산소

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배경

산소는 기본 화학 원소 중 하나입니다. 가장 일반적인 형태의 산소는 공기에서 발견되는 무색 기체입니다. 그것은 지구상의 생명 유지 요소 중 하나이며 모든 동물에게 필요합니다. 산소는 또한 많은 산업, 상업, 의료 및 과학 응용 분야에서 사용됩니다. 고로에서 강철을 만드는 데 사용되며 암모니아, 알코올 및 다양한 플라스틱을 포함한 많은 합성 화학 물질의 생산에 중요한 구성 요소입니다. 산소와 아세틸렌은 함께 연소되어 용접 및 금속 절단에 필요한 매우 높은 온도를 제공합니다. 산소가 -297°F(-183°C) 아래로 냉각되면 로켓 연료로 사용되는 옅은 파란색 액체가 됩니다.

산소는 지구상에서 가장 풍부한 화학 원소 중 하나입니다. 지각의 약 1/2은 산소를 포함하는 화합물로 구성되어 있으며 대기의 5분의 1은 산소 기체입니다. 인체는 약 3분의 2가 산소입니다. 산소는 과학적 조사가 시작될 때부터 존재해 왔지만 1774년 영국의 Joseph Priestley가 태양의 집중 광선으로 거꾸로 된 시험관에서 산화수은을 가열하여 분리할 때까지 별도의 원소로 발견 및 인식되지 않았습니다. Priestley는 자신의 발견을 프랑스 과학자 Antoine Lavoisier에게 설명했는데, 그는 더 많은 실험을 하고 이것이 공기의 두 가지 주요 구성 요소 중 하나임을 결정했습니다. Lavoisier는 그리스 단어 oxys, 를 사용하여 새로운 기체 산소를 명명했습니다. 신맛 또는 산성을 의미하고 유전자, 그는 그것이 모든 산의 필수적인 부분이라고 믿었기 때문에 생성 또는 형성을 의미합니다.

1895년 독일의 Karl Paul Gottfried von Linde와 영국의 William Hampson은 공기가 액화될 때까지 온도를 낮추는 공정을 독자적으로 개발했습니다. 액체 공기를 조심스럽게 증류함으로써 다양한 구성 가스를 한 번에 하나씩 끓여서 포집할 수 있습니다. 이 과정은 빠르게 고품질 산소, 질소 및 아르곤의 주요 공급원이 되었습니다.

1901년 산소-아세틸렌 용접의 첫 시연에서 압축 산소 가스가 아세틸렌 가스와 함께 연소되었습니다. 이 기술은 금속을 용접하고 절단하는 일반적인 산업 방법이 되었습니다.

액체 로켓 추진제의 첫 사용은 1923년 미국의 로버트 고다드(Robert Goddard)가 가솔린을 연료로, 액체 산소를 산화제로 사용하는 로켓 엔진을 개발하면서 시작되었습니다. 1926년에 그는 작은 액체 연료 로켓을 약 60mph(97kph)의 속도로 184피트(56m) 거리에 성공적으로 날렸습니다.

제2차 세계 대전 이후, 신기술은 산소를 생산하는 데 사용되는 공기 분리 공정을 크게 개선했습니다. 비용은 감소하는 반면 생산량과 순도 ​​수준은 증가했습니다. 1991년에 미국에서는 4700억 입방 피트(134억 입방 미터) 이상의 산소가 생산되어 사용 중인 두 번째로 큰 산업용 가스가 되었습니다.

전 세계적으로 가장 큰 5개의 산소 생산 지역은 서유럽, 러시아(구 소련), 미국, 동유럽 및 일본입니다.

원시 Mcaterials

산소는 여러 가지 방법을 사용하여 여러 재료에서 생성할 수 있습니다. 가장 일반적인 자연 방법은 식물이 햇빛을 사용하여 공기 중의 이산화탄소를 산소로 전환시키는 광합성입니다. 이것은 동물이 공기 중의 산소를 이산화탄소로 다시 전환시키는 호흡 과정을 상쇄합니다.

산소를 생산하는 가장 일반적인 상업적 방법은 극저온 증류 공정 또는 진공 스윙 흡착 공정을 사용하여 공기를 분리하는 것입니다. 질소와 아르곤도 공기에서 분리하여 생성됩니다.

