Zuurstof

Achtergrond

Zuurstof is een van de chemische basiselementen. In de meest voorkomende vorm is zuurstof een kleurloos gas dat in de lucht wordt aangetroffen. Het is een van de levensondersteunende elementen op aarde en is nodig voor alle dieren. Zuurstof wordt ook gebruikt in veel industriële, commerciële, medische en wetenschappelijke toepassingen. Het wordt gebruikt in hoogovens om staal te maken en is een belangrijk onderdeel bij de productie van veel synthetische chemicaliën, waaronder ammoniak, alcoholen en verschillende kunststoffen. Zuurstof en acetyleen worden samen verbrand om de zeer hoge temperaturen te leveren die nodig zijn voor lassen en metaalsnijden. Wanneer zuurstof wordt afgekoeld tot onder -297 ° F (-183 ° C), wordt het een lichtblauwe vloeistof die wordt gebruikt als raketbrandstof.

Zuurstof is een van de meest voorkomende chemische elementen op aarde. Ongeveer de helft van de aardkorst bestaat uit chemische verbindingen die zuurstof bevatten, en een vijfde van onze atmosfeer is zuurstofgas. Het menselijk lichaam bestaat voor ongeveer tweederde uit zuurstof. Hoewel zuurstof aanwezig is sinds het begin van wetenschappelijk onderzoek, werd het pas in 1774 ontdekt en erkend als een afzonderlijk element toen Joseph Priestley uit Engeland het isoleerde door kwikoxide in een omgekeerde reageerbuis te verhitten met de gefocuste stralen van de zon. Priestley beschreef zijn ontdekking aan de Franse wetenschapper Antoine Lavoisier, die verder experimenteerde en vaststelde dat het een van de twee belangrijkste componenten van lucht was. Lavoisier noemde het nieuwe gas zuurstof met de Griekse woorden oxys, wat betekent zuur of zuur, en genen, wat betekent produceren of vormen, omdat hij geloofde dat het een essentieel onderdeel was van alle zuren.

In 1895 ontwikkelden Karl Paul Gottfried von Linde uit Duitsland en William Hampson uit Engeland onafhankelijk een proces om de temperatuur van lucht te verlagen totdat deze vloeibaar werd. Door zorgvuldige destillatie van de vloeibare lucht konden de verschillende samenstellende gassen één voor één worden afgekookt en opgevangen. Dit proces werd al snel de belangrijkste bron van zuurstof, stikstof en argon van hoge kwaliteit.

In 1901 werd gecomprimeerd zuurstofgas verbrand met acetyleengas bij de eerste demonstratie van oxy-acetyleenlassen. Deze techniek werd een veelgebruikte industriële methode voor het lassen en snijden van metalen.

Het eerste gebruik van vloeibare raketstuwstoffen kwam in 1923 toen Robert Goddard uit de Verenigde Staten een raketmotor ontwikkelde die benzine als brandstof en vloeibare zuurstof als oxidatiemiddel gebruikte. In 1926 vloog hij met succes een kleine vloeibare brandstof raket over een afstand van 184 ft (56 m) met een snelheid van ongeveer 60 mph (97 km / u).

Na de Tweede Wereldoorlog brachten nieuwe technologieën aanzienlijke verbeteringen aan in het luchtscheidingsproces dat wordt gebruikt om zuurstof te produceren. De productievolumes en zuiverheidsniveaus namen toe, terwijl de kosten daalden. In 1991 werd in de Verenigde Staten meer dan 470 miljard kubieke voet (13,4 miljard kubieke meter) zuurstof geproduceerd, waarmee dit het op een na grootste industriële gas in gebruik is.

Wereldwijd zijn de vijf grootste zuurstofproducerende gebieden West-Europa, Rusland (voorheen de USSR), de Verenigde Staten, Oost-Europa en Japan.

Ruwe Macericals

Zuurstof kan worden geproduceerd uit een aantal materialen, met behulp van verschillende methoden. De meest gebruikelijke natuurlijke methode is fotosynthese, waarbij planten zonlicht gebruiken om koolstofdioxide in de lucht om te zetten in zuurstof. Dit compenseert het ademhalingsproces, waarbij dieren zuurstof in de lucht weer omzetten in koolstofdioxide.

De meest gebruikelijke commerciële methode voor het produceren van zuurstof is de scheiding van lucht met behulp van een cryogeen destillatieproces of een vacuüm-swing-adsorptieproces. Stikstof en argon worden ook geproduceerd door ze te scheiden van lucht.

