Sauerstoff

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Hintergrund

Sauerstoff ist eines der grundlegenden chemischen Elemente. In seiner häufigsten Form ist Sauerstoff ein farbloses Gas, das in der Luft vorkommt. Es ist eines der lebenserhaltenden Elemente auf der Erde und wird von allen Tieren benötigt. Sauerstoff wird auch in vielen industriellen, kommerziellen, medizinischen und wissenschaftlichen Anwendungen verwendet. Es wird in Hochöfen zur Stahlherstellung verwendet und ist ein wichtiger Bestandteil bei der Herstellung vieler synthetischer Chemikalien, darunter Ammoniak, Alkohole und verschiedene Kunststoffe. Sauerstoff und Acetylen werden zusammen verbrannt, um die sehr hohen Temperaturen bereitzustellen, die zum Schweißen und Metallschneiden erforderlich sind. Wenn Sauerstoff unter -297° F (-183° C) abgekühlt wird, wird er zu einer hellblauen Flüssigkeit, die als Raketentreibstoff verwendet wird.

Sauerstoff ist eines der am häufigsten vorkommenden chemischen Elemente auf der Erde. Ungefähr die Hälfte der Erdkruste besteht aus sauerstoffhaltigen chemischen Verbindungen und ein Fünftel unserer Atmosphäre besteht aus Sauerstoffgas. Der menschliche Körper besteht zu etwa zwei Drittel aus Sauerstoff. Obwohl Sauerstoff seit Beginn der wissenschaftlichen Forschung vorhanden ist, wurde er erst 1774 als separates Element entdeckt und anerkannt, als Joseph Priestley aus England ihn isolierte, indem er Quecksilberoxid in einem umgekehrten Reagenzglas mit den fokussierten Sonnenstrahlen erhitzte. Priestley beschrieb seine Entdeckung dem französischen Wissenschaftler Antoine Lavoisier, der weiter experimentierte und feststellte, dass es sich um einen der beiden Hauptbestandteile der Luft handelt. Lavoisier benannte das neue Gas Sauerstoff mit den griechischen Wörtern oxys, bedeutet sauer oder sauer und Gene, was bedeutete, produzieren oder formen, weil er glaubte, es sei ein wesentlicher Bestandteil aller Säuren.

1895 entwickelten Karl Paul Gottfried von Linde aus Deutschland und William Hampson aus England unabhängig voneinander ein Verfahren zur Absenkung der Lufttemperatur bis zur Verflüssigung. Durch sorgfältige Destillation der flüssigen Luft konnten die verschiedenen Gaskomponenten nacheinander abgekocht und aufgefangen werden. Dieser Prozess wurde schnell zur Hauptquelle für hochwertigen Sauerstoff, Stickstoff und Argon.

1901 wurde bei der ersten Demonstration des Autogenschweißens komprimiertes Sauerstoffgas mit Acetylengas verbrannt. Diese Technik wurde zu einer gängigen industriellen Methode zum Schweißen und Schneiden von Metallen.

Der erste Einsatz von flüssigen Raketentreibstoffen erfolgte 1923, als Robert Goddard aus den Vereinigten Staaten einen Raketenmotor entwickelte, der Benzin als Treibstoff und flüssigen Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet. Im Jahr 1926 flog er erfolgreich eine kleine, mit Flüssigtreibstoff betriebene Rakete über eine Entfernung von 56 m mit einer Geschwindigkeit von etwa 60 mph (97 km/h).

Nach dem Zweiten Weltkrieg brachten neue Technologien erhebliche Verbesserungen des Luftzerlegungsverfahrens zur Sauerstofferzeugung. Produktionsmengen und Reinheitsgrade stiegen, während die Kosten sanken. 1991 wurden in den Vereinigten Staaten über 470 Milliarden Kubikfuß (13,4 Milliarden Kubikmeter) Sauerstoff produziert, was es zum zweitgrößten verwendeten Industriegas macht.

