Минус 194,4°

Инж. Д. ГАМБУРГ

С каждым годом кислород находит себе все более и более широкое применение в промышленности и других областях человеческой практики. При автогенной сварке или резке металлов мы достигаем очень высоких температур, сжигая газ ацетилен в кислороде. Пропитывая кислородом смесь из угля, древесных опилок, хлебной муки, торфа, хлопка с нафталином, мы получаем взрывчатое вещество, так называемый оксиликвит, который по своей силе не уступает динамиту. Применяется кислород и для получения уксусной кислоты, и для получения азотной кислоты, и для изготовления суррогатов резины, искусственных драгоценных камней, серной кислоты и других ценнейших продуктов.

Применение кислорода вносит революцию в металлургическое производство. Так называемое кислородное дутье в доменном процессе повышает производительность печи в два раза и позволяет превратить домну в своеобразный комбинат, производящий наряду с чугуном чрезвычайно ценный горючий газ и строительный материал. Помимо этого, такой процесс дает возможность получать необходимые газы для производства аммиака, синтетического бензина, различных спиртов и даже синтетического каучука.

Кислород необходим человеку везде. Поднимается ли он в стратосферу или опускается на дно морей и океанов, летит ли он на высотном самолете или плавает в подводной лодке, получает ли он свет и тепло или спасает задыхающегося больного, — всюду его сопровождает кислород.

Кислород является чрезвычайно активным элементом и соединяется почти со всеми веществами, которые встречаются на земной поверхности и в ее недрах. Процесс соединения какого-либо вещества с кислородом мы называем окислением. Окисление всегда сопровождается выделением тепла. Если окисление идет очень быстро, мы называем его горением, и оно сопровождается не только выделением тепла, но и света. Если же окисление идет медленно, мы называем его гниением, ржавлением или дыханием.

Куда мы ни оглянемся — всюду видим идущие сами по себе процессы окисления. Эта чрезвычайная активность кислорода и раскрывает перед ним широкую дорогу в самые разнообразные отрасли техники и производства.

Однако, откуда же брать кислород? Именно в силу своей активности он всегда стремится войти в соединение с каким-либо веществом. Но вот, оказывается, есть неисчерпаемый источник кислорода. Это воздух, в котором кислород составляет одну пятую часть и находится в простой механической смеси с азотом и весьма незначительными количествами так называемых инертных, или благородных, газов — аргона, гелия, криптона, неона и др.

Но получить чистый кислород из воздуха очень трудно. Это стало возможным только в начале XX столетия. И только сейчас мы начинаем в массовом количестве вводить кислород в различные процессы производства и пожинать плоды многолетних трудов многих ученых.

*

Знаменитый французский химик Лавуазье высказал однажды такую мысль: «Если бы наша Земля попала внезапно в среду с очень низкой температурой, подобной, например, температуре Юпитера или Сатурна, — вода, которая на ней образует реки и океаны, и, вероятно, значительное большинство из известных нам жидкостей превратились бы в горы и твердые скалы. В этом случае воздух или, по крайней мере, часть газов, его составляющих, изменили бы свое состояние, превратившись в жидкость из невидимого газа, который существует благодаря нахождению в среде с достаточно высокой температурой. При этом переходе воздуха из одного состояния в другое образовались бы новые, доселе даже не предугадывaeмыe жидкости».

Так писал Лавуазье в конце XVIII столетия, когда недавно был открыт кислород и когда ученые не умели еще превращать в жидкость даже очень легко сжижаемые газы. Прошло более 75 лет, прежде чем удалось доказать, что Лавуазье был прав в своем гениальном предвидении. Было доказано опытным путем, что действительно, если бы земля попала в среду с температурой около 200° ниже нуля, она покрылась бы голубым океаном, состоящим из жидкого воздуха.

Итак, путь был указан гениальным Лавуазье: чтобы извлечь из воздуха в чистом виде его составные части, надо превратить воздух в жидкость.

