Кислород (при нормальных условиях) – бесцветный газ без вкуса и запаха, активно поддерживающий процесс горения. Немного тяжелее воздуха, его плотность при 0°С и давлении 760 мм рт. ст. составляет 1,43 кг/м3. Мало растворим в воде и спирте.
При охлаждении до -183°С и давлении 760 мм рт. ст. кислород превращается в бледно-голубую жидкость без запаха, а при -218,8°С – замерзает.
Кислород наиболее распространен на Земле. В земной коре (около 47% по массе) существует в связанном виде, в атмосфере (около 23% по массе) – в свободном.
Основные способы получения кислорода:
из воздуха путем его очищения от механических примесей, влаги и углекислоты, сжатия в компрессорах, охлаждения до сжижения и последующего разделения на кислород и азот при медленном повышении температуры: азот, имеющий меньшую температуру кипения, испаряется и отводится в окружающую среду, а кислород накапливается в жидком виде (криогенная ректификация);
электролизом дистиллированной воды, протекающим по формальной реакции:
2H2O → O2↑ + 2H2↑ ;
поскольку чистая вода практически не проводит ток, в нее добавляются электролиты, например, KOH или NaOH;
в лабораторных условиях – каталитическое разложение пероксида водорода H2O2, разложение нагреванием оксидов тяжелых металлов (например, оксида ртути HgO), перманганата калия KMnO4, хлората калия KClO3 и др.
Кислород газообразный технический, согласно ГОСТ 5583-78, выпускается двух сортов: первого и второго. Баллон с кислородом окрашен в голубой цвет, с надписью «Кислород» черного цвета (ПБ 10-115-96, ГОСТ 949-73). Номинальное давление газообразного кислорода в баллоне и автореципиенте при 20°С (ГОСТ 5583-78) составляет 150 кгс/см2 (14,7 МПа) или 200 кгс/см2 (19,6 МПа).
Таблица. Характеристики марок газообразного технического кислорода (ГОСТ 5583-78)
Параметр
Кислород газообразный технический
первого сорта
второго сорта
Объемная доля кислорода O2, %, не менее
99,7
99,5 (в ряде случаев – 99,2)
Объемная доля водяных паров, %, не более
0,007
0,009
Объемная доля водорода H2, %, не более (только для кислорода, полученного электролизом воды)
0,3
0,5
Содержание углекислоты CO2, окиси углерода CO, газообразных кислот и оснований, озона O3 и других газов-окислителей
Не нормируется
Содержание щелочи (только для кислорода, полученного электролизом воды)
Кусок фильтровальной бумаги (смоченный раствором фенолфталеина, разбавленного водой в соотношении 1:10) в стеклянной трубке с пропускаемым кислородом (0,1–0,2 дм3/мин в течение 8–10 минут) не должен окраситься в красный или розовый цвет
Запах
Не нормируется
Таблица. Допустимое давление кислорода в баллонах в зависимости от температуры (при номинальном давлении 150 кгс/см2 / 20°С)
Температура, °С
-50
-40
-30
-20
-10
0
+10
+20
+30
+40
+50
Давление в баллоне, кгс/см2
99
107
124
129,5
134,5
139,5
145
150
155
160
172
Для расчета объема газообразного кислорода в баллоне в м3 при нормальных условиях используют формулу (ГОСТ 5583-78):
V = K1 • Vб,
где K1 – коэффициент,
Vб – вместимость баллона в дм3 (л).
Таблица. Некоторые значения коэффициента K1 для расчета объема газообразного кислорода при нормальных условиях
t газа в бал- лоне, °С
Значение K1 при избыточном давлении, кгс/см2 (МПа)
140 (13,7)
145 (14,2)
150 (14,7)
155 (15,2)
160 (15,7)
165 (16,2)
170 (16,7)
175 (17,2)
180 (17,7)
185 (18,1)
190 (18,6)
195 (19,1)
-50
0,232
0,242
0,251
0,260
0,269
0,278
0,286
0,296
0,303
0,311
0,319
0,327
-40
0,212
0,221
0,229
0,236
0,245
0,253
0,260
0,269
0,275
0,284
0,290
0,298
-30
0,195
0,202
0,211
0,217
0,225
0,232
0,239
0,248
0,253
0,261
0,267
0,274
-20
0,182
0,188
0,195
0,202
0,209
0,215
0,222
0,229
0,235
0,242
0,248
0,255
-10
0,171
0,177
0,183
0,189
0,195
0,202
0,208
0,214
0,220
0,226
0,232
0,238
0
0,161
0,167
0,172
0,179
0,184
0,190
0,196
0,201
0,207
0,213
0,219
0,224
+10
0,153
0,158
0,163
0,169
0,174
0,180
0,185
0,191
0,196
0,201
0,206
0,211
+20
0,145
0,150
0,156
0,160
0,166
0,171
0,176
0,181
0,186
0,191
0,196
0,201
+30
0,139
0,143
0,148
0,153
0,158
0,163
0,168
0,173
0,177
0,182
0,187
0,192
+40
0,133
0,137
0,142
0,147
0,151
0,156
0,160
0,165
0,170
0,174
0,178
0,183
+50
0,127
0,132
0,136
0,141
0,145
0,149
0,154
0,158
0,163
0,167
0,171
0,175
Таким образом, в новом баллоне (150 кгс/см2 при 20°С) объемом 40 л содержится 6,24 м3 кислорода при нормальных условиях.
Кислород жидкий технический, согласно ГОСТ 6331-78, также выпускается первого и второго сортов. Он хранится и перевозится в сосудах Дьюара, а также в других криогенных резервуарах (танках).