Die fünf größten Sauerstoff produzierenden Gebiete weltweit sind Westeuropa, Russland (ehemals UdSSR), die Vereinigten Staaten, Osteuropa und Japan.

Rohmaterialien

Sauerstoff kann aus einer Reihe von Materialien mit verschiedenen Methoden hergestellt werden. Die gebräuchlichste natürliche Methode ist die Photosynthese, bei der Pflanzen mithilfe des Sonnenlichts Kohlendioxid in der Luft in Sauerstoff umwandeln. Dadurch wird der Atmungsprozess ausgeglichen, bei dem Tiere den Sauerstoff der Luft wieder in Kohlendioxid umwandeln.

Das gängigste kommerzielle Verfahren zur Herstellung von Sauerstoff ist die Trennung von Luft unter Verwendung entweder eines kryogenen Destillationsverfahrens oder eines Vakuumwechseladsorptionsverfahrens. Stickstoff und Argon werden auch hergestellt, indem sie aus der Luft getrennt werden.

Sauerstoff kann auch durch eine chemische Reaktion entstehen, bei der Sauerstoff von einer chemischen Verbindung befreit und gasförmig wird. Diese Methode wird verwendet, um begrenzte Sauerstoffmengen zur Lebenserhaltung auf U-Booten, Flugzeugen und Raumfahrzeugen zu erzeugen.

Wasserstoff und Sauerstoff können erzeugt werden, indem man einen elektrischen Strom durch Wasser leitet und die beiden Gase sammelt, während sie abperlen. Am Minuspol bildet sich Wasserstoff und am Pluspol Sauerstoff. Diese Methode wird Elektrolyse genannt und erzeugt sehr reinen Wasserstoff und Sauerstoff. Es verbraucht jedoch viel elektrische Energie und ist für eine Großserienfertigung nicht wirtschaftlich.

Der Herstellungsprozess
Prozess

Der meiste kommerzielle Sauerstoff wird unter Verwendung einer Variation des ursprünglich 1895 entwickelten kryogenen Destillationsverfahrens hergestellt. Dieses Verfahren erzeugt Sauerstoff mit einer Reinheit von mehr als 99 %. In jüngerer Zeit wurde das energieeffizientere Vakuum-Swing-Adsorptionsverfahren für eine begrenzte Anzahl von Anwendungen verwendet, die keinen Sauerstoff mit einer Reinheit von mehr als 90-93% benötigen.

Hier sind die Schritte, die verwendet werden, um mithilfe des kryogenen Destillationsverfahrens Sauerstoff in kommerzieller Qualität aus Luft herzustellen.

Vorbehandlung

Da bei diesem Verfahren ein extrem kalter kryogener Abschnitt zum Abscheiden der Luft verwendet wird, müssen alle Verunreinigungen, die sich verfestigen könnten – wie Wasserdampf, Kohlendioxid und bestimmte schwere Kohlenwasserstoffe – zuerst entfernt werden, um zu verhindern, dass sie einfrieren und die kryogenen Rohrleitungen verstopfen.

Ein Reagenzglas, das angeblich den letzten Atemzug von Thomas Edison enthält und Henry Ford und glühend gegeben wurde Fan, als Andenken von Edisons Sohn Charles. (Aus den Sammlungen des Henry Ford Museum &Greenfield Village, Dearborn, Michigan.)

Dieses Reagenzglas ist eines der beliebtesten Artefakte im Henry Ford Museum &Greenfield Village in Dearborn, Michigan. Es soll den letzten Atemzug von Thomas Alva Edison, dem großen Erfinder, enthalten. Laut Edisons Sohn Charles stand 1931 ein Satz von acht leeren Reagenzgläsern auf dem Tisch neben Edisons Sterbebett. Unmittelbar nach Edisons Tod hielt sein Arzt mehrere der Röhrchen an Edisons Lippen, um das Kohlendioxid aus seinen sich entleerenden Lungen aufzufangen . Dann versiegelte der Arzt jedes Röhrchen sorgfältig mit Paraffin und gab die Röhrchen Charles Edison. Charles Edison wusste, dass das Idol von Henry Ford Thomas Edison war und schenkte Ford eine der Röhren als Andenken. Das Museum erwarb die Röhre nach dem Tod von Henry und Clara Ford.