*

Шел 1823 год. Замечательный английский химик и физик Михаил Фарадей, бывший в то время лаборантом у знаменитого химика Дэви, изучал влияние теплоты на кристаллическое соединение хлора с водой. Он перегонял это вещество в двухколенчатой запаянной трубке. Одно колено трубки обогревалось пламенем горелки, а другое охлаждалось воздухом. Фарадей задумался. В этот момент в лабораторию вошел друг Дэви —  доктор Пари. Он посмотрел на конец трубки, бывшей в воздухе, и увидел в нем желтые капли какой-то жидкости. Решив, что это след небрежной работы молодого лаборанта, он сделал строгое внушение смутившемуся Фарадею и удалился. На следующий день Пари нашел у себя записку молодого Фарадея: «Маленькие капли оказались жидким хлором».

Так был превращен в жидкость первый газообразный продукт — хлор. Кристаллы соединения хлора расплавлялись, выделяя зеленовато-желтые пары. Эти пары переходили в другой конец трубки, там охлаждались и конденсировались в жидкость под влиянием давления, которое развивалось в запаянном сосуде от испарения новых количеств кристаллического вещества.

Фарадей использовал этот способ повышения давления для сжижения и других газов. В том же 1823 году он превратил в жидкость пять газов: сернистый водород, сернистую кислоту, закись азота, циан, углекислоту. Но, несмотря на все усилия и старания, он не смог сжижить таким же способом кислород, азот, водород, окись углерода и метан. В своих опытах Фарадей достиг давления в 50 атмосфер и температуры в 110° ниже нуля.

Вслед за Фарадеем французский ученый Колладон сжал воздух уже до 400 атмосфер, но это тоже не помогло ему превратить воздух в жидкость.

В 1854 году венский врач Наттерер подверг «упрямые» газы давлению в 2800 атмосфер, но тоже безрезультатно: в жидкость они не превращались.

С тех пор ученые, отчаявшись в своих попытках по сжижению этих газов, назвали их постоянными, то есть несжижаемыми газами.

Но это заключение было поспешным и неверным. Рассмотрим этот вопрос подробнее. Если мы будем нагревать какую-либо жидкость, она начнет рано или поздно кипеть. И сколько бы мы ее дальше ни нагревали, температура ее не повысится. Вся жидкость при этой температуре испарится. Давление пара над ней равно при этом одной атмосфере.

Мы можем отнести это и к «постоянным газам» и рассуждать так: эти газы получаются от испарения каких-то жидкостей, которые при давлении в одну атмосферу кипят при очень низкой температуре. И существовать они могут в жидком виде, как это и предсказывал Лавуазье, только при еще более низкой температуре. Следовательно, можно с полной уверенностью сказать, что если понижать очень сильно температуру воздуха, то он обязательно должен превратиться в жидкость.

Однако, всем известно, что между температурой кипения жидкости и давлением, под которым эта жидкость находится, существует тесная зависимость. Чем ниже давление, тем ниже и температура кипения жидкости. Если подняться на высокую гору, где атмосферное давление ниже чем у поверхности земли, то воду можно довести до кипения при температуре ниже 100°.

Но если повышать давление, под которым находится жидкость, то температура ее кипения тоже повышается. При 50 атмосферах вода закипает только при температуре в 265°.

Этими соображениями и руководствовались ученые прошлого столетия в своих попытках добиться сжижения воздуха. Они думали заменить охлаждение давлением. Рассуждали при этом так: если жидкий воздух кипит и превращается в газ под обычным атмосферным давлением при очень низкой температуре, ну, скажем, при 140° ниже нуля, то, очевидно, повышая давление, можно получить жидкий воздух, который будет кипеть при значительно более высокой температуре, может быть даже при 50° или 100° ниже нуля.

Но, несмотря на эти, казалось бы, правильные рассуждения, никакие усилия, основанные на них, не приводили к успеху.

