Введение
Кислород является самым распространенным элементом на земле, встречающимся в виде химических соединений в различными веществами: в земле – до 50 % по массе; в соединении с водородом в воде – около 86 % по массе и в воздухе – до 21 % по объему и 23 % по массе.
При нормальных условиях (температура 20 °С, давление 0,1 МПа) – это бесцветный, прозрачный, негорючий газ, немного тяжелее воздуха, не имеющий запаха, но активно поддерживающий горение. При нормальных условиях масса 1 м3 кислорода равна 1,33 кг.
Кислород обладает высокой химической активностью и способен образовывать химические соединения (оксиды) со всеми элементами, кроме инертных газов (аргон, криптон, ксенон, неон и гелий) и благородных металлов (золото, серебро, платина, палладий, родий и т.д.).
Скорость реакции окисления резко возрастает при повышении температуры или применении катализаторов. Реакции окисления органических веществ в кислороде носят экзотермический характер и протекают с выделением большого количества теплоты. Повышение давления и температуры кислорода в зоне реакции значительно ускоряет ее.
Технический кислород находит широкое применение во многих ведущих отраслях промышленности. Его используют для интенсификации выплавки стали (в мартеновских и электрических печах) и чугуна (в доменных печах), при кислородно-конверторной выплавке стали и получении цветных металлов из руд.
Крупным потребителем кислорода является химическая промышленность. С его применением осуществляется газификация твердых топлив, конверсия газообразных углеводородов при получении синтетического аммиака, метанола и формальдегида, производство ацетилена из природного газа, азотной и серной кислот и другие процессы.
Технический газообразный кислород применяют для газопламенной обработки металлов и других технических целей. Медицинский газообразный кислород применяют для дыхания и лечебных целей.
Согласно ГОСТ 5583-78 кислород различается различной степенью чистоты (99,7–99,2 %). Следует учесть важное значение чистоты газа при сварке и резке металла. Снижение чистоты кислорода на 1 % не только ухудшает качество сварного шва, но и требует увеличения расхода кислорода на 1,5 %.
Как вычислить объем кислорода
Кислород – важнейший для жизнедеятельности человека и всех живых организмов элемент таблицы Менделеева. Представляет собою газ, не имеющий цвета, вкуса и запаха, чуть более тяжелый, чем воздух. Химическая формула кислорода – O2. Сильнейший окислитель, уступающий по активности только фтору и хлору, реагирует с подавляющим большинством элементов, образуя оксиды. Широко используется в металлургии, химии, сельском хозяйстве, медицине, а также как компонент ракетного топлива (в качестве окислителя). Как же определить объем кислорода?
Инструкция
Калькулятор и подбор оборудования — диоксид
Тип рампы:
наполнительнаяперепускнаяразряднаягазоразрядная
Количество ветвей:
Количество баллонов, подключаемых к ветви:
Объем баллонов, л:
Материалы рампы и комплектующих:
латуньлатунь хромированнаянержавеющая сталь
Рабочее давление в линии после редуктора, бар:
от 0,2 до 1,0от 0,2 до 3,0от 0,2 до 4,0от 0,5 до 6,0от 1,0 до 10,0от 1,0 до 12,5от 1,0 до 14,0от 2,5 до 16,0от 2,5 до 28,0от 2,5 до 50,0от 10,0 до 200,0
Классификация чистоты газа:
2,5 — чистый газ3,0 — чистый газ3,5 — газ высокой чистоты4,0 — газ высокой чистоты4,5 — газ высокой чистоты5,0 — газ высокой чистоты5,5 — газ высокой чистоты6,0 — газ высокой чистоты7,0 — сверхчистый газ
Тип газа:
аргонкислородазотводородгелийуглекислотапропанзакись азотааммиакацетиленметан
Исполнение рампы:
Н — настенноеС — стеллажП — паллетаШ — шкафШУ — шкаф утепленный
Тип присоединения на выходе:
фланецштуцер под приваркуобжимной фитингрезьбовой фитинг
ДУ присоединения:
Производство кислорода из воздуха
В промышленности технически чистый кислород получают двумя способами:
- из воздуха – методом глубоко охлаждения;
- из воды – путем электролиза.
