氧气

背景

氧是基本的化学元素之一。在最常见的形式中，氧气是一种存在于空气中的无色气体。它是地球上维持生命的元素之一，所有动物都需要它。氧气还用于许多工业、商业、医疗和科学应用。它用于高炉炼钢，是生产许多合成化学品（包括氨、醇和各种塑料）的重要组成部分。氧气和乙炔一起燃烧以提供焊接和金属切割所需的非常高的温度。当氧气冷却到 -297° F (-183° C) 以下时，它会变成淡蓝色液体，用作火箭燃料。

氧是地球上最丰富的化学元素之一。大约一半的地壳由含氧的化合物组成，而我们大气的五分之一是氧气。人体大约有三分之二的氧气。尽管自科学研究开始以来就存在氧气，但直到 1774 年英国的约瑟夫·普里斯特利（Joseph Priestley）在倒置的试管中用聚焦的太阳光线加热氧化汞时，才发现并承认它是一种独立的元素。 Priestley 向法国科学家 Antoine Lavoisier 描述了他的发现，后者进一步实验并确定它是空气的两个主要成分之一。拉瓦锡使用希腊词 oxys, 将新的气体氧气命名为 意思是酸的或酸的，还有 基因， 意思是生产或形成，因为他相信它是所有酸的重要组成部分。

1895年，德国的卡尔·保罗·戈特弗里德·冯·林德和英国的威廉·汉普森独立开发了一种降低空气温度直至液化的工艺。通过仔细蒸馏液态空气，可以一次将各种成分的气体煮沸并捕获。这个过程很快成为高质量氧气、氮气和氩气的主要来源。

1901年，氧-乙炔焊接首次演示，压缩氧气与乙炔气一起燃烧。这种技术成为焊接和切割金属的常见工业方法。

液体火箭推进剂的第一次使用是在 1923 年，当时美国的罗伯特·戈达德 (Robert Goddard) 开发了一种以汽油为燃料、液氧为氧化剂的火箭发动机。 1926 年，他成功地将小型液体燃料火箭以约 60 英里/小时（97 公里/小时）的速度飞行了 184 英尺（56 米）的距离。

二战后，新技术对用于生产氧气的空气分离工艺带来了重大改进。生产量和纯度水平提高，而成本降低。 1991 年，美国生产了超过 4700 亿立方英尺（134 亿立方米）的氧气，使其成为使用量第二大的工业气体。

世界上最大的五个产氧区是西欧、俄罗斯（前苏联）、美国、东欧和日本。

原始材料

可以使用多种不同的方法由多种材料生产氧气。最常见的自然方法是光合作用，植物利用阳光将空气中的二氧化碳转化为氧气。这抵消了呼吸过程，在这个过程中动物将空气中的氧气转化为二氧化碳。

生产氧气最常见的商业方法是使用低温蒸馏过程或真空变压吸附过程分离空气。氮气和氩气也可以通过与空气分离来生产。

氧气也可以作为化学反应的结果产生，其中氧气从化合物中释放出来并变成气体。这种方法用于为潜艇、飞机和航天器的生命支持产生有限数量的氧气。

可以通过将电流通过水并在它们冒泡时收集这两种气体来产生氢气和氧气。氢气在负极形成，氧气在正极形成。这种方法称为电解，可产生非常纯的氢气和氧气。然而，它使用大量电能，并且对于大批量生产而言并不经济。

制造
过程

大多数商业氧气是使用最初于 1895 年开发的低温蒸馏过程的变体生产的。该过程产生的氧气纯度为 99% 以上。最近，更节能的真空变压吸附工艺已被用于少数不需要纯度超过 90-93% 的氧气的应用。

以下是使用低温蒸馏过程从空气中生产商业级氧气的步骤。

预处理

由于此过程使用极冷的低温部分来分离空气，因此必须首先去除所有可能凝固的杂质，例如水蒸气、二氧化碳和某些重碳氢化合物，以防止它们冻结和堵塞低温管道。

一个试管，据说装有托马斯·爱迪生的最后一口气，送给亨利·福特，热情洋溢风扇，作为爱迪生的儿子查尔斯的纪念品。 （来自密歇根州迪尔伯恩亨利福特博物馆和格林菲尔德村的藏品。）

这个试管是密歇根州迪尔伯恩的亨利福特博物馆和格林菲尔德村最受欢迎的文物之一。据说它蕴藏着伟大发明家托马斯·阿尔瓦·爱迪生的最后一口气。据爱迪生的儿子查尔斯说，1931 年，爱迪生临终前的桌子上放着一组 8 根空试管。爱迪生去世后，他的医生立即将几根试管放在爱迪生的嘴唇上，以接住他放气的肺中的二氧化碳.然后，医生用石蜡小心地密封每个管子，并将管子交给查尔斯·爱迪生。查尔斯·爱迪生知道亨利·福特的偶像是托马斯·爱迪生，于是将其中一根管子送给福特作为纪念品。博物馆在亨利和克拉拉福特去世后获得了这根管子。

参观者之间有一些关于管中目前含有多少二氧化碳和多少氧气的讨论。有人问是否有人在将氧气管放入爱迪生口中之前先将氧气管抽空（不太可能）。如果不是，爱迪生的呼吸量能在管子里吗？所以，他们说，它同时含有二氧化碳和氧气？尽管如此，那些遗憾地看到他的光芒熄灭的人，这是对一位伟人的非传统致敬。