*

Но вот во второй половине XIX столетия наступил конец существованию «постоянных» газов. Это было результатом удивительного открытия, сделанного ирландским химиком Эндрюсом.

В 1863 году Эндрюс, производя исследования углекислого газа, заметил следующее: если подогреть углекислый газ до температуры в 31°, то ни при каком давлении нельзя превратить его в жидкость. Получилось, как будто этот легко сжижаемый газ превратился при температуре в 31° тоже в «постоянный» газ.

И вот Эндрюс установил, что для каждого газа имеется такая температура, выше которой его никаким давлением нельзя превратить в жидкость. Эту, так сказать, «пограничную» температуру Эндрюс назвал критической. Для воздуха эта критическая температура, как было установлено позже, равняется 140,7° ниже нуля, а для кислорода — 118° ниже нуля.

Теперь стала совершенно ясной причина всех неудач Фарадея и других ученых, работавших над сжижением воздуха. Они сдавливали его при температуре выше критической, при которой никакое давление желаемого результата дать не может.

Теперь, наконец, мы можем подойти к тому счастливому моменту в истории науки, когда француз Кальете, а за ним женевский профессор Пикте увидели впервые в виде жидкостей «постоянные» газы. Это случилось в 1877 году, через восемь лет после открытия Эндрюса. Но это были лишь первые робкие шаги, так как получаемые жидкости тут же, на глазах у зрителей, исчезали.

В этом аппарате Кальете впервые получал жидкий воздух, который, моментально превращаясь в пары, исчезал на глазах изумленных зрителей.

Каким же образом получить температуру ниже минус 118° и даже минус 190°, при которых, как предсказывал Лавуазье, воздух превратится в жидкость?

Когда накачивается камера футбольного мяча, воздух в нем нагревается. Это объясняется тем, что механическая работа сжатия превращается в теплоту. По если этому газу дать сейчас же расшириться, то он будет производить некоторую работу расширения и будет затрачивать на это тепло. Так как постоянного источника тепла при этом нет, то тепло, необходимое для работы расширения, будет забираться от самого газа, и газ при этом будет охлаждаться. Чем большая совершается работа, тем больше охлаждение.

Представим себе, далее, аппарат, состоящий из нескольких трубок, вложенных одна в другую и сделанных из материала, который легко передает тепло, например из меди. Если мы пустим охлажденный газ по внутренним трубкам, а по внешним сжатый газ, который должен расшириться, то он еще до расширения сильно охладится. Таким образом, мы можем получить при расширении его еще более, низкую температуру. Такой аппарат называется теплообменником. Пропуская газ несколько раз через теплообменник и расширяя его, мы можем достичь столь низкой температуры, при которой воздух превратится в жидкость.

Мысль о таком способе получения жидкого воздуха была высказана еще в 1898 году английским ученым Рэлеем. Но осуществить это на практике оказалось значительно труднее. Когда воздух поступал в расширительную машину и совершал там работу, в машине все моментально замерзало, вся она покрывалась льдом, в ней частично образовывался жидкий воздух, и она останавливалась.

Это дало в то время повод многим думать, что охлаждение воздуха по такому принципу не осуществимо. Начали искать способ, как бы обойти это препятствие.

И вот в 90-х годах прошлого столетия немецкий инженер Карл Линде сумел использовать для получения «глубокого» холода другой принцип.

В науке был давно известен опыт, произведенный двумя англичанами — Джаулем и Томсоном: если дать сжатому газу расшириться в какой-нибудь сосуд до более низкого давления, то, даже не совершая работы, газ значительно охладится. Этот процесс называется дросселированием газа.

Этим эффектом охлаждения газов при их дросселировании c более высокого давления до более низкого и воспользовался Линде для конструирования своей машины по получению жидкого воздуха.

В 1895 году Линде демонстрировал свой первый аппарат, в котором получался жидкий воздух. А в 1899 году его машина производительностью в 50 л жидкого воздуха в час работала уже на одном из химических заводов.

