空気

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背景

酸素は基本的な化学元素の1つです。最も一般的な形態では、酸素は空気中に見られる無色のガスです。それは地球上の生命維持要素の1つであり、すべての動物に必要とされています。酸素は、多くの産業、商業、医療、および科学のアプリケーションでも使用されています。高炉で鉄鋼を製造するために使用され、アンモニア、アルコール、さまざまなプラスチックなど、多くの合成化学物質の製造において重要な成分です。酸素とアセチレンを一緒に燃焼させて、溶接や金属の切断に必要な非常に高い温度を提供します。酸素が-297°F（-183°C）未満に冷却されると、ロケット燃料として使用される淡い青色の液体になります。

酸素は、地球上で最も豊富な化学元素の1つです。地殻の約半分は酸素を含む化合物で構成されており、大気の5分の1は酸素ガスです。人体は約3分の2の酸素です。酸素は科学的調査の開始以来存在していましたが、1774年にイギリスのジョセフプリーストリーが逆さにした試験管内で酸化水銀を太陽の集束光線で加熱して分離するまで、酸素は別の元素として発見および認識されませんでした。プリーストリーは彼の発見をフランスの科学者アントワーヌラヴォワジエに説明しました。アントワーヌラヴォワジエはさらに実験を行い、それが空気の2つの主要成分の1つであると判断しました。 Lavoisierは、ギリシャ語の oxys を使用して、新しいガス酸素に名前を付けました。 酸味または酸を意味し、遺伝子 彼はそれがすべての酸の本質的な部分であると信じていたので、生産または形成を意味します。

1895年、ドイツのカールポールゴットフリートフォンリンデとイギリスのウィリアムハンプソンは、液化するまで空気の温度を下げるプロセスを独自に開発しました。液体空気を注意深く蒸留することにより、さまざまな成分ガスを一度に1つずつ沸騰させて捕捉することができます。このプロセスはすぐに高品質の酸素、窒素、およびアルゴンの主要な供給源になりました。

1901年、酸素アセチレン溶接の最初のデモンストレーションで、圧縮酸素ガスがアセチレンガスで燃焼されました。この技術は、金属を溶接および切断する一般的な工業的方法になりました。

液体ロケット推進剤の最初の使用は、米国のロバート・ゴダードが燃料としてガソリンを使用し、酸化剤として液体酸素を使用するロケットエンジンを開発した1923年に始まりました。 1926年に、彼は小さな液体燃料ロケットを約60 mph（97 kph）の速度で184フィート（56 m）の距離を飛行することに成功しました。

第二次世界大戦後、新しい技術により、酸素の生成に使用される空気分離プロセスが大幅に改善されました。生産量と純度レベルは増加しましたが、コストは減少しました。 1991年には、米国で4,700億立方フィート（134億立方メートル）を超える酸素が生成され、使用されている産業用ガスの量は2番目に多くなっています。

世界で5つの最大の酸素生産地域は、西ヨーロッパ、ロシア（旧ソ連）、米国、東ヨーロッパ、および日本です。

生のMcatericals

酸素は、いくつかの異なる方法を使用して、多くの材料から生成することができます。最も一般的な自然の方法は、植物が太陽光を利用して空気中の二酸化炭素を酸素に変換する光合成です。これは、動物が空気中の酸素を二酸化炭素に戻す呼吸プロセスを相殺します。

酸素を生成するための最も一般的な商業的方法は、極低温蒸留プロセスまたは真空スイング吸着プロセスのいずれかを使用して空気を分離することです。窒素とアルゴンも、空気から分離することによって生成されます。

酸素は、酸素が化合物から解放されてガスになる化学反応の結果として生成されることもあります。この方法は、潜水艦、航空機、宇宙船の生命維持のために限られた量の酸素を生成するために使用されます。

水素と酸素は、水に電流を流し、2つのガスが泡立つときに集めることで生成できます。水素は負の端子で形成され、酸素は正の端子で形成されます。この方法は電気分解と呼ばれ、非常に純粋な水素と酸素を生成します。ただし、大量の電気エネルギーを使用するため、大量生産には経済的ではありません。

製造
プロセス

ほとんどの市販の酸素は、1895年に最初に開発された極低温蒸留プロセスのバリエーションを使用して生成されます。このプロセスは、99％以上の純度の酸素を生成します。最近では、よりエネルギー効率の高い真空スイング吸着プロセスが、純度90〜93％を超える酸素を必要としない限られた数のアプリケーションに使用されています。