산소는 또한 화학 반응의 결과로 산소가 화합물에서 유리되어 기체가 되는 결과로 생성될 수 있습니다. 이 방법은 잠수함, 항공기 및 우주선의 생명 유지를 위해 제한된 양의 산소를 생성하는 데 사용됩니다.

수소와 산소는 물에 전류를 흐르게 하고 두 가스가 거품을 일으키면서 수집하여 생성할 수 있습니다. 음극 단자에서 수소가 형성되고 양극 단자에서 산소가 형성됩니다. 이 방법을 전기분해라고 하며 매우 순수한 수소와 산소를 생성합니다. 그러나 많은 양의 전기 에너지를 사용하므로 대량 생산에 경제적이지 않습니다.

제조
프로세스

대부분의 상업용 산소는 1895년에 처음 개발된 극저온 증류 공정의 변형을 사용하여 생산됩니다. 이 공정은 99% 이상의 순수한 산소를 생산합니다. 보다 최근에는 90-93% 이상의 순도를 가진 산소를 필요로 하지 않는 제한된 수의 응용 분야에 보다 에너지 효율적인 진공 스윙 흡착 공정이 사용되었습니다.

다음은 극저온 증류 공정을 사용하여 공기에서 상업용 등급의 ​​산소를 생산하는 데 사용되는 단계입니다.

전처리

이 프로세스는 극저온 극저온 섹션을 사용하여 공기를 분리하기 때문에 수증기, 이산화탄소 및 특정 중탄화수소와 같이 응고될 수 있는 모든 불순물을 먼저 제거하여 극저온 배관이 얼거나 막히는 것을 방지해야 합니다.

토마스 에디슨의 마지막 숨결이 담겨 있고 헨리 포드에게 주어졌다고 하는 시험관과 열렬한 팬, 에디슨의 아들 찰스의 유품으로. (미시간 주 디어본에 있는 헨리 포드 박물관 및 그린필드 빌리지 컬렉션에서)

이 시험관은 미시간 주 디어본에 있는 헨리 포드 박물관 및 그린필드 빌리지에서 가장 인기 있는 유물 중 하나입니다. 위대한 발명가 토마스 알바 에디슨의 마지막 숨결이 담겨 있다고 합니다. 에디슨의 아들 찰스에 따르면, 1931년 에디슨의 임종 옆 탁자에는 8개의 빈 시험관이 놓여 있었다. . 그런 다음 의사는 각 튜브를 파라핀으로 조심스럽게 밀봉하고 튜브를 Charles Edison에게 주었습니다. Charles Edison은 Henry Ford의 우상이 Thomas Edison임을 알고 포드에게 기념품으로 튜브 중 하나를 선물했습니다. 박물관은 Henry와 Clara Ford가 사망한 후 튜브를 구입했습니다.

얼마나 많은 이산화탄소와 얼마나 많은 산소가 현재 튜브에 포함되어 있는지 방문자 사이에서 약간의 토론이 있습니다. 어떤 사람들은 튜브를 에디슨의 입에 넣기 전에 산소 튜브를 빼낸 사람이 있는지 묻습니다(거의 없을 것입니다). 그렇지 않다면 튜브에 에디슨의 숨이 얼마나 들어갈 수 있습니까? 그래서 그들은 이산화탄소와 산소를 모두 포함하고 있다고 말합니다. 그럼에도 불구하고 그의 빛이 꺼진 것을 안타까워하는 사람들이 위대한 사람에게 바치는 이례적인 찬사입니다.

낸시 EV 브릭

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1 공기는 다단계 압축기에서 약 94psi(650kPa 또는 6.5atm)로 압축됩니다. 그런 다음 수냉식 애프터쿨러를 통과하여 물을 응축시킵니다. 공기는 처리 전에 극저온 배관을 막히게 하는 불순물을 제거하기 위해 전처리됩니다. 전처리된 공기는 분별 증류됩니다. 분별 증류 공정에서 구성 요소는 여러 단계로 점차적으로 분리됩니다. 모든 증류 공정은 액체를 끓여 하나 이상의 구성 요소를 분리하는 원리에 따라 작동하기 때문에 극저온 섹션은 가스 구성 요소를 액화하는 데 필요한 매우 낮은 온도를 제공해야 합니다. 액체 산소는 일단 분리되면 정제되어 저장됩니다. 증기 및 응축수는 수분 분리기에서 제거됩니다.