Unter den Besuchern wird diskutiert, wie viel Kohlendioxid und wie viel Sauerstoff derzeit in der Röhre enthalten ist. Einige fragen, ob jemand den Sauerstoffschlauch evakuiert hat, bevor er den Schlauch an Edisons Mund gelegt hat (sehr unwahrscheinlich). Wenn nicht, wie viel von Edisons Atem könnte sich in der Röhre befinden? Es heißt also, es enthält sowohl Kohlendioxid als auch Sauerstoff? Nichtsdestotrotz ist es eine unkonventionelle Hommage an einen großen Mann von denen, die bedauern, dass sein Licht erloschen ist.

Nancy EV Bryk

• 1 Die Luft wird in einem mehrstufigen Kompressor auf etwa 94 psi (650 kPa oder 6,5 atm) komprimiert. Anschließend durchläuft es einen wassergekühlten Nachkühler, um jegliches Wasser zu kondensieren Vor der Verarbeitung wird die Luft vorbehandelt, um Verunreinigungen zu entfernen, die die Kryoleitungen verstopfen. Nach der Vorbehandlung wird die Luft einer fraktionierten Destillation unterzogen. Bei der fraktionierten Destillation werden die Komponenten nach und nach in mehreren Stufen getrennt. Da alle Destillationsverfahren nach dem Prinzip des Siedens einer Flüssigkeit arbeiten, um eine oder mehrere der Komponenten zu trennen, ist ein kryogener Abschnitt erforderlich, um die sehr niedrigen Temperaturen bereitzustellen, die zum Verflüssigen der Gaskomponenten erforderlich sind. Sobald der flüssige Sauerstoff abgetrennt ist, wird er gereinigt und gelagert. Dampf, und das kondensierte Wasser wird in einem Wasserabscheider entfernt.
• 2 Die Luft strömt durch einen Molekularsiebadsorber. Der Adsorber enthält Adsorbentien vom Zeolith- und Silicagel-Typ, die das Kohlendioxid, schwerere Kohlenwasserstoffe und alle verbleibenden Spuren von Wasserdampf einfangen. Periodisch wird der Adsorber sauber gespült, um die eingeschlossenen Verunreinigungen zu entfernen. Dies erfordert in der Regel zwei parallel arbeitende Adsorber, damit einer den Luftstrom weiter verarbeiten kann, während der andere gespült wird.

Trennen

Luft wird durch einen Destillationsprozess, der als fraktionierte Destillation bekannt ist, in ihre Hauptkomponenten – Stickstoff, Sauerstoff und Argon – getrennt. Manchmal wird dieser Name zu Fraktionierung abgekürzt, und die vertikalen Strukturen, die zur Durchführung dieser Trennung verwendet werden, werden Fraktionierungssäulen genannt. Bei der fraktionierten Destillation werden die Komponenten nach und nach in mehreren Stufen getrennt. In jeder Stufe wird die Konzentration oder Fraktion jeder Komponente erhöht, bis die Trennung abgeschlossen ist.

Da alle Destillationsverfahren nach dem Prinzip des Siedens einer Flüssigkeit arbeiten, um eine oder mehrere der Komponenten zu trennen, ist ein kryogener Abschnitt erforderlich, um die sehr niedrigen Temperaturen bereitzustellen, die zum Verflüssigen der Gaskomponenten erforderlich sind.