Но в том же году французский инженер Клод принялся вновь изыскивать способ, как бы получить жидкий воздух ранее оставленным путем — заставляя сжатый газ совершать внешнюю работу.

Трудности заключались в следующем. Нужно было избежать получения жидкого воздуха в самой машине и найти такую смазку, которая не замерзла бы даже при 150° ниже нуля.

В 1902 году Клод преодолел все трудности, и такая машина, где сжатый воздух, совершая работу, сильно охлаждался, была построена. Машина эта называется детандером. В принципе детандер представляет собой самую обычную поршневую машину, которая приводится в движение сжатым воздухом. Расширяясь в цилиндрах этой машины, сжатый воздух заставляет двигаться поршень, то есть совершает внешнюю работу. Движение поршня используется для сжатия новой порции газа.

Клод сжимал воздух, затем пускал его в теплообменник для предварительного охлаждения. Часть воздуха после теплообменника шла в детандер, где и расширялась, совершая внешнюю работу. При этом температура воздуха в детандере падала до «глубокого» холода, до минус 150°.

Часть сжатого воздуха, которая не попадала в детандер, шла после теплообменника в змеевик, называемый конденсатором, где и происходило его сжижение. В конденсаторе воздух сжимался давлением в 40 атмосфер. Под таким давлением он превращался в жидкость при температуре в 140° ниже нуля, то есть при критической температуре.

Этот воздух, находящийся под давлением в 40 атмосфер в конденсаторе, охлаждался воздухом, который поступал по трубопроводам из детандера. Следовательно, если в детандере получить температуру в 150° ниже нуля, то при помощи этого холода можно сжижить воздух в конденсаторе.

Такое устройство аппарата Клода позволяло избежать самого опасного момента — замерзания воздуха в рабочей части машины, там, где воздух, расширяясь, должен произвести какую-то внешнюю работу. В самом деле, в детандере Клода воздух расширяется до одной атмосферы, а при одной атмосфере он сжижается только при температуре в 194,4° ниже нуля. А Клоду было достаточно, как мы видим, получить в детандере температуру в 150° ниже нуля. При этом воздух в детандере будет далек от сжижения, но этого вполне достаточно, чтобы превратить в жидкость воздух, находящийся под давлением в конденсаторе.

Затем сжиженный частично воздух пропускается через специальный дроссельный кран, назначение которого заключается в том, чтобы снизить давление сжатого воздуха, давая ему расшириться. При этом расширении воздух еще более охлаждается. Так, последовательным расширением и охлаждением температура жидкого воздуха доводится до минус 194,4°.

Далее оказалось, что обычным бензином вполне можно смазывать движущиеся части детандера, так как даже при температуре в 150° ниже нуля он не замерзает.

Так, основываясь на данных науки, Клод построил машину, работа которой раньше казалась невозможной.

Получение жидкого воздуха по способу Клода имеет то существенное преимущество, что расход энергии при этом получается наименьший. Кроме того, энергия, получаемая обратно при расширении воздуха, используется сразу в виде механической энергии для сжатия новых порций газа. Задача получения жидкого воздуха была разрешена технически наиболее совершенно.

*

Превратить воздух в жидкость — это еще только часть конечной задачи. Полученный жидкий воздух нужно было еще разделить на coставляющие его части: азот, кислород, благородные газы. Осуществить это оказалось проще, но потребовалось также немало усилий, остроумия и настойчивости.

Не надо забывать, что приходилось иметь дело с жидкостью, имеющей температуру в 194,4° ниже нуля. Если, например, в такую жидкость опустить мышь, вынуть ее через некоторое время и ударить по ней молотком, то мышь, как стеклянная, разлетится на тысячу кусков. Цветы, опущенные в такую жидкость, превращаются в стеклянные. Если наполнить жидким воздухом чугунный сосуд и опустить его в холодную воду или лед, то жидкость в сосуде моментально закипит, как будто попав в раскаленную печь, превратится в пар и разнесет сосуд со страшной силой.

