Александр Фёдоров

ОГНЕННЫЙ ВОЗДУХ

ВВЕДЕНИЕ

«Огненный воздух» — книжка о кислороде, самом распространенном в природе химическом элементе. Кислород встречается всюду. Он входит в состав атмосферного воздуха и воды, присутствует почти во всех минералах, является необходимой составной частью растительных и животных организмов.

Кислород является основой жизни на Земле. В атмосфере, лишенной этого газа, невозможно, существование животных и растений, за исключением, пожалуй, небольшого числа простейших бактерий.

Без кислорода немыслимо подавляющее большинство процессов в технике. Горение топлива, выплавка металлов, получение огромного количества химических веществ обеспечиваются кислородом, находящимся в атмосфере или заключенным в исходных материалах — сырье.

Однако этого мало. Теперь кислород нередко специально вводится в различные производственные установки. Уже много лет он применяется для сварки и резки даже самых тугоплавких металлов и сплавов. Многочисленные исследования показали, что с помощью кислорода удается резко ускорить различные технологические процессы.

Дополнительные количества кислорода, введенные в металлургические печи, в аппараты химической промышленности, в установки для газификации дешевого твердого топлива, не только увеличивают выпуск продукции, но и значительно повышают ее качество.

Вот почему кислород находит всё более широкое применение в промышленности, а производство установок для получения кислорода превратилось в крупную отрасль машиностроения.

В этой книжке кратко рассказывается о свойствах кислорода, о принципах устройства и работы промышленных установок, позволяющих получать кислород из атмосферного воздуха, а также о том, как используется кислород в отдельных отраслях народного хозяйства.

В ЛАБОРАТОРИИ ВЕЛИКОГО УЧЕНОГО

Далеко за полночь. Мигающее пламя светильника бросает расплывчатые причудливые тени на закопченный свод потолка. Чуть тлеют угли в большом очаге, выложенном посреди комнаты. В стеклянных ретортах — сосудах с длинными запаянными горловинами — булькает какая-то густая, тягучая жидкость. Это расплавленные металлы — свинец, олово. Часами прокаливаются они на огне, превращаясь в хрупкую, зернистую массу — окалину.

Высокий, широкоплечий человек устало поднимается со скамьи. Железными щипцами он ловко схватывает одну из реторт, несет ее к столу и бережно устанавливает на чашку весов. На другой чашке находятся бронзовые гирьки. Они уравновесили реторту с ее содержимым в начале опыта.

Стрелка весов медленно, как бы нехотя, качается. Секунды кажутся томительно долгими. Колебания стрелки делаются все меньше, и вот ее тонкий конец останавливается против отметки «нуль» на шкале. Закончен еще один опыт. Вес запаянного сосуда с оловом не изменился, несмотря на длительное прокаливание на огне. То же самое подтверждает взвешивание второй реторты, третьей, десятой… Такой же результат был отмечен вчера, позавчера, на прошлой неделе…

— Да, теперь все ясно!

Порывистым движением исследователь отодвигает весы и открывает толстую книгу. Обмакнув в чернила гусиное перо, он быстро пишет:

«…деланы опыты в запаянных накрепко сосудах, чтобы исследовать, прибывает ли вес металла от чистого жару. Оными опытами нашлось, что славного Роберта Бойля мнение ложно, ибо без пропускания внешнего воздуха вес сожженного металла остается в одной мере».

Строки эти писал в 1756 году Михаил Васильевич Ломоносов, гениальный русский ученый, заложивший основы отечественной науки и установивший ряд важнейших законов современной химии и физики.

Еще за много лет до Ломоносова явления горения возбуждали у химиков большой интерес. В то время существовала примитивная, глубоко ошибочная «теория» горения. Она утверждала, что во всех телах имеется особое, горючее вещество — флогистон. По утверждению последователей этой «теории» флогистон весил «меньше, чем ничего», т. е. имел отрицательный вес. При горении топлива или прокаливании металлов флогистон покидает тело, и поэтому вес продуктов горения увеличивается по сравнению с первоначальным. Такое объяснение явлений горения казалось современникам Ломоносова очевидным и убедительным.

Однако Ломоносов не мог согласиться с существованием фантастического флогистона. Он предположил, что самый обычный воздух участвует в горении и обжигании. И великий ученый ставит опыты с прокаливанием свинца и олова, чтобы доказать эту новую мысль.

Что же происходит с металлом, который прокаливается в реторте? Часть воздуха соединяется с металлом, образуя окалину. Если реторта запаяна, вес ее при этом не изменяется. Но достаточно вскрыть реторту, как наружный воздух с шумом устремится в нее и займет место той части находившегося в реторте воздуха, которая пошла на превращение металла в окалину. Вес содержимого реторты при этом несколько увеличится.

Этими опытами Ломоносов доказал не только роль воздуха при горении, но и установил, что при химических превращениях веществ «сколько у одного тела отнимается, столько присовокупляется к другому». Этот закон сохранения массы вещества стал основой современной химии. Великий русский ученый на три десятилетия опередил «открытие» того же закона французским химиком Лавуазье.