Способ производства кислорода из воздуха более экономичный: на 1 м3 кислорода расходуется 0,5–1,6 кВт/ч электроэнергии. Чтобы получить 1 м3 кислорода путем электролиза воды требуется 10–21 кВт/ч.
Атмосферный осушенный воздух представляет собой смесь, содержащую 20,93 % кислорода и 78,03 % азота, остальное – инертные газы, углекислый газ и пр. Содержание водяных паров в воздухе может изменяться в зависимости от температуры и степени их насыщения.
Для получения технически чистого кислорода воздух подвергают глубокому охлаждению и сжижают (температура кипения жидкого воздуха при нормальном атмосферном давлении –194,5 °С). Полученный жидкий воздух подвергают дробной перегонке или ректификации в ректификационных колоннах.
Воздух, засасываемый многоступенчатым компрессором, проходит сначала через воздушный фильтр, где очищается от пыли, затем проходит последовательно ступени компрессора. За каждой ступенью компрессора давление воздуха возрастает и достигает 5–22 МПа в зависимости от системы установки и стадии производства.
Сжатый воздух из компрессора проходит через осушительную батарею из баллонов, заполненных кусками едкого натра, поглощающего влагу и остатки углекислоты. Затем сжатый воздух поступает в кислородный аппарат, где происходит охлаждение, сжижение и ректификация (разделением на кислород и азот). Газообразный азот применяют как защитный газ для сварки меди.
Кислород направляется в газгольдер и подается для наполнения кислородных баллонов под давлением до 16,5 МПа; масса 1 м3 кислорода при нормальном атмосферном давлении (0,1 МПа) и 0 °С составляет 1,43 кг, при 20 °С – 1,31 кг; масса 1 л жидкого кислорода равна 1,13 кг; в результате испарения образуется 0,79 м3 газообразного кислорода (при 0 °С и нормальном атмосферном давлении);
Расчет кислорода и воздуха
В целях обеспечения безопасной работы постовым на посту безопасности и самими газодымозащитниками ведутся расчеты. Основными расчетами по безопасности работы газодымозагцитни- ков являются:
- 1) расчет ожидаемого времени выхода звена ГДЗС (Гвых);
- 2) расчет давления в баллонах, при котором необходимо выходить на чистый воздух (Гвых);
- 3) расчет примерного времени работы в непригодной для дыхания среде (Граб);
- 4) расчет по времени защитного действия РП-8.
Расчеты производятся по следующим соотношениям:
1) ожидаемое время выхода звена (Гвых):
где Гб — давление в баллонах на входе в непригодную для дыхания среду, кгс/см2; Рр — остаточное (резервное) давление в баллонах: давление срабатывания звукового сигнала или включателя резерва, кгс/см2; W — объем баллонов, л; Q — расход кислорода (воздуха), л/мин;
2) расчет давления в баллонах, при котором необходимо выходить на чистый воздух (Рвых):
где Рвх — давление, израсходованное на движение к месту работы (очагу пожара), кгс/см2; Рн0 — давление, предусмотренное на задержку в пути движения в связи с непредвиденными обстоятельствами, кгс/см2;
3) расчет примерного времени работы в непригодной для дыхания среде (Граб):
При расчетах значение Q принимают равным 2 л/мин для кислородных изолирующих противогазов и 40 л/мин — для изолирующих противогазов, работающих со сжатым воздухом, что соответствует расходам при нагрузке средней степени тяжести. Расход воздуха, как и кислорода, изменяется в зависимости от вида работы, физического состояния пользователя и его опыта в использовании дыхательного аппарата (табл. 3.6).
Таблица 3.6
Изменение расхода воздуха в зависимости от вида выполняемых работ, л/мин
Вид работ | Расход воздуха |
Полный покой | 5-8 |
Неподвижное сидение | 8-10 |
Ходьба | 10-25 |
Медленный бег | 30-50 |
Кратковременное сильное напряжение | 70-100 |
Запас давления в баллонах на непредвиденные обстоятельства следует принимать равным половине давления, израсходованного на движение к месту работы (Рн 0 = 0,5РВХ). При работе в подземных сооружениях метрополитена, многоэтажных подвалах со сложной планировкой запас давления в баллонах на непредвиденные обстоятельства должен быть не менее давления, израсходованного на движение к месту работы (Рн 0 = Рвх).