Яблоко, вынутое из сосуда с жидким воздухом, раскалывается от удapa молотка на мельчайшие кусочки.

Если вынуть букет цветов из сосуда с жидким воздухом и слегка ударить рукой, то цветы рассыпаются как стеклянные.

Однако, несмотря на эти трудности, разделение жидкого воздуха удалось с успехом провести. Уже в 1892 году англичанин Паркинсон берет патент на промышленный способ разделения жидкого воздуха. При этом воспользовались тем обстоятельством, что кислород и азот кипят при различных температурах. Кислород под атмосферным давлением кипит при температуре минус 182,5°, а азот — при 195,5° ниже нуля. Если мы, например, подымем температуру жидкого воздуха до 190° ниже нуля, то азот из этой жидкости начнет быстро испаряться, в то время как кислород будет еще находиться в жидком виде. Кислород кипит при более высокой температуре и испаряется труднее азота.

*

Кислородная установка представляет собой очень тонкий и сложный аппарат. Постройка таких аппаратов — дело исключительной трудности. Они начали строиться только с 1902 года фирмами Линде в Германии и «Жидкий воздух» во Франции. И только спустя 15 лет, то есть с 1917 года, эти аппараты начали выпускать еще две немецкие фирмы — Гейландт и Мессер.

До 1935 года в этой области господствовали немцы и французы, но в 1935 году эта неприступная до сих пор крепость была взята: большевики построили первую кислородную установку мощностью в 250 куб.м кислорода в час.

Современный завод, изготовляющий жидкий воздух, поражает посетителя точностью работы, величиной некоторых аппаратов и предельной чистотой.

Далеко за пределами завода протянулась труба, по которой засасывается сырье для цеха получения азота и кислорода. Сырье — это воздух. Но воздух этот должен быть свежим и чистым. Как человеческий организм, нежна аппаратура для получения жидкого воздуха. Пыль, кислотные пары, вредные газы, а также самые ничтожные примеси ацетилена разрушающе действуют на эту аппаратуру, выполненную с чрезвычайной точностью. Например, примесь ацетилена, даже в долях процента, попав в аппараты, где находится жидкий воздух, может привести к сильнейшему взрыву. Кислотные пары разъедают тонкую ткань аппаратуры, а влага и углекислота в условиях низкой температуры закупоривают тонкие сосуды, где движется воздух, идущий на охлаждение.

В цехе сразу бросаются в глаза исключительная чистота, порядок и стройность в расстановке аппаратуры. На кафельных, сверкающих белизной полах выстроились в ряд мощные компрессоры, сжижающие поступающий в них воздух до 200 атмосфер. Беззвучно движутся их стальные части, сдавливая сотни тысяч кубических метров воздуха.

Воздух, прошедший масляную часть фильтров, где он оставляет пыль на железных кольцах, смазанных маслом, и сдавленный в компрессоре, передается в очистители от углекислоты и влаги. В длинный ряд выстроились эти громадной величины поставленные друг над другом котлы.

Эти громадные котлы служат для очистки воздуха от примесей влаги и углекислоты. Об их величине можно судить, сравнив их хотя бы с человеком, стоящим слева

Сушка должна быть настолько совершенна, чтобы даже тысячные доли процента влаги не могли проникнуть в аппараты, где воздух подвергается сжижению. И вот за котлами-очистителями стоят рядами прикрепленные к железным стеллажам стальные баллоны. Они наполнены каустиком, который жадно поглощает даже ничтожные следы влаги. Баллоны эти выдерживают давление в 250 атмосфер. С колоссальной силой продавливается через них сжатый воздух и, свободный от следов влаги и углекислоты, направляется в основной аппарат цеха — в колонку для сжижения и разделения воздуха на его составные части.

Колонка — это сердце цеха. Отсюда, по желанию, можно получить жидкий воздух, чистый кислород или азот, воздух, богатый кислородом. Аппарат, как послушный организм, выполняет малейшее желание человека.

