Условие задачи

Что такое фракционная перегонка воздуха? На каких физических свойствах компонентов воздуха основан этот способ его разделения? Какие продукты получают в результате фракционной перегонки жидкого воздуха?

Решение

Ниже приводится подробное решение задачи, выполненное с применением законов физики и принципов химической технологии, использующих разницу температур кипения компонентов воздуха для их разделения.

1. Определение процесса
Фракционная перегонка воздуха – это процесс разделения компонентов атмосферы (главным образом азота, кислорода, аргона и других примесей) на фракции с помощью их разделения по температуре кипения. Сначала воздух охлаждают до состояния жидкости при криогенных температурах, а затем постепенно нагревают. При этом компоненты переходят в газообразное состояние при различных температурах, что позволяет их отделить друг от друга.

2. Физические свойства, на которых основан метод
Основной принцип процесса заключается в различии температур кипения компонентов воздуха. Ключевые моменты:

• Температура кипения азота примерно −196 ℃.
• Температура кипения кислорода около −183 ℃.
• Температура кипения аргона примерно −186 ℃.

При нагреве жидкого воздуха компоненты начинают испаряться последовательно: сначала выделяется компонент с самой низкой температурой кипения, затем – с более высокой. Так, например, при контролируемом нагреве сначала испаряется азот, затем входят в фазу кислород и аргон. Это позволяет с помощью ректификационной колонны собирать отдельные фракции чистых или практически чистых газов.

3. Продукты фракционной перегонки жидкого воздуха
В результате данного процесса получают:

• Жидкий азот, который при дальнейшем использовании может применяться в охлаждении, как инертная среда или в других технологических процессах.
• Жидкий кислород, используемый в различных отраслях: от металлургии до медицины.
• Аргон и другие инертные газы, получаемые в меньших количествах, однако имеющие промышленное значение, например, в сварочных процессах или в производстве специальных смесей.

Таким образом, процесс фракционной перегонки воздуха основан на различии температур кипения его компонентов и позволяет, переводя воздух в жидкое состояние, проводить их последовательное отделение при контролируемом нагреве, что приводит к получению основных продуктов – жидкого азота, жидкого кислорода и аргона.