2.1 Производство азота и кислорода методом глубокого охлаждения

Для ряда процессов в азотной промышленности требуются значительные количества чистого азота и технологического кислорода. Их получают методом сжижения воздуха и его ректификацией, попутно при ректификации могут быть выделены аргон, криптоксеноновая фракция и неоногелиевая смесь.

Впервые жидкий воздух был получен в небольшом количестве в 1877 году, а более масштабно – в 1883 году. Позднее были сжижены и остальные газы.

Первая установка для сжижения воздуха была построена в 1895 году К. Линде, в 1902 году впервые была применена расширительная машина (детандер).

Технологический кислород применяется в химической и металлургической промышленности, для сварочных работ; жидкий кислород применяется в авиации и ракетной технике; чистый азот применяется для синтеза аммиака. Такое широкое применение привело к бурному развитию строительства крупных установок для разделения воздуха.

Особый вклад в развитие возможности создания мощных воздухоразделительных установок с применением высокоэффективных турбодетандеров, работающих по циклу низкого давления, внес академик Капица.

Воздух содержит следующие компоненты: азот (78,09 %), кислород (20,95 %), диоксид углерода (0,03 %), инертные газы (0,93 %). Кроме перечисленных компонентов, воздух может содержать незначительные количества водорода и водяного пара.

Для выделения из воздуха азота и кислорода высокой чистоты применяется метод ректификации жидкого воздуха. Воздух, охлаждая, переводят в жидкое состояние, а затем для получения отдельных компонентов последовательно испаряют при различных температурах. Жидкий воздух при атмосферном давлении кипит при температуре -192 °С.

Температура ожижения газа зависит от давления. Чем меньше давление газа, тем ниже температура его ожижения. Температура, выше которой газ не переходит в жидкое состояние ни при каком, даже очень высоком давлении, называется критической. Давление, при котором происходит ожижение газа при критической температуре, называется критическим. Каждый газ имеет свои определенные значения критической температуры и давления. Некоторые физические константы воздуха приведены в таблице 2.

Таблица 2 – Физические константы воздуха

Показатели	Величина
	Азот	Кислород	Воздух
Т кипения при н.у., °К	77,35	90,19	81,15
Критическая Т, °К	126,1	154,4	132,55
Критическое р ,атм	34,6	51,3	38,4

Жидкий воздух разделяют на жидкий кислород и газообразный азот многократным испарением жидкости и конденсацией ее паров. Такой процесс называется многократной ректификацией. При испарении жидкого воздуха испаряется преимущественно азот, имеющий более низкую температуру кипения. По мере испарения и удаления паров азота жидкость все более и более обогащается кислородом. Повторяя процесс испарения и конденсации многократно, получают азот и кислород определенной степени чистоты. Процесс ректификации осуществляют в специальных аппаратах, так называемых ректификационных колоннах.