КАК БЫЛ ОТКРЫТ КИСЛОРОД

Через несколько лет после смерти М. В. Ломоносова молодой шведский химик Карл Шееле сделал такой опыт. Он поместил в колбу кусочек фосфора и плотно закрыл ее пробкой. Затем он поднес к колбе зажженную свечу. Через секунду, от нагревания колбы, фосфор ярко вспыхнул, и колба наполнилась густым дымом, который вскоре осел на ее стенках в виде белых, похожих на иней хлопьев.

Когда колба остыла, Шееле опрокинул ее, бережно опустил горловину в воду и осторожно выдернул пробку. Вода быстро устремилась в колбу и заполнила пятую часть ее объема.

Молодой химик пробовал сжигать в закрытых сосудах и другие вещества. Результат неизменно получался все тот же: пятая часть воздуха, заключенного в сосуде, куда-то исчезала и ее место заполнялось водой. В том же воздухе, который оставался в колбе после горения, уже не удавалось зажечь не только свечу, но даже легко воспламеняющийся фосфор. Помещенная туда мышь очень быстро умирала от удушья.

Все это навело Шееле на мысль, что окружающий нас воздух вовсе не является однородным веществом, как принято было думать в то время, а представляет собою смесь по крайней мере двух различных частей. Ту часть воздуха, которая оставалась в колбе после горения фосфора или какого-либо другого вещества, Шееле назвал мертвым, негодным воздухом, а исчезнувшую часть, которая поддерживала горение, — живым или «огненным воздухом».

Вскоре Шееле научился получать «огненный воздух» в чистом виде, отдельно от негодного. Он насыпал в стеклянную реторту порошок селитры и нагревал его на огне. Селитра плавилась, выделяя чудесный газ, в котором ярко вспыхивала чуть тлеющая лучина.

Так был открыт в 1772 году новый химический элемент, «огненный воздух», необходимый для горения и дыхания. Впоследствии его назвали кислородом.

В НЕОБЪЯТНОЙ КЛАДОВОЙ ПРИРОДЫ

Природа исключительно богата кислородом. Это — самый распространенный химический элемент. Почти вся земная кора состоит из соединений различных элементов с кислородом. Железные руды, например, являются химическим соединением железа и кислорода. Речной песок состоит из кислорода и кремния, глинозем содержит алюминий и кислород.

Огромное количество кислорода есть и в воде. На тонну воды приходится 890 килограммов кислорода и 110 килограммов связанного с ним водорода. Наконец, атмосферный воздух, как мы уже знаем, состоит на одну пятую из кислорода, а это — невероятно большое количество. Если весь кислород земной атмосферы превратить в жидкость, то вся поверхность земли, включая горы и равнины, моря и океаны, покроется слоем холодной светло-голубой жидкости толщиной больше двух метров.

Старый способ получения кислорода путем нагревания селитры уже давно ушел в прошлое. Добывание кислорода превратилось в самостоятельную и очень крупную отрасль промышленности. Во всех странах мира работают специальные кислородные заводы, использующие в качестве сырья безграничные запасы атмосферного воздуха.

КАК ПОЛУЧИТЬ КИСЛОРОД ИЗ ВОЗДУХА

Воздух не является химическим соединением отдельных газов. Теперь известно, что он представляет собою смесь из азота, кислорода и так называемых редких газов: аргона, неона, криптона, ксенона и гелия. Кроме того, воздух содержит ничтожные количества водорода и углекислого газа.

Главная составная часть воздуха — азот. Он занимает больше 3/4 всего объема воздуха. Пятую часть воздуха составляет «огненный воздух» — кислород. А на долю остальных газов приходится около одной сотой части.

Каким же образом удается разделить эти газы и получить из воздуха чистый кислород?

30 лет назад сравнительно широко применялся химический способ получения кислорода. Для этого использовалось соединение металла бария с кислородом — окись бария. Это вещество имеет одно интересное свойство. Нагретая до темно-красного цвета (примерно до 540 градусов) окись бария энергично соединяется с кислородом воздуха, образуя при этом новое более богатое кислородом вещество — перекись бария. Однако при дальнейшем нагревании перекись бария разлагается, выделяет кислород и снова превращается в окись. Кислород при этом улавливается и собирается в особые сосуды — баллоны, а перекись бария охлаждается до 540 градусов, чтобы снова получить способность извлекать кислород из воздуха.

Кислородные установки, работавшие по такому способу, давали несколько кубических метров газа в час. Однако они были дороги, громоздки и неудобны. Кроме того, окись бария при работе постепенно теряла свои поглотительные свойства и ее приходилось часто менять.

Все это привело к тому, что с течением времени химический способ получения кислорода из воздуха был вытеснен другими, более совершенными.

Наиболее просто удается выделить кислород из воздуха в том случае, если воздух предварительно превращен в жидкость.

Жидкий воздух при обычном атмосферном давлении имеет крайне низкую температуру — минус 192 градуса, то-есть на 192 градуса ниже точки замерзания воды. Но температура ожижения отдельных газов, входящих в состав воздуха, не одинакова. Жидкий азот, например, кипит и испаряется при температуре минус 196 градусов, а кислород при минус 183 градуса. Эта разница в 13 градусов и позволяет разделить жидкий воздух на составляющие его газы.

Если налить жидкий воздух в какой-либо сосуд, он энергично закипит и очень быстро испарится. При этом в первые моменты испаряется преимущественно азот, и жидкий воздух все больше обогащается кислородом. Этот процесс и положен в основу устройства специальных аппаратов, применяющихся для разделения воздуха.