2 공기는 분자체 흡착기를 통과합니다. 흡착기에는 이산화탄소, 중질 탄화수소 및 남아 있는 수증기의 흔적을 가두는 제올라이트 및 실리카 겔 유형 흡착제가 포함되어 있습니다. 주기적으로 흡착기는 갇힌 불순물을 제거하기 위해 깨끗하게 세척됩니다. 이것은 일반적으로 병렬로 작동하는 두 개의 흡착기가 필요하므로 하나는 공기 흐름을 계속 처리하고 다른 하나는 세척할 수 있습니다.

분리

공기는 분별 증류(fractional distillation)로 알려진 증류 공정을 통해 질소, 산소 및 아르곤과 같은 주요 구성 요소로 분리됩니다. 때때로 이 이름은 fractionation으로 단축되며 이러한 분리를 수행하는 데 사용되는 수직 구조를 fractionating column이라고 합니다. 분별 증류 공정에서 구성 요소는 여러 단계로 점차적으로 분리됩니다. 각 단계에서 각 성분의 농도 또는 분획 수준은 분리가 완료될 때까지 증가합니다.

모든 증류 공정은 액체를 끓여 하나 이상의 구성 요소를 분리하는 원리에 따라 작동하기 때문에 극저온 섹션은 가스 구성 요소를 액화하는 데 필요한 매우 낮은 온도를 제공해야 합니다.

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3 전처리된 기류가 분할됩니다. 공기의 작은 부분은 압축기를 통해 전환되어 압력이 높아집니다. 그런 다음 냉각되고 거의 대기압으로 확장됩니다. 이 팽창은 작동에 필요한 저온을 제공하기 위해 극저온 섹션으로 주입되는 공기를 빠르게 냉각시킵니다.

4 공기의 주요 흐름은 직렬로 작동하는 한 쌍의 판형 핀 열교환기의 한 쪽을 통과하는 반면 극저온 섹션의 매우 차가운 산소와 질소는 다른 쪽을 통과합니다. 유입되는 기류는 냉각되고 산소와 질소는 따뜻해집니다. 일부 작업에서 공기는 두 번째 열 교환기 대신 팽창 밸브를 통과하여 냉각될 수 있습니다. 어느 쪽이든 공기의 온도는 끓는점이 가장 높은 산소가 액화되기 시작하는 지점까지 낮아집니다.

5 현재 일부는 액체이고 일부는 가스인 공기 흐름이 고압 분별 컬럼의 바닥으로 들어갑니다. 공기가 기둥 위로 올라가면서 추가 열을 잃습니다. 산소는 계속해서 액화되어 기둥 바닥에 산소가 풍부한 혼합물을 형성하는 반면 대부분의 질소와 아르곤은 증기로 상단으로 흐릅니다.

6 미정제 액체 산소라고 하는 액체 산소 혼합물은 하부 분별 컬럼의 바닥에서 배출되고 과냉각기에서 추가로 냉각됩니다. 이 흐름의 일부는 거의 대기압으로 확장되고 저압 분류 컬럼으로 공급됩니다. 미정제 액체 산소가 컬럼 아래로 내려가면서 나머지 질소와 아르곤의 대부분이 분리되어 컬럼 바닥에 99.5% 순수 산소가 남습니다.

7 한편, 고압탑 상부의 질소/아르곤 증기는 과냉각기에서 더 냉각된다. 혼합 증기는 거의 대기압으로 팽창하고 저압 분류 컬럼의 상단으로 공급됩니다. 끓는점이 가장 낮은 질소는 먼저 기체로 변하여 99.995% 순수 질소로 컬럼 상단으로 흐릅니다.

8 산소와 질소 사이에 끓는점이 있는 아르곤은 증기로 남아 있으며 질소가 끓으면서 가라앉기 시작합니다. 아르곤 증기가 컬럼 아래로 약 2/3 지점에 도달하면 아르곤 농도가 최대 약 7-12%에 도달하고 세 번째 분류 컬럼으로 배출되어 추가로 재순환 및 정제됩니다. 최종 생성물은 93-96%의 아르곤, 2-5%의 산소, 그리고 미량의 기타 가스가 포함된 나머지 질소를 포함하는 미정제 아르곤 스트림입니다.