Остаточное (резервное) давление в баллонах для работы газо- дымозащитника (срабатывания звукового сигнала, включателя резерва) принимается в соответствии с инструкцией по эксплуатации изолирующего противогаза, но не менее 30 кгс/см2.
Расчетное время защитного действия противогаза со сжатым кислородом не должно превышать времени защитного действия регенеративного патрона. Время защитного действия регенеративного патрона рассчитывается умножением массы химического поглотителя (около 1200 г) на удельную поглощающую способность поглотителя (71 мин/кг), полученную в лабораторных условиях. Все остальные действия аналогичны расчету, применяемому для противогазов со сжатым воздухом.
Для сокращения времени расчетов рекомендуется в журнале поста безопасности ГДЗС иметь вкладыши со значениями параметров работы звена ГДЗС в зависимости от давления воздуха в баллонах.
Расчет объема газообразного кислорода в баллоне
Объем газообразного кислорода в баллоне (V) в кубических метрах при нормальных условиях вычисляют по формуле:
где
| Vб | — | вместимость баллона, дм3. В расчетах принимают среднюю статистическую величину вместимости баллонов не менее чем из 100 шт.; |
| K1 | — | коэффициент для определения объема кислорода в баллоне при нормальных условиях, вычисляемый по формуле: |
где
| P | — | давление газа в баллоне, измеренное манометром, кгс/см2; |
| 0,968 | — | коэффициент для пересчета технических атмосфер (кгс/см2) в физические; |
| t | — | температура газа в баллоне, °С; |
| Z | — | коэффициент сжигаемости кислорода при температуре t. |
Значения коэффициента K1 приведены в таблице 3.
| Температура газа в баллоне, °С | Значение коэффициента K1 при избыточном давлении, МПа (кгс/см2) | ||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 13,7 (140) | 14,2 (145) | 14,7 (150) | 15,2 (155) | 15,7 (160) | 16,2 (165) | 16,7 (170) | 17,2 (175) | 17,7 (180) | 18,1 (185) | 18,6 (190) | 19,1 (195) | 19,6 (200) | 20,1 (205) | 20,6 (210) | |
| -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 | 0,335 | 0,342 | 0,349 |
| -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 | 0,305 | 0,312 | 0,319 |
| -35 | 0,203 | 0,211 | 0,219 | 0,226 | 0,234 | 0,242 | 0,249 | 0,257 | 0,264 | 0,272 | 0,278 | 0,286 | 0,293 | 0,299 | 0,306 |
| -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 | 0,281 | 0,288 | 0,294 |
| -25 | 0,188 | 0,195 | 0,202 | 0,209 | 0,217 | 0,223 | 0,230 | 0,238 | 0,243 | 0,251 | 0,257 | 0,264 | 0,270 | 0,277 | 0,283 |
| -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 | 0,261 | 0,267 | 0,273 |
| -15 | 0,176 | 0,182 | 0,189 | 0,196 | 0,202 | 0,208 | 0,215 | 0,221 | 0,227 | 0,234 | 0,240 | 0,246 | 0,252 | 0,258 | 0,263 |
| -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 | 0,244 | 0,250 | 0,255 |
| -5 | 0,165 | 0,172 | 0,178 | 0,184 | 0,190 | 0,195 | 0,202 | 0,207 | 0,213 | 0,219 | 0,225 | 0,231 | 0,236 | 0,242 | 0,247 |
| 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 | 0,229 | 0,235 | 0,240 |
| 5 | 0,157 | 0,162 | 0,168 | 0,174 | 0,179 | 0,185 | 0,190 | 0,196 | 0,201 | 0,207 | 0,212 | 0,217 | 0,223 | 0,228 | 0,233 |
| 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 | 0,217 | 0,222 | 0,227 |
| 15 | 0,149 | 0,154 | 0,159 | 0,165 | 0,170 | 0,175 | 0,180 | 0,186 | 0,191 | 0,196 | 0,201 | 0,206 | 0,211 | 0,216 | 0,221 |
| 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 | 0,206 | 0,211 | 0,215 |
| 25 | 0,142 | 0,147 | 0,152 | 0,157 | 0,162 | 0,167 | 0,172 | 0,177 | 0,182 | 0,186 | 0,191 | 0,196 | 0,201 | 0,206 | 0,210 |
| 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 | 0,196 | 0,201 | 0,206 |
| 35 | 0,136 | 0,140 | 0,145 | 0,150 | 0,154 | 0,159 | 0,164 | 0,169 | 0,173 | 0,178 | 0,182 | 0,187 | 0,192 | 0,196 | 0,201 |
| 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 | 0,188 | 0,192 | 0,196 |
| 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 | 0,180 | 0,184 | 0,188 |
Результаты конвертации:
При составлении бюджета на выполнение различных работ с техническими смесями газов необходимо рассчитать их точный объем. В оценочной документации содержание газа обычно рассчитывается в таких единицах измерения, как литры, кубические метры, килограммы и даже количество баллонов.