В настоящее время жидкий воздух широко используют для промышленного получения кислорода. Однако, чтобы превратить атмосферный воздух в жидкое состояние, его нужно охладить до весьма низкой температуры. Поэтому современный метод получения жидкого воздуха называется методом глубокого охлаждения.

Глубокое охлаждение воздуха ведут в специальных машинах. Но, прежде чем рассказать об их работе, нам необходимо познакомиться с несколькими простейшими физическими явлениями.

НЕМНОГО ФИЗИКИ

Приходилось ли вам когда-нибудь накачивать воздух в камеры велосипеда? Если приходилось, вы, вероятно, обратили внимание, что шины при этом немного нагреваются. Здесь происходит весьма распространенный в природе переход механической энергии в тепловую. Часть работы, которую мы затрачиваем на сжатие воздуха в шине, превращается в теплоту, и температура сжимаемого воздуха повышается.

Попробуйте теперь сделать такой опыт. Возьмите бутыль, наполненную на одну треть водой. Плотно закройте ее горлышко пробкой, сквозь которую пропущена трубка от резиновой груши. Сдавите грушу рукой. При этом воздух в бутыли сожмется и нагреется. Выждите немного и быстро отпустите грушу. Тогда воздух расширится до прежнего объема, и пространство над жидкостью наполнится туманом (рис. 1).

Рис. 1. Опыт, позволяющий обнаружить охлаждение газа при его расширении.

Почему это получилось? При расширении воздух охладился, и часть пара, образовавшегося из воды, превратилась в мельчайшие капельки воды, сконденсировалась.

Но почему же при расширении воздух охлаждается?

Если для сжатия газа затрачивает работу человек или машина, то при расширении работу совершает сам газ за счет заключенной в нем тепловой энергии. Такое превращение тепловой энергии в работу, сопровождаемое понижением температуры, тоже широко распространено в природе.

Расширение любого сжатого газа можно провести двумя путями. Можно, например, взять баллон, наполненный сжатым воздухом, и постепенно выпускать воздух через кран. Какую же работу совершает в этом случае газ? Он преодолевает силы сцепления между молекулами и трение молекул воздуха о стенки крана. Однако таким путем добиться большого охлаждения газа нельзя. Он совершает слишком мало механической работы.

Попробуем теперь заставить тот же расширяющийся воздух двигать поршень небольшого воздушного моторчика. В этом случае газ, совершая уже значительную механическую работу, охладится настолько, что наш моторчик почти мгновенно покроется инеем, а отработанный воздух будет выходить из него в виде дымящейся струи: температура воздуха настолько сильно понизится, что содержащаяся в нем влага сконденсируется, превратится в мельчайшие капельки воды.

Эти два способа расширения сжатого газа — простое расширение и расширение с преодолением значительного внешнего сопротивления — и послужили основой современных промышленных способов ожижения газов, в том числе и воздуха.

ОБ ОДНОМ ПРОСТОМ, НО ВАЖНОМ АППАРАТЕ

Мы уже знаем, что при нормальном атмосферном давлении температура жидкого воздуха исключительно низка. Если попытаться достигнуть такой температуры обычным расширением воздуха, то придется предварительно сжимать его до колоссальных давлений. Это вызовет огромные затраты и вряд ли сможет быть выполнено по техническим причинам.

Но есть довольно простой аппарат, в котором можно сильно охладить газ, не прибегая к большому сжатию. Этот аппарат — теплообменник — необходимая часть любой современной машины, предназначенной для получения глубокого холода.

Простейший теплообменник состоит из двух металлических трубок, вставленных одна в другую (рис. 2).

Рис. 2. Так устроен теплообменник — простейший аппарат для охлаждения газов.

По внутренней трубке сжатый воздух идет к особому крану, называемому расширительным вентилем. Выходя из вентиля в камеру, воздух расширяется. При этом его давление падает до атмосферного, а температура понижается на несколько градусов. Затем охлажденный воздух покидает расширительную камеру. Направляясь к выходу из аппарата по наружной трубке теплообменника, он омывает внутреннюю трубку со следующей порцией сжатого воздуха и отдает ему часть своего холода. К моменту расширения новые порции сжатого воздуха, поступающего по внутренней трубке теплообменника, будут уже более холодными, а в камере их температура станет еще ниже.

С каждой минутой работы теплообменника температура расширяющегося воздуха становится все более и более низкой. Наконец, наступает момент, когда часть расширяющегося воздуха превращается в жидкость. Жидкий воздух собирается в нижней части расширительной камеры и может быть слит оттуда через специальный кран. Таким образом, теплообменник, исключительный по своей простоте аппарат, позволяет постепенно, как бы автоматически, понижать температуру расширяющегося воздуха до нужного предела, когда наступает момент превращения его в жидкость.

Практически теплообменник устроен более сложно. Вместо одной трубки внутри теплообменника обычно находится целая система длинных и тонких трубок, изготовленных из меди — металла, хорошо проводящего тепло. Иногда, для увеличения охлаждающей поверхности теплообменника, внутреннюю трубку делают в виде спирали.

