Получение из воздуха инертных газов

ПОЛУЧЕНИЕ ИЗ ВОЗДУХА ИНЕРТНЫХ ГАЗОВ

Когда Лемюэль Гулливер, «сначала хирург, а потом капитан нескольких кораблей», попал в страну Бальнибарби, ему было дозволено осмотреть Великую Академию Прожектеров в Лагадо. Там он увидел «универсального искусника» и пятьдесят его помощников, посвятивших себя странным исследованиям. В частности, они «сгущали воздух в вещество сухое и осязаемое, извлекая из него селитру и процеживая водянистые и текучие его частицы».
 
Эту, на взгляд Свифта, забавную чепуху ему понадобилось придумать, чтобы осмеять ученых-схоластов своего времени, предававшихся бесплодным мудрствованиям. В соответствии с принятыми тогда взглядами Свифт считал бессмысленной какую-либо обработку воздуха.
Однако история в данном случае подшутила над Свифтом: сам того не подозревая, он оказался пророком. Через полтора—два столетия вымышленные занятия прожектеров обратились в будничную реальность, притом далеко обогнавшую фантазию великого сатирика. Исследование состава воздуха привело к открытию входящих в него газов и к выработке методов их разделения. Выделяемые из воздуха газы нашли широкое практическое применение. Ныне исходя  из воздуха получают и «сухие вещества», в том числе селитру, и множество более сложных химических соединений.
 
Современные мощные воздухоразделительные машины производят огромные количества кислорода и азота. Попутно идет извлечение неона, аргона, криптона и ксенона; это требует только некоторого изменения технологического режима и введения в воздухоразделительные машины дополнительных устройств.
 
Воздух — не только практически единственный, но и неисчерпаемый и неизменный по составу источник получения этих четырех благородных газов. В литературе нередко приходится встречать сетования на то, что сырьевые ресурсы нефти, горючих газов и ряда элементов медленно истощаются: они химически изменяются (сгорают) или рассеиваются в результате человеческой деятельности.
 
Инертным газам такая участь никогда не будет грозить. Как бы интенсивно ни извлекали их из воздуха, они вновь и вновь туда возвращаются после использования, не меняя свой химический состав и физическое состояние и без каких-либо потерь. При таком положении те 20 млрд. т криптона и 1 млрд. т ксенона, которые содержатся в земной атмосфере, в состоянии обеспечить на неопределенно долгие времена потребности человечества в этих газах при любом высоком уровне их потребления. А потребление, по всем данным, будет продолжать свой бурный рост. В наши дни инертные газы являются активными элементами технического прогресса.
 
Правило постоянства (точнее, очень медленного наращивания) запасов четырех инертных газов не нарушит и ксенон, даже в том случае, если производство его соединений достигнет внушительных размеров. Ведь использование любого соединения неизбежно сопровождается высвобождением ксенона и его возвращением в атмосферу.
 
Как осуществляют разделение воздуха на его основные компоненты? В принципе этот процесс прост. Воздух очищают от углекислоты и влаги и с помощью глубокого холода сжижают. Далее жидкий воздух постепенно испаряют. Поскольку кислород кипит при более высокой температуре (на 12,9°), чем азот, то вначале последний испаряется в почти чистом виде, и остающаяся в испарителе жидкость обогащается кислородом.
 
Чтобы добиться полного разделения, процесс много-кратно повторяют, для чего испарившуюся часть вновь конденсируют, пропуская противотоком стекающей вниз жидкости (флегме). Описанный процесс многократной фракционной перегонки называется ректификацией; его осуществляют в вертикальных цилиндрических трубах (колоннах), снабженных горизонтальными перегородками в виде металлических сеток или колпачков для увеличения поверхности контакта жидкости с газом, обменивающихся теплом. В конечном счете на верху колонны собирается почти чистый газообразный азот, а внизу — почти чистый жидкий кислород.
 
Обычно используются аппараты двухкратной ректификации . Аппарат состоит из двух сочлененных колонн — нижней высокого давления и верхней низкого давления — и промежуточного конденсатора, служащего испарителем у верхней колонны. Он представляет собой заключенный в кожух пучок трубок, впаянных в решетку. Внутреннее пространство трубок сообщается с нижней колонной, где давление 5,2—5,5 ат, а пространство между трубками конденсатора соединено с верхней колонной, где давление в десять раз ниже. Воздух поступает в нижнюю часть нижней колонны, в ней происходит сжижение воздуха и грубое разделение его на азот и кислород. Окончательное разделение происходит в верхней колонне. Из ее верхней части отводится азот, а из пространства над конденсатором —кислород. Низкое давление здесь способствует испарению жидких газов.
 
Современные воздухоразделительные установки позволяют получать в значительных количествах не только аргон, но и неон и криптон, а в близком будущем станет возможным получение на них и ксенона. Ныне мировая выработка неона и криптона исчисляется многими тысячами кубометров в год, и ожидается ее рост в среднем на 14% ежегодно в соответствии с ростом производства кислорода.
 
Каждый из инертных газов вначале получается в виде сырого концентрата, имеющего много примесей. Далее концентрат подвергается очистке химическими или физическими методами, а иногда теми и другими.
Статья на тему Получение из воздуха инертных газов