Задача специалистов — унифицировать единицы измерения, указав размеры, вместимость и другие параметры газовых баллонов. Для расчета в кубических метрах можно воспользоваться государственными стандартами и по определенной формуле рассчитать объем газа. Но есть способ облегчить расчеты — использовать онлайн-калькулятор для расчета объема газа в баллоне.
С его помощью можно вычислить объем таких находящихся под давлением газов как:
При расчете учитывается также температура и давление, разные для каждого типа газовой смеси.При пересчете количеств газа также нужен онлайн-калькулятор газа: с его помощью рассчитывается стоимость одной единицы газа в зависимости от агрегатного состояния.
Свойства
Основные свойства кислорода приведены в таблице 1.
| Показатель | Данные показателя |
|---|---|
| Формула | О2 |
| Молекулярная масса | 31,9988 |
| Плотность (при 0 °С и давлении 760 мм рт. ст.), кг/м3 | 1,43 |
| Плотность (при 20 °С и давлении 760 мм рт. ст.), кг/м3 | 1,33 |
| Температура критическая, °С | -118,8 |
| Давление критическое, кгс/см2 | 51,35 |
| Температура кипения (при 760 мм рт. ст.), °С | -182,97 |
| Температура плавления (затвердевания) (при 760 мм рт. ст.), °С | -218,4 |
| Масса 1 л жидкости кислорода при -182,97 °С и 760 мм рт. ст., кг | 1,13 |
| Количество газообразного кислорода, получающегося из 1 л жидкого, л | 850 |
Массовая концентрация механических примесей в медицинском кислороде, предназначенном для авиации, – не более 0,001 г/м3 с размером частиц не более 0,1 мм при 15 °С и 101, 3 кПа (760 мм рт. ст.).
По физико-химическим показателям газообразный технический и медицинский кислород должен соответствовать нормам, указанным в таблице 2.
| Наименование показателя | Норма для марок | ||
|---|---|---|---|
| Технический кислород | Медицинский кислород | ||
| Первый сорт | Второй сорт | ||
| Объемная доля кислорода, %, не менее | 99,7 | 99,5 | 99,5 |
| Объемная доля водяных паров, %, не более | 0,007 | 0,009 | 0,009 |
| Объемная доля водорода, %, не более | 0,3 | 0,5 | — |
| Объемная доля двуокиси углерода, %, не более | Не нормируется | 0,01 | |
| Запах | Не нормируется | Отсутствие | |
1. По согласованию с потребителем допускается в медицинском кислороде объемная доля кислорода не менее 99,2 %.
2. Медицинский кислород, предназначенный для авиации, должен выпускаться с объемной долей водяных паров не более 0,0007 %.
3. В техническом кислороде 2-го сорта, вырабатываемом на установках высокого, среднего и двух давлений, оснащенных щелочными декарбонизаторами для очистки воздуха от двуокиси углерода, а также на установках типа СКДС-70М допускается объемная доля кислорода не менее 99,2 %.
Транспортирование и хранение
Упаковка, маркировка, транспортирование и хранение газообразного технического и медицинского кислорода – по ГОСТ 26460.
Номинальное давление кислорода при 20 °С при наполнении, хранении и транспортировании баллонов и автореципиентов должно составлять (14,7 ± 0,5) МПа [(150 ± 5) кгс/см2] или (19,6 ± 1,0) МПа [(200 ± 10) кгс/см2].