Теплообменник, как и все аппараты, работающие при низких температурах, тщательно покрывается снаружи толстым слоем материала, плохо проводящего тепло: шлаковой ваты, углекислой магнезии и других. Этот слой надежно предохраняет теплообменник от излишних потерь холода в окружающее пространство.

Каким же образом сжимается воздух, поступающий в теплообменник? В установке глубокого холода есть особая машина — компрессор, в котором воздух можно сжать до давления, в 200 раз превышающего атмосферное. Чаще всего ставят многоступенчатый поршневой компрессор. Он состоит из 5 или б цилиндров с поршнями. Воздух, проходя по особым трубам от одного цилиндра к другому, постепенна, ступенями, сжимается. В первом цилиндре давление воздуха повышается до 6–7 атмосфер, во втором — оно увеличивается до 20 атмосфер, и т. д. Наконец, в последнем цилиндре достигается сжатие до 200–250 атмосфер.

При сжатии воздух, конечно, нагревается, поэтому по выходе из каждого цилиндра он охлаждается в специальных холодильниках.

ОЧИСТКА ВОЗДУХА

О атмосферном воздухе всегда есть всякого рода нежелательные примеси — песок, дым, пыль и т. д. Попадая в компрессор, эти примеси могут вызвать преждевременный износ его трущихся частей. Поэтому на всасывающей трубе компрессора устанавливаются специальные фильтры, улавливающие эти твердые частицы.

Однако в воздухе есть еще и другие вредные примеси, от которых нельзя освободиться фильтрованием. Это — углекислота и водяные пары.

В каждом кубическом метре атмосферного воздуха содержится не менее 0,7 грамма углекислоты, которая уже при температуре около минус 80 градусов затвердевает.

Через современные установки глубокого холода проходят огромные количества воздуха, измеряемые сотнями и даже тысячами кубических метров в час. Ничтожные количества углекислоты, содержащиеся в воздухе, могут оказаться серьезной опасностью для холодильных аппаратов. Ведь через холодильные аппараты пройдут десятки килограммов этого газа в течение нескольких часов. Превращенная при низких температурах в твердые куски льда, углекислота в короткое время может плотно закупорить трубопроводы и вывести установку из строя. Тогда придется прекратить получение жидкого воздуха, отогревать установку и продувать все ее трубопроводы.

Чтобы удалить из воздуха углекислоту, его пропускают через растворы едкого кали или едкого натра. Углекислота химически соединяется со щелочью и из раствора выходит уже освобожденный от нее воздух. Такая промывка производится в особом аппарате — скрубере. Этот аппарат обычно устанавливается между вторым и третьим цилиндрами компрессора. Воздух поступает в скрубер уже под давлением, а это значительно ускоряет и облегчает удаление углекислоты.

Еще более вредной примесью атмосферного воздуха является влага. В обычных условиях в одном кубическом метре воздуха содержится около 20 граммов водяных паров. При сжатии воздуха большая часть этих паров превращается в воду. Для улавливания ее в многоступенчатом компрессоре после каждого цилиндра устанавливаются водоотделители. Но они освобождают воздух от влаги не полностью. А это может привести к серьезным неприятностям.

Попадая в холодную трубу теплообменника, остатки воды превратятся в лед, который вызовет если не аварию, то во всяком случае остановку машины. Поэтому сжатый компрессором воздух пропускается через целую батарею баллонов, которые наполнены веществами, хорошо поглощающими влагу, — каустической содой, хлористым кальцием, едким кали и т. д. Пройдя через такой химический осушитель, воздух оказывается уже совершенно сухим.

В более крупных установках остатки влаги из сжатого воздуха вымораживаются в особых холодильниках при 40–45 градусах ниже нуля. Каждая такая установка обычно имеет два холодильника. Пока работает один холодильник, второй отогревается и освобождается от льда.

Но вот воздух прошел все эти аппараты. Он очищен от механических примесей, от углекислоты и водяных паров. Теперь можно беспрепятственно понижать его температуру, не рискуя вывести из строя установку глубокого холода.

МАШИНЫ ГЛУБОКОГО ХОЛОДА

Компрессор, сжимающий воздух, расширительное устройство, предназначенное для его охлаждения, и теплообменник, позволяющий превращать в жидкость воздух, вот главные части установки глубокого холода.

Мы уже знаем, что воздух может охлаждаться гораздо больше, если заставить его при расширении работать, например, двигать поршень воздушного моторчика. Такое охлаждение ведут в установках, которые, кроме сжимающего компрессора и охлаждающего теплообменника, имеют еще и расширительную машину, детандер.

Детандер устроен так же, как любая поршневая машина. Это цилиндр о поршнем, но поршень в детандере приводится в движение не паром, а сжатым воздухом.

Обратимся к рисунку 3.

Рис. 3. Принципиальная схема установки для получения жидкого воздуха.

