ВОЗДУХ

смесь газов, которая составляет атмосферу Земли, простирающуюся до высоты 1000-1200 км. До высоты ок. 11 км состав атмосферы остается неизменным. Этот слой называется тропосферой. В нем разыгрывается большинство метеорологических процессов, определяющих погоду. Здесь происходит интенсивная циркуляция воздуха, возникают ветры, бури и ураганы, велика турбулентность. В тропосфере сосредоточены почти весь находящийся в атмосфере водяной пар и почти вся воздушная пыль, а потому именно здесь по большей части происходит образование облаков. Над тропосферой, простираясь примерно на 50 км, располагается слой стратосферы. Здесь огромные потоки сравнительно спокойного воздуха циркулируют на больших расстояниях без значительных возмущений. В нижней части стратосферы образуются редкие облака, состоящие из мельчайших ледяных кристалликов. Над стратосферой до высоты ок. 80 км простирается мезосфера - слой, в котором достигается самая низкая в естественных условиях температура воздуха, составляющая примерно -110° C (160 К). Далее до высоты ок. 720 км следует слой термосферы. Здесь молекулы воздуха движутся столь быстро, что если бы плотность воздуха была такой же, как и на уровне моря (а не в миллиарды раз меньшей), то его температура была бы близка к 3000° C. Самый верхний слой атмосферы - экзосфера. В ней воздух крайне разрежен и столкновения молекул друг с другом столь редки, что большинство из них движутся по простым баллистическим траекториям, как пуля, а некоторая их часть - по эллиптическим орбитам, подобно искусственным спутникам Земли. Какая-то доля молекул, в основном водорода и гелия, достигает скоростей, при которых возможен выход за пределы действия сил земного тяготения, и рассеивается в пространстве между Землей и Луной (см. также АТМОСФЕРА). Изо всех разнообразных свойств воздуха важнее всего то, что он необходим для жизни на Земле. Существование людей и животных было бы невозможно без кислорода. Поскольку же для дыхания нужен кислород в разбавленном виде, наличие других газов в воздухе тоже имеет жизненно важное значение.
Состав. На уровне моря и в пределах тропосферы газовый состав воздуха (в об. %) таков: азот - 78,08%, кислород - 20,95%, аргон - 0,93%, углекислый газ (диоксид углерода) - 0,034%, водород - 5 x 10-5 %; кроме того, имеются "следовые" количества так называемых благородных (или инертных, редких) газов: неона - 1,8 x 10-3 %, гелия - 5,24 x 10-4 %, криптона - 1 x 10-4 % и ксенона - 8 x 10-6 %. Воздух в тропосфере содержит также переменные количества водяного пара; его влажность зависит от температурных условий и высоты. В нижних слоях атмосферы во взвешенном состоянии содержатся переменные количества пыли и золы, образующихся, например, в процессах горения и при извержении вулканов. С присутствием в воздухе таких аэрозольных частиц связаны яркие краски солнечных восходов и закатов, обусловленные рассеянием на них солнечных лучей.

ВОЗДУХ - СМЕСЬ ДЕВЯТИ ГАЗОВ. На температурной шкале показаны их температуры плавления и кипения при атмосферном давлении. Для диоксида углерода температуры кипения нет, так как он переходит из газообразной фазы сразу в твердую, минуя жидкую. Газы ожижаются при температуре кипения и затвердевают при температуре плавления.

РЕКТИФИКАЦИОННОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ ВОЗДУХА

Различные газы, входящие в состав атмосферного воздуха, можно преобразовать в жидкое и даже твердое состояние, если соответственно повысить давление и понизить температуру. Люди нашли для воздуха многочисленные и разнообразные применения. Масштабы применения газовых компонентов атмосферного воздуха в науке и технике, промышленности и быту во много раз расширились после того, как был разработан способ разделения воздушной смеси на отдельные компоненты. Этот способ состоит в том, что воздух сначала преобразуется в жидкое состояние, а затем подвергается дистилляции или ректификации (фракционированию) точно так же, как нефть-сырец разделяется на различные нефтепродукты. Впервые ожижение воздуха успешно осуществили в 1883 З.Вроблевский и К.Ольшевский. Для промышленного применения ректификационного разделения воздуха важны два обстоятельства. Во-первых, газы, входящие в состав воздуха, образуют физическую смесь, а не химическое соединение, и, во-вторых, точки кипения разных компонентов воздуха существенно различаются. Технические средства, созданные с учетом того и другого, обеспечивают практически полное разделение основных компонентов воздуха, причем с высокой степенью чистоты каждого компонента. Процесс разделения воздуха протекает в три этапа: 1) подготовка, или очистка, воздуха, 2) преобразование очищенного воздуха в жидкую фазу (ожижение) и 3) ректификационное разделение жидкой смеси на отдельные газы.

СХЕМА ВОЗДУХОРАЗДЕЛИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ. Перед разделением (ректификацией) воздух осушается, очищается и отделяется от углекислого газа в секции очистки. (Порядок следования показан сплошной линией со стрелками.) В следующей секции осуществляется его ожижение. В газообразном виде воздух проходит через теплообменники, где дополнительно очищается от углекислого газа и паров воды. Одновременно остальные составляющие газы охлаждаются и ожижаются. Газы с самыми низкими температурами кипения дополнительно охлаждаются, расширяясь и отдавая свою энергию в детандере. В третьей секции воздух подвергается ректификации в колоннах, в результате чего большинство газов отделяется и замораживается. Дальнейшая обработка может состоять в разделении газов с близкими температурами кипения и очистке кислорода.