極低温蒸留プロセスを使用して空気から商用グレードの酸素を生成するために使用される手順は次のとおりです。

前処理

このプロセスでは極低温セクションを使用して空気を分離するため、水蒸気、二酸化炭素、特定の重質炭化水素など、固化する可能性のあるすべての不純物を最初に除去して、極低温配管の凍結や詰まりを防ぐ必要があります。

トーマス・エジソンの最後の息が入っていると言われ、ヘンリー・フォードに与えられた試験管は熱心ですファン、エジソンの息子チャールズによる記念品として。 （ミシガン州ディアボーンのヘンリーフォード博物館とグリーンフィールドビレッジのコレクションから。）

この試験管は、ミシガン州ディアボーンのヘンリーフォード博物館とグリーンフィールドビレッジで最も人気のある工芸品の1つです。偉大な発明家であるトーマス・アルバ・エジソンの最後の息吹が含まれていると言われています。エジソンの息子チャールズによると、1931年にエジソンの死の床の隣のテーブルに8本の空の試験管のセットが置かれました。 。次に、医師は各チューブをパラフィンで注意深く密封し、チャールズエジソンにチューブを渡しました。チャールズ・エジソンは、ヘンリー・フォードのアイドルがトーマス・エジソンであることを知っており、記念品としてフォードにチューブの1つをプレゼントしました。ヘンリーとクララフォードの両方の死後、博物館はチューブを取得しました。

訪問者の間では、現在チューブに含まれている二酸化炭素の量と酸素の量についていくつかの議論があります。エジソンの口にチューブを入れる前に、誰かが酸素チューブを排気したかどうかを尋ねる人もいます（ほとんどありません）。そうでない場合、エジソンの息のどのくらいがチューブにある可能性がありますか？それで、彼らはそれが二酸化炭素と酸素の両方を含んでいると言いますか？それにもかかわらず、それは彼の光が消えるのを見て申し訳ない人々による偉大な人への型破りな賛辞です。

ナンシーEVブリック

• 1多段圧縮機では、空気が約94 psi（650kPaまたは6.5atm）に圧縮されます。次に、水冷式アフタークーラーを通過して水を凝縮します 処理の前に、極低温配管を詰まらせる不純物を除去するために空気が前処理されます。前処理されると、空気は分別蒸留にかけられます。分別蒸留プロセスでは、成分はいくつかの段階で徐々に分離されます。すべての蒸留プロセスは、液体を沸騰させて1つまたは複数の成分を分離するという原理で機能するため、ガス成分を液化するために必要な非常に低い温度を提供するために極低温セクションが必要です。液体酸素が分離されると、精製されて保管されます。 蒸気、および凝縮水は水分離器で除去されます。
• 2空気はモレキュラーシーブ吸着器を通過します。吸着器にはゼオライトとシリカゲルタイプの吸着剤が含まれており、二酸化炭素、より重い炭化水素、および残りの微量の水蒸気をトラップします。定期的に吸着器をきれいに洗い流して、閉じ込められた不純物を取り除きます。これには通常、2つの吸着装置が並行して動作している必要があります。これにより、一方が空気の流れを処理し続け、もう一方がフラッシュされます。

分離

空気は、分別蒸留と呼ばれる蒸留プロセスによって、主要な成分である窒素、酸素、およびアルゴンに分離されます。この名前は分別に短縮されることがあり、この分離を実行するために使用される垂直構造は分別カラムと呼ばれます。分別蒸留プロセスでは、成分はいくつかの段階で徐々に分離されます。各段階で、分離が完了するまで、各成分の濃度またはフラクションのレベルが増加します。

すべての蒸留プロセスは、液体を沸騰させて1つまたは複数の成分を分離するという原理で機能するため、ガス成分を液化するために必要な非常に低い温度を提供するために極低温セクションが必要です。