Многоступенчатый компрессор сжимает очищенный атмосферный воздух. Пройдя по внутренней трубке первого теплообменника, сжатый воздух разделяется на два потока. Один поток, составляющий около четырех пятых всего воздуха, направляется в детандер и, расширяясь, приводит в движение его поршень. При этом воздух значительно охлаждается. Затем он омывает внутренние трубки обоих теплообменников и, отдав свой холод текущим навстречу свежим порциям воздуха, покидает машину. Второй поток воздуха, охлажденный еще больше во втором теплообменнике, направляется через вентиль в расширительную камеру, затем вместе с воздухом из детандера идет к выходу. Вскоре наступает момент, когда сжатый воздух, устремляющийся в расширительную камеру, достигает температуры ожижения и часть его превращается в светло-голубую жидкость. Когда накопится достаточное количество этой жидкости, кран открывают и жидкий воздух выливают. Работа воздуха в детандере не пропадает даром. Поршень детандера может приводить в действие динамомашину. Но чаще всего механическая энергия детандера передается валу компрессора, в котором сжимается воздух. Таким образом, часть энергии, затраченной на сжатие воздуха, компрессор получает обратно, а это снижает расход энергии на ожижение воздуха.

СБЕРЕЖЕНИЕ ХОЛОДА

Итак, мы уже знаем, что теплообменник дает возможность получать весьма низкие температуры, необходимые для ожижения воздуха и других газов. Но одним этим роль теплообменника в установках глубокого холода не ограничивается.

Ведь ожижается обычно лишь небольшая часть расширяющегося воздуха. Однако охлаждать до низких температур приходится весь поступающий в установку воздух. Если бы не было теплообменника, воздух, не превращенный в жидкость, покидал бы установку при температуре около — 190 градусов и уносил бы с собою большое количество дорогостоящего холода. Но благодаря теплообменнику расширяющийся воздух покидает установку глубокого холода при температуре, очень мало отличающейся от температуры атмосферного воздуха. В современных установках эта разница температур обычно не превышает 4–5 градусов. Это значит, что за те несколько секунд, которые нужны расширившемуся воздуху для прохождения через теплообменник и другие аппараты установки, его температура повышается с — 192 градусов почти до температуры окружающего пространства. Почти весь холод, полученный воздухом в детандере и расширительной камере, передается им на обратном пути встречному потоку воздуха.

Тщательная тепловая изоляция всех аппаратов установки не позволяет холоду уходить в атмосферу. Такое сбережение холода позволяет получить больше жидкого воздуха и уменьшает расход энергии на его ожижение.

ОТ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ — К НИЗКОМУ

Широко распространенные установки для получения жидкого воздуха требуют применения громоздких поршневых компрессоров, в которых атмосферный воздух сжимается до нескольких десятков и даже сотен атмосфер. Естественно поэтому, что производительность установок глубокого холода ограничивается, прежде всего, размерами компрессоров. Очень трудно построить сложный поршневой компрессор, дающий большое количество воздуха высокого давления.

Использование воздуха, сжатого до высокого давления имеет и другие существенные недостатки. Все детали установок глубокого холода — трубы, арматура и т. д. — должны обладать высокой прочностью. Поэтому многие из этих деталей делаются массивными. Для их изготовления приходится расходовать много высококачественных металлов.

В начале текущего столетия получили распространение турбинные механизмы, в которых возвратно-поступательное движение основных деталей заменялось вращением. Небольшие по размерам и высокопроизводительные турбокомпрессоры оказались значительно удобнее громоздких поршневых машин в тех случаях, когда требовалось сжимать газ до сравнительно небольших давлений, в 6-10 атмосфер. Многие из металлургов помнят гигантские поршневые компрессоры недавнего прошлого, применявшиеся для вдувания воздуха в доменную печь. Теперь эти сложные и уродливые механизмы повсеместно заменены небольшими турбовоздуходувками, занимающими мало места и исключительно надежными в работе.

Появление турбинных машин заставило ученых задуматься над созданием установок глубокого холода, работающих на низком давлении воздуха. Почти 50 лет назад английский физик Релей пытался использовать турбину для получения холода. Однако из этого ничего не вышло. Турбинный механизм, заменивший поршневую расширительную машину — детандер, имел крайне низкий коэффициент полезного действия. Он не давал возможности получить столько холода, сколько требовалось для экономичного сжижения воздуха.

Советский академик П. Л. Капица тщательно проанализировал неудачи Релея и других исследователей. Ему удалось установить их ошибку. Все расчеты турбинных машин производились применительно к работе с паром. В условиях паровой турбины потери энергии, зависящие от плотности пара, были настолько малы, что не принимались во внимание. Однако исследования холодильных турбин показали, что в условиях глубокого холода эти потери резко возрастают. Воздух, охлажденный до низкой температуры, становится настолько плотным, что по некоторым своим физическим свойствам скорее похож на жидкость, чем на пар. Все это привело к мысли обращаться с воздухом, охлажденным до низкой температуры, не как с газом, а как с жидкостью. Таким образом, и турбодетандер, сконструированный П. Л. Капицей, был построен по образцу водяной турбины, а не по образцу паровой.

Первая опытная проверка холодильных механизмов турбинного типа дала обнадеживающие результаты. Крохотная турбинка, построенная в 1938 году в Институте физических проблем Академии наук СССР, имела ротор диаметром всего в 8 сантиметров. Она весила несколько килограммов, но обеспечивала получение 30 литров жидкого воздуха в час. Возможность ожижения воздуха с использованием только установок низкого давления была доказана. Открылась новая область применения турбинных механизмов. Турбина получила права гражданства и в промышленности глубокого холода.

Как же работают холодильные установки, использующие воздух только низкого давления?