Zuurstof kan ook worden geproduceerd als gevolg van een chemische reactie waarbij zuurstof wordt bevrijd van een chemische verbinding en een gas wordt. Deze methode wordt gebruikt om beperkte hoeveelheden zuurstof te genereren voor levensondersteuning op onderzeeërs, vliegtuigen en ruimtevaartuigen.

Waterstof en zuurstof kunnen worden gegenereerd door een elektrische stroom door water te leiden en de twee gassen op te vangen terwijl ze wegborrelen. Waterstof vormt zich aan de negatieve pool en zuurstof aan de positieve pool. Deze methode heet elektrolyse en levert zeer zuivere waterstof en zuurstof op. Het gebruikt echter een grote hoeveelheid elektrische energie en is niet economisch voor grootschalige productie.

Het fabricageproces

De meeste commerciële zuurstof wordt geproduceerd met behulp van een variant van het cryogene destillatieproces dat oorspronkelijk in 1895 werd ontwikkeld. Dit proces produceert zuurstof die 99+% zuiver is. Meer recentelijk is het meer energie-efficiënte vacuüm-swing-adsorptieproces gebruikt voor een beperkt aantal toepassingen die geen zuurstof nodig hebben met een zuiverheid van meer dan 90-93%.

Hier zijn de stappen die worden gebruikt om commerciële zuurstof uit lucht te produceren met behulp van het cryogene destillatieproces.

Voorbehandelen

Omdat bij dit proces gebruik wordt gemaakt van een extreem koud cryogeen gedeelte om de lucht te scheiden, moeten alle onzuiverheden die kunnen stollen, zoals waterdamp, kooldioxide en bepaalde zware koolwaterstoffen, eerst worden verwijderd om te voorkomen dat ze bevriezen en de cryogene leidingen verstoppen.

Een reageerbuis die de laatste adem van Thomas Edison bevatte en aan Henry Ford werd gegeven, en vurig fan, als aandenken van Edisons zoon Charles. (Uit de collecties van Henry Ford Museum &Greenfield Village, Dearborn, Michigan.)

Deze reageerbuis is een van de meest populaire artefacten in het Henry Ford Museum &Greenfield Village in Dearborn, Michigan. Er wordt gezegd dat het de laatste adem van Thomas Alva Edison, de grote uitvinder, bevat. Volgens Edisons zoon Charles lag er in 1931 een set van acht lege reageerbuisjes op de tafel naast Edisons sterfbed. Onmiddellijk nadat Edison was overleden, plaatste zijn arts een aantal van de buisjes op Edisons lippen om de kooldioxide uit zijn leeglopende longen op te vangen. . Vervolgens verzegelde de arts elk buisje zorgvuldig met paraffine en gaf de buisjes aan Charles Edison. Charles Edison wist dat het idool van Henry Ford Thomas Edison was en gaf Ford een van de buizen als aandenken. Het museum verwierf de buis na de dood van zowel Henry als Clara Ford.

Er is enige discussie onder bezoekers hoeveel koolstofdioxide en hoeveel zuurstof er momenteel in de buis zit. Sommigen vragen of iemand de zuurstofslang heeft geëvacueerd voordat hij de slang naar Edisons mond heeft gebracht (zeer onwaarschijnlijk). Zo niet, hoeveel van Edisons adem zou er in de buis kunnen zitten? Dus, zeggen ze, het bevat zowel koolstofdioxide als zuurstof? Desalniettemin is het een onconventioneel eerbetoon aan een groot man door degenen die het jammer vinden dat zijn licht is gedoofd.

Nancy EV Bryk

• 1 De lucht wordt gecomprimeerd tot ongeveer 94 psi (650 kPa of 6,5 atm) in een meertrapscompressor. Vervolgens gaat het door een watergekoelde nakoeler om al het water te condenseren Vóór de verwerking wordt lucht voorbehandeld om onzuiverheden te verwijderen die de cryogene leidingen zullen verstoppen. Eenmaal voorbehandeld, wordt de lucht onderworpen aan gefractioneerde destillatie. Bij het gefractioneerde destillatieproces worden de componenten geleidelijk in verschillende fasen gescheiden. Omdat alle destillatieprocessen werken volgens het principe van het koken van een vloeistof om een ​​of meer van de componenten te scheiden, is een cryogene sectie vereist om de zeer lage temperaturen te bieden die nodig zijn om de gascomponenten vloeibaar te maken. Zodra de vloeibare zuurstof is afgescheiden, wordt deze gezuiverd en opgeslagen. damp, en het gecondenseerde water wordt verwijderd in een waterafscheider.
• 2 De lucht passeert een moleculaire zeef-adsorber. De adsorber bevat zeoliet- en silicagel-type adsorbentia, die de kooldioxide, zwaardere koolwaterstoffen en eventuele resterende sporen van waterdamp vasthouden. De adsorber wordt regelmatig schoongespoeld om de ingesloten onzuiverheden te verwijderen. Hiervoor zijn meestal twee parallel werkende adsorbers nodig, zodat de ene de luchtstroom kan blijven verwerken terwijl de andere wordt gespoeld.