Зашитые в железные кожухи, тщательно окруженные толстым слоем теплоизоляционных материалов, стоят эти колонки в ряд, сверкая выведенными наружу контрольно-измерительными приборами. Стройные и высокие, они тщательно скрывают от глаз свою таинственную работу. Но вот мы раскрыли кожух одного из аппаратов, —  и перед нами сложнейшая система тончайших кровеносных сосудов. Несколько тысяч метров медных трубок, по которым циркулируют входящие и уходящие газы, заполняют колонку. Вот толстостенные трубки, по которым движутся сжатые газы, а их окружает со всех сторон целая сеть трубок, по которым движутся холодные газы, идущие из детандера. А вот по третьим трубкам идут, уже разделенные друг от друга, кислород и азот. И вся эта система трубок сложнейшим образом обвивается вокруг центрального аппарата, где происходит сжижение воздуха и разделение его на составные части.

Здесь видна часть цеха, где расположены колонки, в которых получается жидкий воздух и где этот воздух разделяется на азот и кислород. Наверху видны резиновые баллоны, в которые поступает газообразный азот. Рядом с колонками стоят детандеры.

Безотказно и точно выполняет свою работу этот изумительный аппарат. При помощи кранов, вентилей, различных измерительных приборов, выведенных на щит управления, можно точно указать, что делается в любой части его сложнейшего организма.

Возле колонок стоят детандеры. Это — венец машиностроительной техники. Бесшумно и легко выполняют они свою работу, приводя в движение за счет энергии расширившегося воздуха другие машины и одновременно подавая в колонку воздух, охлажденный до минус 150°.

Азот уходит из колонок по трубам к потребителю здесь же, на заводе. Но кислород нужно отправлять далеко. В специальном отделении стоят кислородные компрессоры, сжимающие кислород и наполняющие им стальные кислородные баллоны, выдерживающие давление до 225 атмосфер. Самое поразительное в работе этого компрессора то, что он смазывается чистой водой. Это, может быть, единственная машина, для которой смазочные масла являются самым опасным врагом. Попади в этот компрессор во время его работы хотя бы немного масла, он неминуемо взорвется со страшной силой. Происходит это потому, что сжатый кислород с маслом взрывает.

Но не обязательно сжимать кислород в баллон. Вот около цеха стоит пятитонный автомобиль, на нем специальная цистерна, и жидкий кислород, как обычная жидкость, по шлангу заливается в эту цистерну. Машина увозит с собой сразу 3000 л жидкого кислорода.

СХЕМА КИСЛОРОДНОЙ УСТАНОВКИ СИСТЕМЫ ГЕЙЛАНДТА:
1 — аппарат для удаления углекислоты. 2 — воздушный компрессор высокого давления с холодильником. 3 — сушильная батарея. 4 — разделитель. 5 — газовые часы. 6 — резервуар для хранения кислорода. 7 — кислородный компрессор. 8 — станция для наполнения стальных баллонов кислородом.

В 1937 году в Макеевке должна быть сооружена мощная кислородная станция для перевода одной домны Макеевского завода на кислородное дутье. Эту станцию изготовляет молодой завод советского химического машиностроения «Комсомолец». Он должен изготовить четыре мощных кислородных агрегата, каждый на 5000 куб. м кислорода в час. Агрегаты проектировались нашими специалистами и будут изготовляться из советских материалов.

Чтобы представить себе исключительную величину советских аппаратов и сложность их paботы приведем несколько характерных цифр. Изготовление этих аппаратов потребует 100 т красной меди, 100 т алюминия и свыше 200 т стали и железа. Длина алюминиевой ленты для одного агрегата равна расстоянию от Тамбова, где строятся аппараты, до Ленинграда. Высота отдельных аппаратов достигает высоты трехэтажного дома. Это будут крупнейшие в мире агрегаты для получения кислорода.

Так за два года мы пробежали путь, по которому Европа шла более 35 лет.