ХОЛОДИЛЬНАЯ УСТАНОВКА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ

Схема установки глубокого холода, работающей с использованием воздуха низкого давления, изображена на рисунке 4.

Рис. 4. Схема установки глубокого холода, работающей с использованием воздуха низкого давления.

Турбокомпрессор, приводимый в действие электрическим мотором, засасывает атмосферный воздух и сжимает его до давления в 5–6 атмосфер. Поток сжатого воздуха направляется в теплообменник, в котором он охлаждается до — 155–160 градусов за счет холодного воздуха, уходящего из установки.

Пройдя теплообменник, поток воздуха расходится по двум руслам. Основная часть сжатого воздуха поступает в расширительную турбину — турбодетандер, где воздух расширяется и совершает работу — приводит в движение динамомашину или вращает турбокомпрессор. При этом воздух еще больше охлаждается и, покидая турбодетандер при температуре в 185–187 градусов ниже нуля, направляется в конденсатор.

Второй поток холодного воздуха из теплообменника поступает прямо в конденсатор, проходя при этом между трубок, через которые движется более холодный воздух из турбодетандера. Расширяясь и охлаждаясь в междутрубном пространстве конденсатора, некоторая часть сжатого воздуха превращается в жидкость и сливается через кран в резервуар жидкого воздуха. Основное же количество воздуха, не превращенное в жидкое состояние, направляется из конденсатора в теплообменник, где отдает свой холод новым порциям сжатого воздуха, идущим из турбокомпрессора в детандер и конденсатор.

Холодильные установки низкого давления компактны. Замена поршневых компрессоров турбокомпрессорами позволяет в несколько раз увеличить количество перерабатываемого воздуха и этим значительно увеличить производительность установок. Но отдельные части установок низкого давления еще недостаточно совершенны, поэтому расход электроэнергии при получении жидкого воздуха на таких установках пока еще несколько выше, чем на машинах старой системы. Однако нужно надеяться, что дальнейшее совершенствование установок глубокого холода, работающих на низком давлении, позволит получать жидкий воздух в больших количествах при таких же и даже еще меньших затратах энергии, как и на установках высокого давления.

КАК УБЕРЕЧЬ ЖИДКИЙ ВОЗДУХ ОТ ИСПАРЕНИЯ

Итак, мы теперь знаем, как получается жидкий воздух.

Откроем сливной кран работающей установки глубокого холода, поставив под него какой-нибудь сосуд. Шипящая, окруженная густым белым паром струя устремится в сосуд и он наполнится почти прозрачной, светло-голубой жидкостью, похожей на воду.

Иногда жидкий воздух бывает мутным и напоминает молоко. Это значит, что осушка и очистка воздуха от углекислоты были недостаточно тщательными. Присутствие мельчайших кристаллов замороженной воды или углекислоты и приводит к помутнению жидкого воздуха. Однако его очень легко освободить от мути. Для этого достаточно пропустить жидкий воздух сквозь обычную фильтровальную бумагу.

При нормальном атмосферном давлении жидкий воздух, как уже говорилось, имеет температуру на 192 градуса ниже нуля. Естественно, что налитый в обычный металлический или стеклянный сосуд жидкий воздух быстро испаряется. Если бы можно было, не боясь обморожения, опустить руку в жидкий воздух, а потом дотронуться до куска льда, то последний показался бы нам невероятно горячим! Жидкий воздух, налитый в медную и предварительно охлажденную кастрюлю, бурно кипит, даже если кастрюлю поставить на лед.

Густые белые пары постоянно сопутствуют опытам с жидким воздухом. Однако не следует думать, что это пары улетучивающегося жидкого воздуха. На самом деле мы наблюдаем своеобразный туман, образовавшийся благодаря быстрой конденсации влаги и углекислоты, содержащихся в окружающей атмосфере.

Как же замедлить испарение жидкого воздуха? Очевидно, нужно тщательно отделить сосуд, содержащий эту необычную жидкость, от окружающего воздуха. Так, если окружить банку с жидким воздухом слоем шлаковой ваты или войлока, то его испарение замедлится. Но долго сохранить жидкий воздух в таком сосуде нельзя. Шерсть, вата, хотя и плохо, но все-таки проводят тепло.

Самым совершенным теплоизолятором является… пустота. Еще 60 лет назад для сохранения сжиженных газов начали изготовлять специальные сосуды с двойными стенками (рис. 5).

Рис. 5. Двухстенные стеклянные сосуды для хранения жидкого воздуха.

Воздух, находившийся между стенками, выкачивался через нижнее отверстие сосуда, которое затем тщательно запаивалось. В таких сосудах испарение уменьшалось весьма значительно.

Однако тепло распространяется не только за счет теплопроводности тел. Наша планета, например, получает тепловую энергию от Солнца в виде тепловых лучей. А лучистое тепло беспрепятственно проникает к жидкому воздуху и через пустую оболочку сосуда. Оно поглощается стеклянными стейками и передается жидкости.

Как же предохранить жидкий воздух от действия тепловых лучей?