Scheiden

Lucht wordt gescheiden in zijn belangrijkste componenten - stikstof, zuurstof en argon - door een destillatieproces dat bekend staat als gefractioneerde destillatie. Soms wordt deze naam afgekort tot fractionering, en de verticale structuren die worden gebruikt om deze scheiding uit te voeren, worden fractioneringskolommen genoemd. Bij het gefractioneerde destillatieproces worden de componenten geleidelijk in verschillende fasen gescheiden. In elke fase wordt het concentratieniveau, of fractie, van elke component verhoogd totdat de scheiding volledig is.

Omdat alle destillatieprocessen werken volgens het principe van het koken van een vloeistof om een ​​of meer van de componenten te scheiden, is een cryogene sectie vereist om de zeer lage temperaturen te bieden die nodig zijn om de gascomponenten vloeibaar te maken.

• 3 De voorbehandelde luchtstroom wordt gesplitst. Een klein deel van de lucht wordt omgeleid door een compressor, waar de druk wordt opgevoerd. Het wordt vervolgens afgekoeld en men laat het uitzetten tot bijna atmosferische druk. Door deze expansie wordt de lucht snel afgekoeld, die in het cryogene gedeelte wordt geïnjecteerd om de vereiste koude temperaturen voor de werking te verschaffen.
• 4 De hoofdstroom van lucht gaat door één kant van een paar plaatvinwarmtewisselaars die in serie werken, terwijl zeer koude zuurstof en stikstof uit het cryogene gedeelte door de andere kant gaan. De binnenkomende luchtstroom wordt gekoeld, terwijl de zuurstof en stikstof worden opgewarmd. Bij sommige bewerkingen kan de lucht worden gekoeld door deze door een expansieventiel te leiden in plaats van door de tweede warmtewisselaar. In beide gevallen wordt de temperatuur van de lucht verlaagd tot het punt waar de zuurstof, die het hoogste kookpunt heeft, vloeibaar begint te worden.
• 5 De luchtstroom - nu deels vloeibaar en deels gas - komt de basis van de hogedruk-fractioneringskolom binnen. Terwijl de lucht zich een weg omhoog door de kolom baant, verliest het extra warmte. De zuurstof blijft vloeibaar worden en vormt een zuurstofrijk mengsel in de bodem van de kolom, terwijl de meeste stikstof en argon als damp naar boven stromen.
• 6 Het vloeibare zuurstofmengsel, ruwe vloeibare zuurstof genaamd, wordt uit de bodem van de onderste fractioneerkolom gezogen en in de subkoeler verder gekoeld. Een deel van deze stroom laat men uitzetten tot bijna atmosferische druk en wordt toegevoerd aan de lagedruk fractioneringskolom. Terwijl de ruwe vloeibare zuurstof door de kolom stroomt, scheiden de meeste resterende stikstof en argon zich af, waardoor 99,5% zuivere zuurstof op de bodem van de kolom achterblijft.
• 7 Ondertussen wordt de stikstof/argondamp uit de top van de hogedrukkolom verder afgekoeld in de subcooler. Men laat de gemengde damp uitzetten tot bijna atmosferische druk en wordt toegevoerd aan de bovenkant van de lagedruk fractioneringskolom. De stikstof, die het laagste kookpunt heeft, wordt eerst gas en stroomt uit de top van de kolom als 99,995% zuivere stikstof.
• 8 Het argon, dat een kookpunt heeft tussen de zuurstof en de stikstof, blijft een damp en begint te zinken als de stikstof verdampt. Als de argondamp een punt bereikt op ongeveer tweederde van de weg naar beneden in de kolom, bereikt de argonconcentratie zijn maximum van ongeveer 7-12% en wordt afgevoerd naar een derde fractioneringskolom, waar het verder wordt gerecirculeerd en verfijnd. Het eindproduct is een stroom ruw argon met 93-96% argon, 2-5% zuurstof en de rest stikstof met sporen van andere gassen.

