Воздух становится жидким при —191,8 °C. А по другим данным его температура кипения даже —193,7 °C. Выходит, воздух сжижается не сразу. Почему это так? А потому, что газы воздуха кипят при разных температурах. Азот при —195,8 °C. Кислород сжижается гораздо раньше. Ему хватает —183 °C.
Как раз поэтому и можно отделять сжиженные газы один от другого. Если бы они кипели при одинаковых температурах, дело обстояло бы гораздо хуже.
Представьте себе такую операцию.
Получили мы в холодильной машине жидкий воздух. И в эту холодную жидкость направили струю газообразного кислорода.
Что произойдет в этом случае? Температура кипения кислорода гораздо выше, чем у жидкого воздуха. Значит, кислород немедленно сконденсируется. И сразу же на сцене появится тепловая энергия. Ее называют скрытой теплотой конденсации. Эта энергия скрыта в веществе. Только в момент конденсации, когда газ охлаждается, скрытое тепло становится явным. Куда денется эта энергия? Ее воспримет жидкость — жидкий воздух. У азота температура кипения ниже, чем у кислорода. Значит, часть азота вскипит и превратится в газ.
Вместо газа кислорода появится газ азот. Зато в жидкости будет больше кислорода, чем вначале.
Понимаете теперь, в чем дело? Таким способом мы можем постепенно разделять газы. Вначале в жидком воздухе — на четыре части азота приходится одна часть кислорода. Так же, как и в природном воздухе, из которого мы получали жидкий. После каждой такой операции, после того как кислород газообразный посетит жидкость, в ней будет накапливаться жидкий кислород. А азота там станет все меньше и меньше.
Вот и основа ректификации. Это в самом деле испарение и конденсация. Только испаряется одно вещество — азот, а конденсируется другое — кислород.
Фабрика кислорода
Завод, с которым мы хотим познакомиться, — кислородный. На нем получают жидкий кислород. Одним производствам нужен кислород в виде жидкости, других интересует газ. Но из жидкости газ получить уже легко. Она ведь быстро испаряется.
На кислородных заводах ректификация идет в длинных колоннах, которые так и называются ректификационными. Внутри колонн — тарелки! Они и в самом деле напоминают обычную столовую посуду. В каждой из них — воздух, смесь жидкого кислорода и азота. Жидкость стекает из одной тарелки в другую, стекает сверху вниз. Навстречу поднимается струя газа. Там тоже смесь кислорода и азота.
В верхней тарелке — обычный жидкий воздух, полученный тут же, в холодильной машине. А снизу идет не менее обычный воздух — газообразный.
На каждой тарелке происходит своя доля конденсации и испарения. Конденсируется кислород, испаряется азот. После посещения тарелки жидкость обогащается кислородом. С другой стороны, поднимающийся вверх газ захватывает с собой все больше и больше азота.
В результате всех этих операций газы разделяются.
Из крана в нижней части колонны вытекает почти чистый кислород, а вверху специальные устройства отводят газообразный азот.
Так расходятся пути газов в разделительных ректификационных колоннах.
Большая кислородная установка — действительно целый завод! Прежде чем приступить к охлаждению воздуха, его надо очистить. Во-первых, там есть разные примеси — пыль, сажа, всяческие частички. Их не так уж мало — одна сотая грамма на каждый кубометр воздуха. Освободиться от этих примесей нетрудно. Для этого стоят фильтры. Скажем, пористые материалы. Воздух легко проходит через фильтр, а твердые частички застревают в нем.
Во-вторых, в любом сухом воздухе есть немного водяных паров. Они вредны для холодильных установок. Вода будет вымерзать, забивать аппаратуру — в общем, мешать работе установки.
Следовательно, прежде всего надо расправиться с ней, чтобы воздух, попадающий в установку, был абсолютно сухим.
Воду вымораживают или поглощают специальными химическими веществами.
Остается еще один враг, пожалуй более страшный, — углекислый газ. Замерзая, он сразу обращается в твердое вещество и может моментально забить все трубопроводы установки. Поэтому от углекислого газа освобождаются особенно тщательно. Его и вымораживают, и удаляют химически.
Но вот воздух очищен. Можно производить с ним дальнейшие манипуляции. Прежде всего его сжимают. Для этого имеются мощные компрессоры. Это машины, напоминающие обычные насосы — те самые, с помощью которых накачивают автомобильные и велосипедные камеры. Только компрессор посильнее, а принцип работы один и тот же. При каждом рабочем ходе компрессор захватывает очередную порцию воздуха и вталкивает в сосуд. Чем больше воздуха он добавит туда, тем большим станет и давление.
Зачем повышают давление, вы тоже, конечно, помните?
Для дросселирования да и для хорошей работы детандера надо использовать газы повышенного давления. Причем при дросселировании чем больше это давление, тем лучше, тем сильнее будет охлаждение.
Из компрессора сжатый воздух попадает прямо в холодильную машину. Мы знаем машину Линде, уже знакомились с ней. Посмотрим теперь на более современную установку, которую когда-то в лаборатории создал Петр Леонидович Капица. Ее холодильный цикл так и называется циклом Капицы.