Много лет назад ученые заметили, что не все тела обладают одинаковой способностью поглощать тепловые лучи. Предметы с темной и матовой поверхностью поглощают значительно больше тепла, чем блестящие и светлые. Поэтому летом люди стремятся носить белую одежду — она хорошо отражает горячие солнечные лучи. Эти наблюдения позволили найти простую защиту сосудов от тепловых лучей. Достаточно только посеребрить внутреннюю поверхность стенок сосуда. Зеркальная поверхность сосуда отражает падающие на него лучи, и жидкий воздух в таких сосудах можно хранить неделями. Однако стеклянные сосуды для хранения жидких газов применяются только в лабораториях. В промышленной практике, где приходится иметь дело с тоннами и даже десятками тонн жидких газов, для хранения и перевозки их применяются другие устройства. С ними мы познакомимся несколько позже.

О НЕКОТОРЫХ СВОЙСТВАХ ЖИДКОГО ВОЗДУХА

С жидким воздухом можно проделать ряд весьма интересных опытов.

Наполним стеклянную банку водой и вольем туда немного жидкого воздуха. Прежде всего мы увидим, как бурно закипит жидкий воздух. И это не удивительно. Для жидкого воздуха поверхность воды в банке то же, что раскаленная плита для выплеснутой на нее воды.

Из жидкого воздуха, вылитого в банку с водой, образуются подвижные шарики. Вначале они будут скользить по поверхности воды, а затем, несмотря на бурное испарение, погрузятся в воду. Это любопытное явление объясняется очень просто. Плотность жидкого азота составляет примерно 0,9 плотности воды, а плотность жидкого кислорода в 1,12 раза больше плотности воды. Жидкий воздух, только что полученный на установке и вылитый в банку с водой, содержит много азота. Поэтому он легче воды и плавает на ее поверхности. По мере испарения жидкого воздуха улетучивается прежде всего азот, обладающий более низкой по сравнению с кислородом температурой ожижения. Остающаяся часть жидкого воздуха все больше обогащается кислородом и плотность его непрерывно растет. Вскоре шарики жидкого воздуха становятся тяжелее воды и опускаются на дно банки.

Многие из окружающих нас веществ и предметов нашего обихода, охлажденные до температуры жидкого воздуха, приобретают совершенно необычные для них свойства. Гибкая резиновая трубка после погружения в жидкий воздух становится хрупкой, как стекло, и легко разбивается молотком. Охлажденные в жидком воздухе цветы становятся похожими на тонкий изящный фарфор и при малейшем сотрясении легко превращаются в пыль.

Новые свойства тел, вызванные глубоким охлаждением, широко используются в практике. Пробка, фрукты или мясо в обычных условиях с трудом поддаются измельчению, а после смачивания жидким воздухом они легко превращаются в порошок. Однако, как только эти тела снова приобретают обычную температуру, к ним возвращаются их прежние качества.

Меняют некоторые свойства и многие металлы, погруженные в жидкий воздух. Спираль, изготовленная из мягкого свинца и замороженная в жидком воздухе, становится такой же упругой, как стальная. Бутыль из мягкого листового железа, наполненная жидким воздухом, приобретает такую же хрупкость, как и бутыль из стекла. Однако, несмотря на повышение хрупкости при низких температурах, сопротивление металлов разрыву увеличивается. Железная проволока, охлажденная в жидком воздухе, выдерживает, не разрываясь, вдвое больший груз, чем при обычной температуре.

Интересно отметить, что некоторые вещества при охлаждении жидким воздухом не изменяют своей эластичности. К их числу относится обезжиренная кожа, красная медь, нержавеющие стали и некоторые другие материалы. Этими материалами и пользуются для создания приборов и аппаратов, работающих при весьма низких температурах.

МИЛЛИОННЫЕ ДОЛИ АТМОСФЕРЫ

Изучая свойства различных веществ при низких температурах, исследователи обратили внимание на интересную особенность древесного угля. Хорошо обожженный и высушенный уголь при очень низких температурах прекрасно поглощает газы. Этим свойством древесного угля пользуются для создания сильно разреженной атмосферы или, как говорят, для получения вакуума, то-есть пустоты.

Пусть требуется удалить атмосферный воздух из какого-либо специального прибора, например, из трубки Гейслера, предназначенной для изучения электрического разряда в пустоте. Для этого достаточно соединить внутреннюю область трубки с погруженным в жидкий воздух сосудом, содержащим древесный уголь. Охлажденный уголь очень быстро вберет в себя почти весь атмосферный воздух, находящийся в трубке. Таким простым приемом удается получить высокую степень разрежения воздуха, измеряемую миллионными и даже десятимиллионными долями атмосферы. Описанным свойством древесного угля пользуются для создания совершенной теплоизоляции — пустоты — в сосудах, предназначенных для хранения и перевозки жидких газов. Такие сосуды делаются из металла и имеют две стенки. Во внутреннюю стенку сосуда вделывается металлическая трубка, в которую насыпается древесный уголь. При наполнении сосуда жидким воздухом уголь автоматически поддерживает разрежение, несмотря на то, что некоторое количество атмосферного воздуха может проникать через поры в металле. С течением времени поглотительная способность угля уменьшается, уголь как бы насыщается газом. Сосуды приходится перезаряжать новым углем. Однако прежние свойства древесного угля легко восстанавливаются: при нагревании до 100–200 градусов при пониженном давлении уголь теряет поглощенный газ. Таким образом, одну и ту же порцию угля можно применять много раз.