Zuiveren

De zuurstof op de bodem van de lagedrukkolom is ongeveer 99,5% zuiver. Nieuwere cryogene destillatie-eenheden zijn ontworpen om meer argon uit de lagedrukkolom terug te winnen en dit verbetert de zuurstofzuiverheid tot ongeveer 99,8%.

• 9 Als een hogere zuiverheid nodig is, kunnen een of meer extra fractioneringskolommen worden toegevoegd in combinatie met de lagedrukkolom om het zuurstofproduct verder te verfijnen. In sommige gevallen kan de zuurstof ook over een katalysator worden geleid om eventuele koolwaterstoffen te oxideren. Dit proces produceert kooldioxide en waterdamp, die vervolgens worden opgevangen en verwijderd.

Distributie

Ongeveer 80-90% van de zuurstof die in de Verenigde Staten wordt geproduceerd, wordt gedistribueerd naar de eindgebruikers in gaspijpleidingen van nabijgelegen luchtscheidingsinstallaties. In sommige delen van het land bedient een uitgebreid netwerk van pijpleidingen vele eindgebruikers over een gebied van honderden mijlen (kilometers). Het gas wordt gecomprimeerd tot ongeveer 500 psi (3,4 MPa of 34 atm) en stroomt door pijpen met een diameter van 4-12 inch (10-30 cm). Het grootste deel van de resterende zuurstof wordt als vloeibare zuurstof in geïsoleerde tankopleggers of treinwagons gedistribueerd.

• 10 Als de zuurstof vloeibaar moet worden gemaakt, gebeurt dit meestal in de lagedrukfractioneringskolom van de luchtscheidingsinstallatie. Stikstof uit de top van de lagedrukkolom wordt samengeperst, gekoeld en geëxpandeerd om de stikstof vloeibaar te maken. Deze vloeibare stikstofstroom wordt vervolgens teruggevoerd naar de lagedrukkolom om de extra koeling te verschaffen die nodig is om de zuurstof vloeibaar te maken wanneer deze naar de bodem van de kolom zakt.
• 11 Omdat vloeibare zuurstof een hoog kookpunt heeft, kookt het snel af en wordt het zelden verder dan 800 km vervoerd. Het wordt vervoerd in grote, geïsoleerde tanks. Het tanklichaam is gemaakt van twee schalen en de lucht wordt tussen de binnen- en buitenschaal geëvacueerd om warmteverlies te vertragen. De vacuümruimte is gevuld met een halfvast isolatiemateriaal om de warmtestroom van buitenaf verder te stoppen.

Kwaliteitscontrole

De Compressed Gas Association stelt indelingsnormen vast voor zowel gasvormige zuurstof als vloeibare zuurstof op basis van de hoeveelheid en het type aanwezige onzuiverheden. Gassoorten worden Type I genoemd en variëren van A, dat 99,0% zuiver is, tot F, dat 99,995% zuiver is. Vloeibare soorten worden Type II genoemd en variëren ook van A tot F, hoewel de soorten en hoeveelheden toegestane onzuiverheden in vloeibare soorten anders zijn dan in gassoorten. Type I Grade B en Grade C en Type II Grade C zijn 99,5% zuiver en zijn de meest geproduceerde zuurstofsoorten. Ze worden gebruikt bij de staalproductie en bij de vervaardiging van synthetische chemicaliën.

De werking van cryogene destillatie-luchtscheidingsunits wordt gecontroleerd door automatische instrumenten en maakt vaak gebruik van computerbesturingen. Als gevolg hiervan is hun output consistent in kwaliteit. Periodieke bemonstering en analyse van het eindproduct zorgt ervoor dat aan de zuiverheidsnormen wordt voldaan.

De Toekomst

In januari 1998 lanceerden de Verenigde Staten de Lunar Prospector-satelliet in een baan rond de maan. Een van zijn vele taken is dat deze satelliet het oppervlak van de maan zal scannen op aanwijzingen voor water. Wetenschappers hopen dat als er voldoende hoeveelheden water worden gevonden, het kan worden gebruikt om waterstof- en zuurstofgassen te produceren door middel van elektrolyse, waarbij zonne-energie wordt gebruikt om de elektriciteit op te wekken. De waterstof zou als brandstof kunnen worden gebruikt en de zuurstof zou kunnen worden gebruikt om maankolonies van leven te voorzien. Een ander plan omvat het extraheren van zuurstof uit chemische verbindingen in de maanbodem met behulp van een oven op zonne-energie voor warmte.