Удаление примесей. Прежде чем воздух поступит на вход ожижительной и ректификационной секций воздухоразделительной установки, из него удаляются все примеси, которые либо взвешены в атмосферном воздухе в виде твердых частиц, либо легко могут превратиться в твердые при понижении температуры. В противном случае неизбежна быстрая закупорка узких каналов оборудования. К таким посторонним примесям относятся водяной пар, пыль, дым и пары других веществ, а также углекислый газ. Основная часть этих примесей задерживается масло- и влагоуловителями, как правило, после компрессорного сжатия. Осушка воздуха после сжатия более предпочтительна, так как в этом случае меньше воды приходится удалять в виде пара, поскольку при сжатии он большей частью превращается в жидкость. Дальнейшая сушка воздуха производится пропусканием его через адсорберы с активированным оксидом алюминия или силикагелем (частично дегидратированным диоксидом кремния). Углекислый газ можно удалять химическим путем за счет реакции с гидроксидом калия (едким кали) или натрия (едким натром). Однако эти химикаты быстро расходуются и требуют частого пополнения. На крупных воздухоразделительных установках используются теплообменные аппараты, в которых удаляются одновременно углекислый газ и водяной пар, а также охлаждается воздух, поступающий на вход системы. Легкозамораживаемые газы оседают в твердом виде на металлических поверхностях теплообменников, которые поддерживаются при очень низких температурах потоком отделенных газов, проходящим по их внутренним каналам. Систему периодически очищают от накопившихся примесей, обращая поток газов в теплообменнике.
Ожижение. Очищенный воздух поступает в секцию ожижения и охлаждается в системе механической рефрижерации, пока основная его часть не превратится в жидкость. В зависимости от давления, до которого воздух был сжат первоначально, его температура здесь снижается до примерно 100 К. Давления цикла находятся в пределах от 0,6 до 20 МПа. При охлаждении используется холод отделенных ранее газов, поступающих из ректификационной секции. В оптимально сконструированном теплообменнике холод отделенных газов практически полностью передается входящему воздуху. На некоторых установках, в частности таких, где часть отделенных газов отбирается в жидком виде, для предварительного охлаждения до примерно -40° С (230 К) предусматриваются теплообменники с фреоном или метилхлоридом. При более низких температурах, необходимых для ожижения воздуха, охлаждающей средой служит либо входящий воздух, либо отделенный азот. Этот газ, сжатый до определенного давления, приводит в движение расширительную машину, или детандер (обращенный компрессор). Расширяясь, газ перемещает поршень, который через коленчатый вал приводит во вращение электрогенератор, выполняющий функцию "тормоза". Поскольку газ при расширении в детандере совершает работу, его теплосодержание и температура понижаются. При первом пуске установки необходимо сначала охладить ее до рабочей температуры, а для этого требуется больше холода, чем в установившемся рабочем режиме (захолаживание установки). Охлаждение можно также осуществлять за счет расширения сжатых газов в газообразной или жидкой фазе при истечении через дроссельный клапан. В этом случае понижение температуры обусловлено эффектом Джоуля - Томсона (дроссель-эффектом). Указанные методы охлаждения основаны на разных термодинамических эффектах, и если ввести их в цикл в правильной последовательности, то можно использовать преимущества каждого из них
(см. также
ТЕПЛОТА;
ТЕРМОДИНАМИКА;
ФИЗИКА НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР).
Секции ожижения и ректификации, работающие при криогенных температурах, требуют хорошей наружной теплоизоляции. Поэтому аппараты названных секций снабжаются кожухами, заполненными такими теплоизолирующими материалами, как минеральная вата, стекловата и пористый вулканический пепел. Конструкционные материалы теплообменников, ректификационных колонн и соединительных трубопроводов выбираются очень тщательно. Углеродистые стали при криогенных температурах становятся хрупкими. Поэтому предпочтение отдается таким материалам, как медь, бронза, латунь, нержавеющая сталь и алюминий, обнаруживающим в криогенных условиях превосходные прочностные характеристики.
Ректификация. Разделение ожиженного воздуха на составляющие производится в вертикальных цилиндрических аппаратах, называемых ректификационными колоннами. Внутри такой колонны имеется вертикальный ряд горизонтальных "тарелок" с отверстиями, через которые вниз стекает жидкость, а из нижней части колонны поднимается газ, вступая в контакт с жидкостью на тарелках. В установках для выделения с высокой степенью чистоты всех компонентов воздуха предусматривается целый ряд таких колонн. В верхнюю часть каждой колонны вводится жидкость соответствующего состава, а в нижней создаются условия, необходимые для достаточно интенсивного парообразования, так что в колонне происходит постепенное разделение смеси. В условиях нормального атмосферного давления воздух ожижается при температуре около 80 К (-190° C); состав смеси изменяется по сравнению с первоначальным. Если исходный воздух содержит приблизительно 79% азота и 21% кислорода, то в результате естественного кинетического перераспределения в жидкости будет 65% азота и 35% кислорода, а в газе над жидкостью - 87% азота и 13% кислорода. Другие составляющие газы ведут себя точно так же, независимо от соотношения между кислородом и азотом. Как правило, пар над жидкостью обогащен компонентом с более низкой температурой кипения. Соотношение между фазами зависит, конечно, от давления. По мере того как жидкость опускается, а пары поднимаются по ректификационной колонне, концентрации выделяемых компонентов в них повышаются; в конце концов, в нижней части колонны отбирается кислород "товарной" чистоты, в ее верхней части - высококачественный азот, в других точках - аргон и смесь "более редких" газов. Поскольку на воздухоразделительных установках температура, как правило, не опускается ниже точки кипения азота, неон и гелий остаются неожиженными, и их можно несконденсированными выводить в виде смеси с азотом из основной ректификационной колонны. Смеси кислорода с аргоном разделять труднее, чем смеси газов с большой разницей в температурах кипения. На крупных воздухоразделительных установках конденсационно-испарительный процесс для увеличения выхода аргона высокой чистоты дополняется химическим процессом. К смеси кислорода, азота и аргона, отбираемой из криогенной секции системы, добавляется дозированное количество газообразного водорода. Кислород вступает в реакцию с водородом в присутствии палладиевого катализатора, и образуется вода, которая удаляется в осушителях. Остающаяся газообразная смесь аргона и азота вновь охлаждается и направляется на повторную ректификацию. Редкие газы (гелий, неон, криптон и ксенон) окончательно разделяются на комбинированных установках, где конденсационно-испарительный метод сочетается с методом селективной адсорбции. В качестве адсорбента часто применяется активированный уголь, охлажденный до температуры жидкого азота.
Транспортировка и хранение. Кислород, азот и аргон транспортируются и хранятся как в жидком, так и в газообразном виде. Для криогенных жидкостей используются специальные теплоизолированные сосуды. Низкотемпературные газы хранятся под давлением до 17 МПа в стальных баллонах. Редкие газы отпускаются в стеклянных сосудах Дьюара вместимостью 1-2 л; применяются и стальные термосы.

ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РАЗДЕЛЕННЫХ ГАЗОВ

Вряд ли можно найти какой-либо вид промышленной деятельности, где бы не играл значительную роль тот или иной из разделенных газов воздуха. Ниже отмечаются лишь наиболее важные применения.
Кислород. В металлообработке кислород в сочетании с разными топливными газами (ацетиленом, пропаном, природным газом) применяется для резки и сварки сортовой стали высокотемпературным пламенем. Кислородно-ацетиленовое пламя используется для зачистки металлических поверхностей в целях удаления ржавчины и окалины, а также для пайки твердым припоем многих металлов. В металлургии с помощью кислорода в смеси с топливными газами производится огневая зачистка новой стали для удаления дефектов. Для ускорения процессов выплавки стали кислород в больших количествах расходуется в качестве обезуглероживающего и окислительного агента. В связи со все более широким распространением тугоплавких стекол кислород все шире применяется в технике формования стеклянных изделий. В космических ракетах кислород используется как компонент топлива. Из-за недостатка свободного места в таких летательных аппаратах он хранится в жидком виде, но перед подачей в двигатель преобразуется в газ.
См. также РАКЕТА; КОСМОСА ИССЛЕДОВАНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ.
Азот. Благодаря своей относительной инертности азот особенно подходит для защиты продуктов, портящихся (окисляющихся) под воздействием кислорода. В пищевой промышленности к атмосфере азота часто прибегают как к средству предотвращения контакта с кислородом воздуха, способным привести к порче пищевого продукта или к потере естественного запаха. В химической, нефтяной и лакокрасочной промышленности азотная газовая подушка применяется для сохранения чистоты продукта и для предотвращения возгорания и взрыва в ходе технологической обработки. В электронной промышленности газообразным азотом продувают для вытеснения воздуха баллоны электронных ламп и корпуса полупроводниковых приборов перед их завариванием и герметизацией. Азот применяется для создания контролируемой атмосферы при отжиге и термообработке, для продувки расплавленного алюминия в целях удаления растворенного водорода и для очистки вторичного алюминия (скрапа). В электротехнике часто применяется атмосфера азота повышенного давления для поддержания высокого сопротивления изоляции и для увеличения срока службы изоляционных материалов. Пространство для расширения в маслонаполненных трансформаторах обычно заполняют азотом. Жидкий азот широко применяется для охлаждения как в промышленности, так и в научных исследованиях, в частности в экологических тестах.
См. также АЗОТ.
Аргон. В отличие от азота, который может вступать в реакцию с некоторыми металлами при повышенных температурах, аргон совершенно инертен при любых условиях. Поэтому он применяется для создания защитной атмосферы в производстве таких химически активных металлов, как титан и цирконий. Он служит также защитной средой при дуговой сварке трудносвариваемых металлов и сплавов - алюминия, бронзы, меди, монель-металла и нержавеющих сталей. Аргон хорошо подходит для заполнения (с добавкой азота) ламп накаливания. Обладая низкой теплопроводностью, аргон допускает более высокие температуры нити, что повышает световую отдачу лампы, а его значительная молекулярная масса затрудняет испарение металла из раскаленной вольфрамовой нити. В результате увеличивается срок службы лампы. Аргоном, чистым или в смеси с другими газами, заполняют также люминесцентные лампы, как осветительные (с термокатодом), так и рекламные (с холодным катодом). Кроме того, он применяется в производстве высокочистых полупроводниковых материалов (германия и кремния) для изготовления транзисторов. См. также ТРАНЗИСТОР.
Неон, криптон и ксенон. Все эти три газа обладают повышенной способностью к ионизации, т.е. они становятся электропроводящими при значительно меньших напряжениях, чем большинство других газов. Будучи ионизованы, эти газы, так же как аргон и гелий, испускают яркий свет, каждый своего цвета, а потому используются в лампах для рекламного освещения. В электронной промышленности эти редкие газы применяются для заполнения особых видов электронных ламп - стабилитронов, стартеров, фотоэлементов, тиратронов, ультрафиолетовых стерилизационных ламп и счетчиков Гейгера. В атомной промышленности ими наполняют ионизационные и пузырьковые камеры и другие устройства для исследования субатомных частиц и измерения интенсивности проникающего излучения.
Водород, гелий и углекислый газ. Эти газы в больших количествах производятся другими методами, при которых их производство обходится дешевле. Поэтому после выделения в процессе ректификационного разделения воздуха их обычно выпускают в атмосферу. См. также ВОДОРОД.