Технический и медицинский кислород транспортируют также автомобильными газификационными установками, осуществляющими газификацию жидкого кислорода непосредственно у потребителя.
Технический кислород транспортируют и по трубопроводу. Давление кислорода, транспортируемого по трубопроводу, должно быть согласовано между изготовителем и потребителем. К месту сварки кислород доставляется в кислородных баллонах, и в жидком виде – в специальных сосудах с хорошей теплоизоляцией.
Для превращения жидкого кислорода в газ используют газификаторы или насосы с испарителями для жидкого кислорода. При нормальном атмосферном давлении и температуре 20 °С 1 дм3 жидкого кислорода при испарении дает 860 дм3 газообразного.
Возвратные баллоны и автореципиенты должны иметь остаточное давление кислорода не ниже 0,05 МПа (0,5 кгс/см2).
Требования безопасности
Кислород не токсичен, не горюч и не взрывоопасен, однако, являясь сильным окислителем, резко увеличивает способность других материалов к горению. Поэтому для работы в контакте с кислородом могут использоваться только разрешенные для этого материалы.
При соприкосновении сжатого газообразного кислорода с органическими веществами, маслами, жирами, угольной пылью, горючими пластмассами, даже в ничтожном количестве, может произойти их самовоспламенение в результате выделения теплоты при быстром сжатии кислорода, трении и ударе твердых частиц о металл, а также электростатического искрового разряда.
Поэтому при использовании кислорода необходимо тщательно следить за тем, чтобы он не находился в контакте с легковоспламеняющимися и горючими веществами. В кислороде могут загораться также углеродистые стали при достаточном количестве теплоты в месте контакта и небольшой массе металла (например, при трении тонких платин о массивные части машин, наличии стружки, частиц окалины или железного порошка).
Для предотвращения аварий всю кислородную аппаратуру, кислородопроводы и баллоны подвергают тщательному обезжириванию. Необходимо исключить возможность попадания и накопления масел и жиров на поверхности деталей, работающих в среде кислорода.
Цилиндры компрессоров, накачивающих кислород в баллоны, смазывают не маслом, а дистиллированной водой, в которую иногда добавляют 10 % глицерина. Кроме того, в кислородных компрессорах применяют поршневые кольца из графита и других антифрикционных материалов, работающие без смазки и не загрязняющие кислород органическими примесями.
Также опасны пропитанные жидким кислородом пористые горячие вещества (уголь, сажа, войлок, пакля, ветошь, вата и др.), которые в этом случае становятся взрывчатыми. Одежда и волосы, будучи насыщенны кислородом, легко загораются. Смеси кислорода с горючими газами, жидкостями и их парами взрывоопасны при определенных соотношениях кислорода и горючего в смеси.
Накопление кислорода в воздухе помещений создает опасность возникновения пожаров. Объемная доля кислорода в рабочих помещениях не должна превышать 23 %. В помещениях, где возможно увеличение объемной доли кислорода, должно быть ограничено пребывание людей и не должны находиться легковоспламеняющиеся материалы. Эти помещения должны быть оборудованы средствами контроля воздушной среды и вытяжной вентиляцией для проветривания.
Перед проведением ремонтных работ или освидетельствованием трубопроводов, баллонов, стационарных и передвижных реципиентов или другого оборудования, используемого для хранения и транспортирования газообразного кислорода, необходимо продуть все внутренние объемы воздухом. Разрешается начинать работы только после снижения объемной доли кислорода во внутренних объемах оборудования до 23 %.
После пребывания в среде, обогащенной кислородом, не разрешается курить, использовать открытый огонь и приближаться к огню. Одежда должна быть проветрена в течение 30 мин.
Баллоны, автореципиенты и трубопроводы, предназначенные для транспортирования технического и медицинского кислорода, запрещается использовать для хранения и транспортирования других газов, а также запрещается производить какие-либо операции, которые могут загрязнить их внутреннюю поверхность и ухудшить физико-химические показатели продукции.
При погрузке, разгрузке, транспортировании и хранении баллонов должны применяться меры, предотвращающие падение, удары друг о друга, повреждение и загрязнение баллонов маслом. Баллоны должны быть предохранены от атмосферных осадков и нагревания солнечными лучами и другими источниками тепла.