Охлаждение воздуха происходит сразу в двух частях установки.
Тут есть и дроссель, есть и турбодетандер. Турбодетандер — небольшая турбина, которую должен вращать охлаждаемый газ. А дроссель — узкая щель. Газ под большим давлением прорывается сквозь эту щель, охлаждаясь на ходу.
Многим кажется странным, зачем в одной установке иметь и детандер и дроссель. Оказалось, что получать жидкий газ в детандере не очень удобно. Там стоит поршень или турбина. Жидкость будет мешать им работать. Значит, охладить газ в детандере хорошо, а вот доводить до жидкого состояния лучше где-нибудь в другом месте. Другое дело — дроссельная установка. После дроссельного вентиля жидкий воздух никому уже не мешает.
Итак, цикл Капицы. Воздух под небольшим давлением попадает в установку. Это тоже преимущество установки Капицы — не надо сильно повышать давление газа.
На пути воздуха из компрессора в холодильную установку стоит… холодильник! Да, да, именно холодильник.
Как уже отмечалось, и при дросселировании и в детандере газ лучше отдает тепло, если он предварительно охлажден. Поэтому там стоят холодильные установки, в которых циркулирует жидкий аммиак — он сжижается при температуре минус 33,4 °C.
Предварительно охлажденный воздух не сразу попадает в детандер или на дроссельную установку. На его пути стоит теплообменник. Здесь воздух охлаждается встречным потоком холодного воздуха, который появляется после турбодетандера.
Охладили порцию воздуха. И тут ее разделяют на две части.
Одна, основная, мчится к турбодетандеру. Другая — на дроссельную установку. По пути воздух проходит еще один теплообменник и охлаждается очень сильно. Теперь уже после дроссельного вентиля появляются капельки жидкости.
В турбодетандере жидкость не образуется. Там только сильно охлаждают воздух, чтобы затем пустить его в оба теплообменника. И он делает свое дело.
Дальше жидкий воздух начинает свое неторопливое путешествие по разделительным тарелкам. Одна тарелка за другой — так и спускается газ, пока не обернется голубоватым кислородом.
А где его используют, вы уже знаете. Вот азот пока что для нас фигура темная. А между тем сосуды с жидким азотом можно встретить довольно часто.
Встреча в операционной
Температура минус 195,8 градуса. Жидкий азот.
Кислород — газ жизни. Но и значение азота не меньшее. Без азота нет нищи растениям, нет жизни на Земле. Сельское хозяйство не может существовать без удобрений, без аммиака, основной частью которого является азот.
Жидкий азот — постоянный гость и работник лабораторий и заводов. Инженеры и ученые пользуются им для охлаждения. Часто можно встретить большие сосуды, наполненные безопасной, слегка дымящейся жидкостью. Это азот. Холода от него вполне достаточно и обращаться с ним легко. Азот не взрывается, как кислород или тем более водород. Он почти не реагирует на различные окружающие его вещества. Химики говорят, что азот малоактивен, химически не ядовит. Это мы знаем сами — каждый день вполне безопасно для себя вдыхаем изрядные порции азота. Только на больших глубинах у пловцов может наступить азотное отравление. Но в обычных условиях этого никогда не произойдет.
Азот поистине незаменим в некоторых лабораториях и на заводах. Сейчас очень много различных опытов приходится проделывать в вакууме. Так в науке называют пустоту. Откачали мощные насосы из какого-нибудь сосуда весь воздух — тогда оставшееся пустое пространство можно назвать вакуумом. Но все молекулы оттуда отсосать невозможно. Никакой насос с этим не справится. Хоть и немного их, но все же останется. Но о себе в этом случае молекулы почти не дают знать. Вакуум — пустота. Установки, с помощью которых получают такую пустоту, называются вакуумными. Сколько их на одних только ламповых заводах! Ведь из электрической лампочки сначала откачивают воздух, а потом наполняют каким-нибудь спокойным, не склонным к реакциям газом, например криптоном или тем же азотом. Иногда лампочки оставляют пустыми.
А сейчас в вакууме сваривают металлы, изготовляют полупроводники, наносят тончайшие слои разных материалов. Везде вакуум. И везде жидкий азот. Он выполняет здесь роль бдительного сторожа. Есть много веществ, пары которых «гуляют» по вакуумным установкам, и тогда нет глубокого вакуума. Вот для таких вредных «гуляк» и устраивают холодные ловушки с жидким азотом. Через изогнутую трубочку насос качает воздух. Пока вредные пары путешествуют вместе с воздухом. Но вот трубочку окунули в жидкий азот. Мертвой хваткой своих минус ста девяноста шести градусов вцепляется он в трубочку. И пары падают на лету, замерзают, легким инеем оседают на дне трубочки.
А сейчас у нас будет еще одно очень интересное свидание с жидким азотом. Мы увидим жидкий азот в роли доктора. Он помогает людям, возвращает больных к жизни, как и полагается медику.