• 3前処理された空気の流れが分割されます。空気のごく一部がコンプレッサーを介して迂回され、そこで圧力が上昇します。その後、冷却され、ほぼ大気圧まで膨張します。この膨張により空気が急速に冷却され、極低温セクションに注入されて、動作に必要な低温を提供します。
• 4空気の主流は、直列に動作する一対のプレートフィン熱交換器の一方の側を通過しますが、極低温セクションからの非常に冷たい酸素と窒素はもう一方の側を通過します。流入する空気の流れは冷却され、酸素と窒素は暖められます。一部の操作では、空気は、2番目の熱交換器の代わりに膨張弁を通過することによって冷却される場合があります。いずれの場合も、沸点が最も高い酸素が液化し始めるまで空気の温度を下げます。
• 5空気流（一部は液体、一部は気体）が高圧分留塔のベースに入ります。空気がカラムを上っていくと、追加の熱が失われます。酸素は液化し続け、カラムの下部に酸素が豊富な混合物を形成しますが、窒素とアルゴンのほとんどは蒸気として上部に流れます。
• 6粗液体酸素と呼ばれる液体酸素混合物は、下部分留塔の底から引き出され、サブクーラーでさらに冷却されます。この流れの一部はほぼ大気圧まで膨張し、低圧分留塔に供給されます。粗液体酸素がカラムを下って行くと、残りの窒素とアルゴンのほとんどが分離し、カラムの底に99.5％の純粋な酸素が残ります。
• 7一方、高圧塔の上部からの窒素/アルゴン蒸気は、サブクーラーでさらに冷却されます。混合蒸気はほぼ大気圧まで膨張し、低圧分留塔の上部に供給されます。沸点が最も低い窒素が最初にガスに変わり、99.995％の純窒素としてカラムの上部から流出します。
• 8酸素と窒素の間に沸点を持つアルゴンは蒸気のままで、窒素が沸騰すると沈み始めます。アルゴン蒸気がカラムの約3分の2の地点に到達すると、アルゴン濃度は最大値の約7〜12％に達し、3番目の分留塔に引き出され、そこでさらに再循環および精製されます。最終生成物は、93〜96％のアルゴン、2〜5％の酸素、および微量の他のガスを含む残りの窒素を含む粗アルゴンの流れです。

浄化

低圧カラムの底部の酸素は約99.5％純粋です。新しい極低温蒸留装置は、低圧カラムからより多くのアルゴンを回収するように設計されており、これにより酸素純度が約99.8％に向上します。

• 9より高い純度が必要な場合は、1つまたは複数の追加の分留塔を低圧塔と組み合わせて追加して、酸素生成物をさらに精製することができます。場合によっては、酸素を触媒に通して炭化水素を酸化することもできます。このプロセスにより、二酸化炭素と水蒸気が生成され、それらが捕捉されて除去されます。

配布

米国で生産された酸素の約80〜90％は、近くの空気分離プラントからのガスパイプラインでエンドユーザーに分配されます。国の一部の地域では、パイプラインの広範なネットワークが数百マイル（キロメートル）の領域で多くのエンドユーザーにサービスを提供しています。ガスは約500psi（3.4MPaまたは34atm）に圧縮され、直径4〜12インチ（10〜30 cm）のパイプを通って流れます。残りの酸素のほとんどは、液体酸素として断熱タンクトレーラーまたは鉄道タンク車に分配されます。

• 10酸素を液化する場合、このプロセスは通常、空気分離プラントの低圧分留塔内で行われます。低圧塔上部の窒素を圧縮・冷却・膨張させて液化します。次に、この液体窒素ストリームは低圧カラムにフィードバックされ、酸素がカラムの底に沈むときに酸素を液化するために必要な追加の冷却を提供します。
• 11液体酸素は沸点が高いため、急速に沸騰し、500マイル（800 km）を超えて輸送されることはめったにありません。大型の断熱タンクで輸送されます。タンク本体は2つのシェルで構成されており、熱損失を遅らせるために、内シェルと外シェルの間で空気が排出されます。真空空間は半固体の断熱材で満たされ、外部からの熱の流れをさらに止めます。

品質管理

圧縮ガス協会は、存在する不純物の量と種類に基づいて、気体酸素と液体酸素の両方の評価基準を確立しています。ガスグレードはタイプIと呼ばれ、純度99.0％のAから純度99.995％のFまでの範囲です。液体グレードはタイプIIと呼ばれ、AからFの範囲ですが、液体グレードの許容不純物のタイプと量はガスグレードとは異なります。タイプIグレードBとグレードCおよびタイプIIグレードCは99.5％純度であり、最も一般的に製造されるグレードの酸素です。それらは製鋼および合成化学薬品の製造で使用されます。

極低温蒸留空気分離装置の動作は自動装置によって監視され、多くの場合コンピューター制御を使用します。その結果、それらの出力の品質は一貫しています。最終製品の定期的なサンプリングと分析により、純度の基準が満たされていることが保証されます。

未来

1998年1月、米国は月の周りの軌道にルナプロスペクター衛星を打ち上げました。その多くのタスクの中で、この衛星は月の表面をスキャンして水の兆候を探します。科学者たちは、十分な量の水が見つかった場合、太陽光発電を使用して電気を生成し、電気分解によって水素ガスと酸素ガスを生成するために使用できることを望んでいます。水素は燃料として使用でき、酸素は月のコロニーの生命維持に使用できます。別の計画では、太陽熱を利用した熱用炉を使用して、月の土壌の化合物から酸素を抽出します。