промышленного производства и медико-биологических применений.