СЖАТЫЙ ВОЗДУХ

Энергию сжатого воздуха можно использовать для совершения механической работы, создания воздушного потока или воздушной подушки. Сжатый воздух легко транспортируется по трубам и шлангам, так что им можно пользоваться на значительном удалении от источника (компрессора или резервуара высокого давления) без больших потерь энергии в линии передачи.
Применение. Сжатый воздух применяется в пневматических двигателях, которые приводят в движение дрели, ручные шлифовальные и другие пневматические инструменты, в бурильных и отбойных молотках и в воздушных турбинах торпед. Воздушный поток, создаваемый сжатым воздухом, используется для транспортировки по аэрожелобам зерна, угольной пыли и других порошкообразных материалов. С помощью сжатого воздуха вентилируют шахты, здания, другие закрытые помещения, перемешивают жидкости, барботируя их в чанах, создают принудительную тягу в доменных и других печах. Сжатый воздух используется для уравновешения давления воды в водолазных костюмах, для накачки пневматических шин, для приведения в действие тормозов в поездах, для дистанционного воздействия на устройства управления технологическим оборудованием. Всего можно насчитать более 200 различных видов применения сжатого воздуха. Начало применению энергии сжатого воздуха в широких масштабах было положено в 1861, когда М. Соммейе сконструировал водно-поршневой компрессор с приводом от водяного колеса. Сжатый воздух подводился к бурильным молоткам на строительстве туннеля Мон-Сени в Альпах. Ранее вместо этого использовался пар, но отработанный пар создавал невыносимые условия для работающих в туннеле. Преимущества пневмопривода, особенно при проведении подземных горных работ, стали очевидны, и началось быстрое развитие пневмотехники.
Компрессоры. Для подачи воздуха под давлением был разработан поршневой компрессор. Поршень в таком компрессоре приводится в движение первичным двигателем. В такте всасывания воздух втягивается через входной клапан, а при обратном ходе поршня сжимается и выталкивается через другой клапан. Пружинные тарельчатые клапаны работают без механизма внешнего управления. В компрессоре одинарного действия сжатие осуществляется только по одну сторону поршня, а в компрессоре двойного действия для сжатия используются оба конца цилиндра. При сжатии воздуха его температура повышается. Такое нагревание нежелательно, поскольку ухудшаются условия работы поршня. Кроме того, если отводить тепло, выделяющееся при сжатии, то требуется меньше работы для сжатия. Поэтому компрессоры обычно имеют водяное или воздушное охлаждение. При давлениях нагнетания выше 0,4 МПа сжатие осуществляется ступенями. Два или несколько цилиндров соединяют так, что воздух с выхода одной ступени поступает на вход другой, и полное давление нагнетания достигается лишь на выходе последней. Между ступенями предусматриваются теплобменники, понижающие температуру воздуха. Шестиступенчатые компрессоры такого типа способны подавать сжатый воздух под давлением до 100 МПа. Объемные ротационные компрессоры бывают двух типов - пластинчатые и двухроторные. Пластинчатый компрессор устроен так же, как и пластинчатый пневмодвигатель (см. ниже), только ротор вращается в противоположном направлении. В двухроторном компрессоре воздух захватывается в пространстве между роторами и стенкой корпуса и вытесняется зацеплением роторов. Центробежные воздуходувки и компрессоры - это машины ротационного типа, подобные центробежным насосам. Энергия воздуха увеличивается благодаря центробежному действию вращающихся рабочих колес. Воздуходувками называют машины, сжимающие воздух до давления не более 0,3 МПа (изб.), а компрессорами - до давлений, превышающих эту величину. Для повышения давления те и другие делают многоступенчатыми. На одном валу располагают несколько рабочих колес, и воздух, переходя с одной ступени на другую, последовательно сжимается.
Пневмодвигатели. Пневмодвигателем называется машина, преобразующая в механическую работу энергию сжатого воздуха. Пневмодвигатели бывают поршневые, пластинчатые ротационные и турбинные. Сжатие воздуха производится вне двигателя, например в компрессоре.