Таблица. Характеристики марок жидкого технического кислорода (ГОСТ 6331-78)
Параметр
Кислород жидкий технический
первого сорта
второго сорта
Объемная доля кислорода O2, %, не менее
99,7
99,5 (в ряде случаев – 99,2)
Объем углекислоты CO2 в 1 дм3 жидкого кислорода при 760 мм рт. ст. и 20°С, см3, не более
2,0 (по согласованию с потребителем – 3,0)
3,0 (по согласованию с потребителем – не норм.)
Содержание ацетилена C2H2, масла
Отсутствие
Содержание окиси углерода CO, газообразных кислот и оснований, озона O3 и других газов-окислителей
Не нормируется
Содержание влаги и механических примесей
На внутренней поверхности колбы после испарения 1 дм3 кислорода не должно быть водяных капель и твердых частиц (при комнатной температуре)
Запах
Не нормируется
Сосуды Дьюара бывают шаровые или цилиндрические. Внутренний и наружный корпус изготавливают из сплава алюминия, трубку (горловину), на которой подвешен внутренний сосуд, – из стали Х18Н10Т, имеющей низкий коэффициент теплопроводности. В межстенном пространстве обычно создается вакуумно-порошковая теплоизоляция из технического вакуума и смеси порошкообразного аэрогеля с бронзовой пудрой. Адсорбент охлаждается жидким кислородом и поглощает остаточные газы межстенной полости, создавая в ней вакуум до давления порядка 10-4–10-3 мм рт. ст.
При испарении 1 л жидкого кислорода образуется около 860 л газообразного (при нормальном атмосферном давлении и температуре 20°С). При транспортировке жидкого кислорода масса тары, приходящаяся на 1кг кислорода, в 10 и более раз меньше, чем при транспортировке газообразного. При хранении, перевозке и газификации сжиженного газа неизбежны потери на его испарение.
Опасные факторы и меры безопасности
кислород не токсичен, сам по себе не взрывоопасен и не горюч, однако является сильным окислителем и активно поддерживает горение различных материалов, в особенности органических и других горючих веществ; поэтому для работы в соприкосновении с кислородом должны применяться только разрешенные для этого материалы;
при контакте сжатого кислорода под давлением более 30 кгс/см2 с жирами и маслами происходит их мгновенное окисление, сопровождающееся выделением теплоты, что может привести к их воспламенению, а при определенных условиях – к взрыву; в связи с этим при работе с кислородом необходимо следить, чтобы баллоны, оборудование и одежда персонала не имели следов жиров и масел;
такие вещества как дерево, уголь, бумага, асфальт и др., пропитанные жидким кислородом, способны детонировать;
во избежание пожаров содержание кислорода в воздухе рабочих помещений не должно быть больше 23% по объему; помещения, в которых возможно превышение объемной доли кислорода, должны оснащаться вытяжной вентиляцией и средствами контроля воздуха; в таких помещениях необходимо ограничивать пребывание людей и исключать присутствие легковоспламеняющихся веществ;
после нахождения в среде с повышенным содержанием кислорода запрещается приближаться к огню, курить, необходимо проветрить одежду в течение 30 минут;
жидкий кислород поражает слизистую оболочку глаз, а при попадании на кожу вызывает обморожение ткани; отбор проб сжиженного газа должен производиться в защитных очках и рукавицах;
баллоны и трубопроводы, предназначенные для транспортирования кислорода, нельзя использовать для хранения и транспортирования других газов; необходимо применять меры для предотвращения загрязнения баллонов маслом, их соударений, падений, а также нужно предохранять их от нагревания источниками тепла и атмосферных осадков.
Применение при сварке и резке
Кислород – важнейший газ для сварки и резки. При сжигании горючего газа в воздухе образуется пламя с температурой не более 2000°C, а в технически чистом кислороде она может превышать 2500–3000°C. Именно такая температура пламени практически пригодна для сварки многих металлов.
При газопламенной обработке обычно используется кислород с объемным содержанием 99,2–99,5% и выше. Для неответственных видов газовой сварки, пайки, поверхностной закалки и других способов нагрева газовым пламенем может применяться кислород чистотой 92–98%.
Для сварки и резки используют кислород в газообразном виде, поступающий от баллона, газификационной установки (СГУ-1, СГУ-4, СГУ-7К, СГУ-8К, ГХ-0,75, ГХК-3 и др.) или автономной станции (КГСН-150, К-0,15, К-0,4, К-0,5 и др.). При значительных объемах потребления кислород безопаснее и экономически целесообразнее хранить и транспортировать в жидком, а не газообразном виде, несмотря на неизбежные потери при испарении сжиженного газа.
Превращение жидкого кислорода в газообразный осуществляется в газификационных установках – насосных или безнасосных. Примером насосной установки может служить стационарная установка СГУ-1, предназначенная для газификации непереохлажденного кислорода и наполнения реципиентов и баллонов под давлением до 240 кгс/см2 (24 МПа).
Рисунок. Схема стационарной насосной газификационной установки СГУ-1
Наряду с процессами газопламенной обработки кислород также применяется:
в качестве вспомогательного газа при лазерной резке ряда материалов;
при кислородной резке с поддержкой лазерным лучом;
в качестве плазмообразующего газа при плазменной резке;
при резке копьем;
для добавки в небольших количествах к защитному газу (аргону, углекислому газу) при дуговой сварке некоторых сталей, металлов (в целях повышения производительности, предотвращения пористости и т. п.).