南希 EV 布赖克

• 1 空气在多级压缩机中被压缩到大约 94 psi（650 kPa 或 6.5 atm）。然后通过水冷后冷却器冷凝任何水 在加工前，空气经过预处理以去除会堵塞低温管道的杂质。空气经过预处理后，将进行分馏。在分馏过程中，组分分几个阶段逐渐分离。由于所有蒸馏过程的工作原理都是使液体沸腾以分离一种或多种成分，因此需要低温部分来提供液化气体成分所需的极低温度。一旦液态氧被分离，它就会被净化和储存。 蒸汽，冷凝水在水分离器中被去除。
• 2 空气通过分子筛吸附器。吸附器包含沸石和硅胶型吸附剂，可捕获二氧化碳、较重的碳氢化合物和任何残留的水蒸气痕迹。定期将吸附器冲洗干净以去除捕获的杂质。这通常需要两个并行操作的吸附器，以便一个可以继续处理气流，而另一个被冲洗。

分离

通过称为分馏的蒸馏过程，空气被分离为其主要成分——氮气、氧气和氩气。有时此名称缩写为分馏，用于执行此分离的垂直结构称为分馏柱。在分馏过程中，组分分几个阶段逐渐分离。在每个阶段，每个组分的浓度或分数水平都会增加，直到分离完成。

由于所有蒸馏过程的工作原理都是使液体沸腾以分离一种或多种成分，因此需要低温部分来提供液化气体成分所需的极低温度。

• 3 预处理气流被分流。一小部分空气通过压缩机转移，在那里其压力得到提升。然后冷却并使其膨胀至接近大气压。这种膨胀会迅速冷却空气，将其注入低温部分以提供运行所需的低温。
• 4 主要空气流通过一对串联运行的板翅式换热器的一侧，而来自低温部分的非常冷的氧气和氮气通过另一侧。进入的空气流被冷却，而氧气和氮气被加热。在一些操作中，空气可以通过使其通过膨胀阀而不是第二热交换器来冷却。无论哪种情况，空气的温度都会降低到沸点最高的氧气开始液化的程度。
• 5 空气流——现在部分是液体和部分气体——进入高压分馏塔的底部。当空气沿着柱子向上移动时，它会损失额外的热量。氧气继续液化，在塔底形成富氧混合物，而大部分氮气和氩气以蒸气形式流到顶部。
• 6 液氧混合物，称为粗液氧，从下部分馏塔的底部抽出，并在过冷器中进一步冷却。该流的一部分被允许膨胀到接近大气压并被送入低压分馏塔。当粗液氧沿着塔向下工作时，大部分剩余的氮气和氩气分离，在塔底留下 99.5% 的纯氧。
• 7 同时，来自高压塔顶部的氮/氩蒸气在过冷器中进一步冷却。混合蒸气被允许膨胀到接近大气压并被送入低压分馏塔的顶部。沸点最低的氮气首先变成气体，然后以 99.995% 的纯度从塔顶流出。
• 8 氩气的沸点介于氧气和氮气之间，它保持蒸汽状态，并随着氮气的蒸发而开始下沉。当氩蒸气到达塔下方约三分之二的点时，氩浓度达到其最大值约 7-12%，并被排出到第三个分馏塔中，在那里进一步再循环和精制。最终产品是粗氩气流，其中包含 93-96% 的氩气、2-5% 的氧气，以及余量的氮气和痕量其他气体。

净化

低压塔底部的氧气纯度约为 99.5%。较新的低温蒸馏装置旨在从低压塔中回收更多的氩气，从而将氧气纯度提高到约 99.8%。

• 9 如果需要更高的纯度，可以与低压塔一起添加一个或多个额外的分馏塔，以进一步提炼氧气产品。在某些情况下，氧气也可以通过催化剂以氧化任何碳氢化合物。这个过程会产生二氧化碳和水蒸气，然后被捕获和去除。

分发

美国生产的大约 80-90% 的氧气通过来自附近空分厂的气体管道分配给最终用户。在该国的某些地区，广泛的管道网络为数百英里（公里）范围内的许多最终用户提供服务。气体被压缩到大约 500 psi（3.4 MPa 或 34 atm）并流过直径为 4-12 英寸（10-30 厘米）的管道。大部分剩余的氧气以液氧的形式分布在绝缘罐式拖车或铁路罐车中。

• 10 如果要液化氧气，该过程通常在空分设备的低压分馏塔内完成。来自低压塔顶部的氮气被压缩、冷却和膨胀以液化氮气。然后将这种液氮流送回低压塔，以提供额外的冷却，以便在氧气沉入塔底时液化氧气。
• 11 因为液态氧的沸点很高，所以它会迅速沸腾，很少被运送到 500 英里（800 公里）以外的地方。它在大型绝缘罐中运输。罐体由两个壳体构成，内外壳体之间排空空气以防止热量损失。真空空间填充有半固体绝缘材料，以进一步阻止来自外部的热量流动。

质量控制

压缩气体协会根据存在的杂质的数量和类型建立气态氧和液态氧的分级标准。气体等级称为 I 型，范围从纯度为 99.0% 的 A 到纯度为 99.995% 的 F。液体等级被称为 II 类，范围也从 A 到 F，尽管液体等级中允许的杂质的类型和数量与气体等级不同。 I 型 B 级和 C 型以及 II 型 C 级纯度为 99.5%，是最常生产的氧气等级。它们用于炼钢和合成化学品的制造。

低温蒸馏空分装置的运行由自动仪器监控，通常使用计算机控制。因此，它们的输出质量一致。最终产品的定期取样和分析可确保达到纯度标准。

未来

1998年1月，美国将月球勘探者卫星发射到绕月轨道。在其众多任务中，这颗卫星将扫描月球表面以寻找水的迹象。科学家们希望，如果发现足够数量的水，它可以通过电解产生氢气和氧气，利用太阳能发电。氢气可用作燃料，氧气可用于为月球殖民地提供生命支持。另一项计划涉及使用太阳能加热炉从月球土壤中的化合物中提取氧气。