ПНЕВМОДРЕЛЬ В РАЗРЕЗЕ. 1 - вход сжатого воздуха; 2 - регулятор числа оборотов; 3 - клапан-выключатель; 4 - автоматическая масленка; 5 - ротор; 6 - лопасть ротора; 7 - редуктор; 8 - патрон для сверла.

Поршневые пневмодвигатели. Поршневой пневмодвигатель сходен с паровой машиной. Сжатый воздух поступает в клапанную коробку, и клапан, срабатывая, впускает порцию воздуха в цилиндр. Под давлением воздуха поршень совершает полезную работу через кривошипный или другой механизм, после чего отработанный воздух выпускается в атмосферу. Пневмоцикл может быть без расширения и с расширением.
Пластинчатые ротационные пневмодвигатели. Ротор такого двигателя смещен относительно осевой линии неподвижного корпуса. Прямоугольные пластины (или лопасти), установленные в радиальных пазах ротора, прижимаются к внутренней стенке корпуса. Сжатый воздух поступает в цилиндрический корпус через отверстие в стенке и заполняет "камеру", образуемую стенкой ротора, стенкой корпуса и одной из пластин. Под давлением воздуха пластина вместе с ротором поворачивается, а следующая пластина, проходя мимо отверстия, прерывает поступление воздуха в данную камеру и открывает ему доступ в следующую. Захваченный воздух расширяется, отдавая часть своей энергии, пока не достигается полный объем камеры. После этого открывается выпускное отверстие, и порция отработанного воздуха выходит наружу.
Турбинные пневмодвигатели. В воздушной турбине энергия давления сжатого воздуха преобразуется в кинетическую энергию его направленного движения при расширении воздуха в соплах. Высокоскоростная воздушная струя ударяется о лопатки ротора, действует на него с тангенциальной силой и заставляет вращаться (воздушные турбины сходны с паровыми).

ЛИТЕРАТУРА

Разделение воздуха методом глубокого охлаждения. М., 1973 Головко Г.А., Ручкин А.В. Разделение воздуха. Л., 1982 Вассерман А.А. и др. Теплофизические свойства воздуха и его компонентов. М., 1986