• 3 Der vorbehandelte Luftstrom wird geteilt. Ein kleiner Teil der Luft wird durch einen Kompressor geleitet, wo der Druck erhöht wird. Es wird dann abgekühlt und auf nahezu Atmosphärendruck expandieren gelassen. Diese Expansion kühlt die Luft schnell ab, die in den kryogenen Abschnitt eingespritzt wird, um die für den Betrieb erforderlichen kalten Temperaturen bereitzustellen.
• 4 Der Hauptluftstrom strömt durch eine Seite eines Paares von Plattenrippenwärmetauschern, die in Reihe arbeiten, während sehr kalter Sauerstoff und Stickstoff aus dem kryogenen Abschnitt durch die andere Seite strömen. Der einströmende Luftstrom wird gekühlt, während Sauerstoff und Stickstoff erwärmt werden. Bei einigen Vorgängen kann die Luft gekühlt werden, indem sie durch ein Expansionsventil anstelle des zweiten Wärmetauschers geleitet wird. In beiden Fällen wird die Temperatur der Luft so weit abgesenkt, dass sich der Sauerstoff mit dem höchsten Siedepunkt zu verflüssigen beginnt.
• 5 Der Luftstrom – jetzt teils flüssig und teils gasförmig – tritt in den Boden der Hochdruckfraktionierungskolonne ein. Während sich die Luft in der Säule nach oben bewegt, verliert sie zusätzliche Wärme. Der Sauerstoff verflüssigt sich weiter und bildet im Sumpf der Kolonne ein sauerstoffreiches Gemisch, während der größte Teil des Stickstoffs und Argons als Dampf nach oben strömt.
• 6 Das flüssige Sauerstoffgemisch, flüssiger Rohsauerstoff genannt, wird aus dem Sumpf der unteren Fraktionierkolonne abgezogen und im Unterkühler weiter abgekühlt. Ein Teil dieses Stroms wird auf nahezu Atmosphärendruck expandieren gelassen und in die Niederdruck-Fraktionierungskolonne eingespeist. Während sich der flüssige Rohsauerstoff in der Säule nach unten bewegt, trennen sich der größte Teil des verbleibenden Stickstoffs und Argons, so dass 99,5% reiner Sauerstoff am Boden der Säule zurückbleibt.
• 7 Währenddessen wird der Stickstoff/Argon-Dampf vom Kopf der Hochdrucksäule im Unterkühler weiter abgekühlt. Der gemischte Dampf wird auf nahezu Atmosphärendruck expandieren gelassen und in den Kopf der Niederdruck-Fraktionierungskolonne eingespeist. Der Stickstoff mit dem niedrigsten Siedepunkt wird zuerst gasförmig und strömt als 99,995% reiner Stickstoff am Kopf der Kolonne aus.
• 8 Das Argon, das einen Siedepunkt zwischen Sauerstoff und Stickstoff hat, bleibt ein Dampf und beginnt zu sinken, wenn der Stickstoff verdampft. Wenn der Argondampf einen Punkt etwa zwei Drittel des Weges nach unten durch die Kolonne erreicht, erreicht die Argonkonzentration ihr Maximum von etwa 7-12% und wird in eine dritte Fraktionierkolonne abgezogen, wo er weiter rezirkuliert und gereinigt wird. Das Endprodukt ist ein Strom von Rohargon, der 93-96% Argon, 2-5 % Sauerstoff und den Rest Stickstoff mit Spuren anderer Gase enthält.

Reinigen

Der Sauerstoff am Sumpf der Niederdrucksäule ist zu etwa 99,5% rein. Neuere kryogene Destillationsanlagen sind darauf ausgelegt, mehr Argon aus der Niederdrucksäule zurückzugewinnen, was die Sauerstoffreinheit auf etwa 99,8 % verbessert.

• 9 Wenn eine höhere Reinheit erforderlich ist, können eine oder mehrere zusätzliche Fraktionierungssäulen in Verbindung mit der Niederdrucksäule hinzugefügt werden, um das Sauerstoffprodukt weiter zu verfeinern. In einigen Fällen kann der Sauerstoff auch über einen Katalysator geleitet werden, um jegliche Kohlenwasserstoffe zu oxidieren. Bei diesem Prozess entstehen Kohlendioxid und Wasserdampf, die dann aufgefangen und entfernt werden.