정화

저압 컬럼의 바닥에 있는 산소는 약 99.5% 순수합니다. 최신 극저온 증류 장치는 저압 컬럼에서 더 많은 아르곤을 회수하도록 설계되어 산소 순도가 약 99.8%로 향상됩니다.

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9 더 높은 순도가 필요한 경우 저압 컬럼과 함께 하나 이상의 추가 분획 컬럼을 추가하여 산소 생성물을 더욱 정제할 수 있습니다. 어떤 경우에는 산소가 촉매를 통과하여 탄화수소를 산화시킬 수도 있습니다. 이 과정에서 이산화탄소와 수증기가 생성되고 포집되어 제거됩니다.

배포

미국에서 생산되는 산소의 약 80-90%는 인근 공기 분리 공장에서 가스 파이프라인을 통해 최종 사용자에게 배포됩니다. 국가의 일부 지역에서는 광범위한 파이프라인 네트워크가 수백 마일(킬로미터) 영역에 걸쳐 많은 최종 사용자에게 서비스를 제공합니다. 가스는 약 500psi(3.4MPa 또는 34atm)로 압축되고 직경이 4-12인치(10-30cm)인 파이프를 통해 흐릅니다. 나머지 산소의 대부분은 절연 탱크 트레일러 또는 철도 탱크 차량에 액체 산소로 배포됩니다.

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10 산소가 액화되는 경우 이 프로세스는 일반적으로 공기 분리 플랜트의 저압 분류 컬럼 내에서 수행됩니다. 저압탑 상부의 질소를 압축, 냉각, 팽창시켜 질소를 액화시킨다. 그런 다음 이 액체 질소 스트림은 저압 컬럼으로 다시 공급되어 산소가 컬럼 바닥으로 가라앉을 때 액화하는 데 필요한 추가 냉각을 제공합니다.

11 액화산소는 끓는점이 높기 때문에 빨리 끓고 500마일(800km) 이상으로 배송되는 경우는 드뭅니다. 대형 단열 탱크로 운송됩니다. 탱크 본체는 2개의 쉘로 구성되어 있으며 열 손실을 지연시키기 위해 내부 및 외부 쉘 사이에서 공기가 배출됩니다. 진공 공간은 외부로부터의 열 흐름을 더욱 차단하기 위해 반고체 단열재로 채워집니다.

품질 관리

압축 가스 협회는 존재하는 불순물의 양과 유형을 기준으로 기체 산소와 액체 산소 모두에 대한 등급 표준을 설정합니다. 가스 등급은 유형 I이라고 하며 순도 99.0%인 A에서 순도 99.995%인 F까지 다양합니다. 액체 등급은 유형 II라고 하며 A에서 F까지의 범위이지만 액체 등급의 허용 불순물 유형과 양은 가스 등급과 다릅니다. 유형 I 등급 B 및 등급 C 및 유형 II 등급 C는 99.5% 순도이며 가장 일반적으로 생산되는 등급의 산소입니다. 그들은 철강 제조 및 합성 화학 물질 제조에 사용됩니다.

극저온 증류 공기 분리 장치의 작동은 자동 기기로 모니터링되며 종종 컴퓨터 제어를 사용합니다. 결과적으로 출력 품질이 일관됩니다. 최종 제품의 주기적인 샘플링 및 분석을 통해 순도 기준이 충족되는지 확인합니다.

미래

1998년 1월, 미국은 Lunar Prospector 위성을 달 주위를 도는 궤도에 발사했습니다. 많은 작업 중에서 이 위성은 물의 표시를 찾기 위해 달 표면을 스캔할 것입니다. 과학자들은 충분한 양의 물이 발견되면 전기를 생산하기 위해 태양열을 사용하여 전기분해를 통해 수소와 산소 가스를 생산하는 데 사용될 수 있기를 희망합니다. 수소는 연료로 사용될 수 있고, 산소는 달 식민지에 생명 유지를 제공하는 데 사용될 수 있습니다. 또 다른 계획은 열을 위해 태양열로를 사용하여 달 토양의 화합물에서 산소를 추출하는 것입니다.