В промышленности широко применяются установки с криогенными продуктами – веществами или смесями веществ, находящихся при криогенных температурах 0-120˚К (-273 -153˚С). Это продукты низкотемпературного разделения: кислород, азот, водород, гелий, аргон, неон, криптон, ксенон, озон, фтор, метан и пр.
Кислород – самый распространенный элемент земной коры, входит в состав атмосферного воздуха, в связанном состоянии входит в состав воды, минералов, горных пород, и всех веществ, из которых построены организмы растений и животных (общее количество кислорода в земной коре около 47%). Кислород – бесцветный газ, не имеющий запаха, он немного тяжелее воздуха j = 1,43 г/см3 (воздуха, 1,293 г/см3), хорошо растворим в воде. Кислород – сильнейший окислитель. Получают чистый кислород разделением (реактификацией) жидкого воздуха, при температуре -140˚С и давлении около 4 МПа, воздух конденсируется в бесцветную прозрачную жидкость. Жидкий воздух используется, главным образом, для получения кислорода, азота и благородных газов. Поскольку температура кипения кислорода ( - 183˚С), лежит выше, чем температура кипения азота (-195,8˚С), то кислород легче превратить в жидкость, чем азот.
Работа с жидким кислородом и его производными связана с высокой опасностью – взрывопожароопасностью (горение всех веществ при соприкосновении с жидким кислородом происходит более активно при высокой температуре с выделением огромного количества тепла). Вдыхание чистого кислорода при нормальном давлении на протяжении 5 часов ведет к отравлению организма, а при давлении 0,5 МПа отравление наступает в течение нескольких минут. Кислород в чистом виде широко используют в медицине, ракетостроении, металлургии, химической промышленности и т.д. В технике, в основном применяется технический кислород (содержащий незначительное количество азота и других примесей).
Азот является основной составляющей воздуха (78,2%). Так как азот является обязательной составляющей частью белка, то можно сказать, что без азота нет жизни. В земной коре азота содержится всего 0,04%. Азот – бесцветный газ, не имеющий запаха и весьма мало растворимый в воде. Немного легче воздуха, j = 1,25 г/см3. Азот - жидкий газ, поэтому его используют для создания жидкой среды при перекачке горючих жидкостей, при тушении горючих веществ, для заполнения электрических ламп и т.д. Животные, как и человек, помещенные в атмосферу азота, быстро погибают, но не вследствие ядовитости азота, а из-за отсутствия кислорода. В техническом азоте содержится до 4% кислорода.
Вследствие преимущественного испарения из жидкого воздуха азота, жидкий воздух быстро обогащается кислородом и при содержании в нем 60-70% кислорода образует взрыво- и пожароопасные смеси.
При обычных условиях озон – газ. Молекулярная масса озона равна 48 (атомная масса кислорода 16), следовательно, молекула озона состоит из трех атомов кислорода – О3. Растворимость озона в воде выше, чем кислорода. Озон – один из сильнейших окислителей, он убивает бактерии и поэтому применяется для обеззараживания воды и дезинфекции воздуха. Озон ядовит, предельно-допустимая концентрация озона в воздухе 10-5%, при этой концентрации хорошо ощущается его запах (в приземном слое атмосферы при грозовых разрядах его содержание колеблется в пределах 10-7 – 10-6%), газ не устойчив и легко распадается на атомы кислорода. Его получают в результате сильного охлаждения, он конденсируется в синюю жидкость, кипящую при –111,9оС. При концентрациях более 0,1мг/м3 озон оказывает вредное влияние на организм. В твердом состоянии озон способен к образованию взрывоопасных смесей с выделением огромного количества тепла.
Водород в свободном состоянии встречается на земле в небольших количествах, он входит в состав растительного и животного мира, углеводородов (нефть, газ и др.). На долю водорода в земной коре, считая воздух и воду, приходится около 1%. Водород самый распространенный элемент космоса. Водород самый легкий из всех газов, j = 0.09г/см3 (в 14,5 раза легче воздуха). Получают промышленный водород из природного газа. При температуре –240оС (критическая температура водорода) он под давлением сжижается. В смеси с кислородом он образует (соотношение 2 объема водорода и 1 объем кислорода) гремучий газ, взрыв происходит мгновенно. При сгорании водорода температура достигает 2800оС (несветящееся пламя с образованием воды). Водородно-кислородными смесями пользуются для сварки и резки тугоплавких металлов.
Метан довольно часто встречается в природе – основная часть природного газа (97%), попутный продукт болотного газа, рудничного газа. Это бесцветный, легкий горючий газ, не имеющий запаха и почти не растворим в воде. Температура его кипения –161,5оС. С кислородом воздуха метан образует пожаро- и взрывоопасные смеси.
Гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон составляют благородные газы, элементы очень низкой активности (инертные газы). Температура сжижения при нормальном атмосферном давлении: гелия –268,9оС; неона –246оС; аргона –185,9оС; криптона –153,2оС; ксенона –108,1оС; радона –61,9оС. Нахождение человека в среде инертных газов из-за отсутствия кислорода приводит к потере сознания. Криптон, ксенон, неон и аргон получают из воздуха путем его разделения при глубоком охлаждении. Применяются в металлургии для создания инертной среды при плавке высококачественных металлов, а также для заполнения ламп дневного света. Гелий получают из некоторых природных газов, в которых он содержится как продукт распада радиоактивных элементов. Радон является разновидностью газов требующих особых мер безопасности.
Основные опасности при работе с криогенными продуктами:
низкие температуры криогенных продуктов;
обмораживание при контакте с криогенными продуктами, вследствие глубокого охлаждения;
ожоги легких при вдыхании паров, ожоги открытых участков тела и глаз при соприкосновении с предметами и оборудованием криогенных установок;
возможное повышение давления при хранении и транспортировке криогенных продуктов, термическое деформирование, увеличение хрупкости металла при низкой температуре и разрушение оборудования из-за взрыва; утечки криогенных продуктов, вследствие разгерметизации оборудования.