Verteilen

Ungefähr 80-90% des in den Vereinigten Staaten produzierten Sauerstoffs werden in Gaspipelines von nahegelegenen Luftzerlegungsanlagen an die Endverbraucher verteilt. In einigen Teilen des Landes versorgt ein ausgedehntes Netz von Pipelines viele Endverbraucher über ein Gebiet von Hunderten von Meilen (Kilometer). Das Gas wird auf etwa 500 psi (3,4 MPa oder 34 atm) komprimiert und fließt durch Rohre mit einem Durchmesser von 4-12 Zoll (10-30 cm). Der Rest des Sauerstoffs wird größtenteils als Flüssigsauerstoff in isolierten Tankaufliegern oder Eisenbahnkesselwagen verteilt.

• 10 Soll der Sauerstoff verflüssigt werden, erfolgt dieser Prozess üblicherweise in der Niederdruck-Fraktionierkolonne der Luftzerlegungsanlage. Stickstoff vom Kopf der Niederdrucksäule wird komprimiert, gekühlt und entspannt, um den Stickstoff zu verflüssigen. Dieser flüssige Stickstoffstrom wird dann in die Niederdrucksäule zurückgeführt, um die zusätzliche Kühlung bereitzustellen, die erforderlich ist, um den Sauerstoff zu verflüssigen, während er zum Boden der Säule sinkt.
• 11 Da flüssiger Sauerstoff einen hohen Siedepunkt hat, verdampft er schnell und wird selten weiter als 800 km transportiert. Es wird in großen, isolierten Tanks transportiert. Der Tankkörper besteht aus zwei Schalen und die Luft wird zwischen der inneren und äußeren Schale evakuiert, um den Wärmeverlust zu verzögern. Der Vakuumraum ist mit einem halbfesten Isoliermaterial gefüllt, um den Wärmefluss von außen weiter zu stoppen.

Qualitätskontrolle

Die Compressed Gas Association legt Klassifizierungsstandards für gasförmigen Sauerstoff und flüssigen Sauerstoff basierend auf der Menge und Art der vorhandenen Verunreinigungen fest. Gasqualitäten werden als Typ I bezeichnet und reichen von A (99,0% rein) bis F (99,995% rein). Flüssige Qualitäten werden Typ II genannt und reichen ebenfalls von A bis F, obwohl die Arten und Mengen der zulässigen Verunreinigungen in flüssigen Qualitäten anders sind als in Gasqualitäten. Typ I Grade B und Grade C und Typ II Grade C sind zu 99,5% rein und sind die am häufigsten hergestellten Sauerstoffqualitäten. Sie werden in der Stahlerzeugung und bei der Herstellung von synthetischen Chemikalien verwendet.

Der Betrieb von kryogenen Destillations-Luftzerlegungseinheiten wird durch automatische Instrumente überwacht und verwendet häufig Computersteuerungen. Als Ergebnis ist ihre Ausgabe in gleichbleibender Qualität. Regelmäßige Probenahmen und Analysen des Endprodukts stellen sicher, dass die Reinheitsstandards eingehalten werden.

Die Zukunft

Im Januar 1998 starteten die Vereinigten Staaten den Satelliten Lunar Prospector in eine Umlaufbahn um den Mond. Dieser Satellit wird unter anderem die Mondoberfläche nach Wasserzeichen absuchen. Wissenschaftler hoffen, dass, wenn ausreichende Mengen an Wasser gefunden werden, daraus durch Elektrolyse Wasserstoff- und Sauerstoffgase hergestellt werden könnten, wobei Sonnenenergie zur Stromerzeugung genutzt wird. Der Wasserstoff könnte als Treibstoff verwendet werden, und der Sauerstoff könnte verwendet werden, um Mondkolonien lebenserhaltend zu versorgen. Ein anderer Plan sieht vor, Sauerstoff aus chemischen Verbindungen im Mondboden zu extrahieren, indem ein solarbetriebener Ofen für Wärme verwendet wird.