Сосуды, снабженные углем и предназначенные для хранения жидкого воздуха, вмещают от 5 до 25, а иногда и более литров (рис. 6).

Рис. 6. Такие сосуды вместимостью от 5 до 25 литров широко применяются для хранения и перевозки жидкого воздуха.

В течение часа из такого сосуда испаряется меньше двухсотой части содержащейся в нем жидкости.

Жидкий воздух применяется во многих областях техники, особенно там, где нужны очень низкие температуры.

В машиностроении нередко требуется прочно насадить одну деталь на другую, например стальной диск турбины на ее ось. Раньше, а кое-где и теперь, диск нагревали. При повышении температуры металл расширялся и отверстие в диске увеличивалось. Нагретый диск легко насаживался на ось и плотно охватывал ее при охлаждении. Однако нагревание громоздких колес турбины или других машин часто представляет собою довольно сложную и ответственную операцию. При неправильном нагреве легко можно вызвать искривление диска или ухудшение его механических свойств.

Гораздо проще произвести такую же насадку, используя жидкий воздух. Сравнительно тонкая ось турбины быстро охлаждается этой сверххолодной жидкостью и размер ее резко уменьшается. В таком виде ось легко вставляется во втулку колеса или диска. Проходит немного времени, температура металла повышается, диаметр оси увеличивается и диск накрепко соединяется с осью.

ОБ ИНТЕРЕСНЫХ, НО МАЛО ПОЛЕЗНЫХ ПРОЕКТАХ

Мы уже научились хранить жидкий воздух в специальных сосудах. Однако эти сосуды всегда открыты, и пары жидкости свободно улетучиваются в атмосферу. Тепло, приходящее из окружающего пространства, затрачивается на испарение жидкости. Таким образом, температура жидкого воздуха, до его полного испарения, остается примерно постоянной, около — 190 градусов.

Что же получится, если налить жидкий воздух в сосуд и закупорить его плотно завинчивающейся пробкой? Жидкость будет испаряться, и давление в сосуде возрастет. Одновременно в сосуде будет накапливаться запас теплоты, и температура жидкого воздуха начнет повышаться. Наконец, она достигает — 140 градусов ниже нуля. При такой температуре воздух уже не может находиться в жидком виде. Это — критическая температура воздуха, при которой вся жидкость превратится в газ. А когда температура сосуда сравняется с температурой наружного воздуха, давление в нем возрастет до 800 атмосфер! И это понятно. Плотность жидкого воздуха примерно в 800 раз больше плотности газообразного воздуха при обычной температуре. Таким образом, наш сосуд, если он до этого времени еще не разорвался на куски, превратится в опасный снаряд, в котором не осталось ни одной капли жидкого воздуха.

Несколько десятилетий назад были попытки применять жидкий воздух для зарядки металлических патронов. Патроны взрывались в тот момент, когда давление в них достигало определенной величины. Применялись они при горных разработках. Однако вследствие неудобств в обращении с такими патронами и сравнительно небольшой разрушительной силы они не получили распространения.

Огромные давления, возникающие при испарении жидкого воздуха в закрытом сосуде, привели изобретателей к мысли о создании специальных двигателей, работающих на жидком воздухе. Такие двигатели в свое время были построены. В 1900 году, например, на Парижской выставке демонстрировался экипаж, приводимый в движение жидким воздухом. Однако подобные экипажи не получили практического распространения. Причины этого установить нетрудно. Для того чтобы даже в течение короткого промежутка времени получить мощность в 1 лошадиную силу, надо испарить по крайней мере 5 килограммов воздуха. Ясно, что использование жидкого воздуха в качестве двигательной силы крайне невыгодно. Затраты энергии на его получение ни в какой мере не окупятся.

Интересен и другой проект, связанный с использованием жидкого воздуха. При низких температурах электрическое сопротивление чистых металлов сильно уменьшается. Это легко подтвердить на простом опыте.

Составим электрическую цепь (рис. 7) из аккумулятора, лампочки накаливания и катушки медной проволоки с таким сопротивлением, чтобы при замыкании цепи лампочка едва накалялась.

Рис. 7. Электрическое сопротивление проводника, охлажденного до температуры жидкого воздуха, резко понижается. Включенная в цепь лампочка вспыхивает ярким светом.

Если погрузить теперь катушку в жидкий воздух, сопротивление медной проволоки резко уменьшится, и лампочка вспыхнет ярким светом.

Это интересное явление в свое время тоже пытались использовать. Существовал проект, по которому медные электрические провода должны были заключаться в кожух, наполненный жидким воздухом. По мысли авторов этого проекта, экономия электроэнергии от уменьшения сопротивления проводов могла быть использована для получения жидкого воздуха и постоянного пополнения его потерь от испарения. Кроме того, уменьшение электрического сопротивления проводов позволило бы значительно сократить их сечение, что, в свою очередь, привело бы к экономии больших количеств меди.

Однако этот проект также относится к числу нереальных. Использование жидкого воздуха для охлаждения электрических проводов не только трудно осуществимо технически, но и весьма неэкономично. Для получения жидкого воздуха потребуется затратить значительно большее количество энергии по сравнению с тем, которое удастся сэкономить за счет уменьшения сопротивления проводов.

Можно назвать немало отраслей народного хозяйства, где жидкий воздух стал необходим. Широко используется он и в различных исследовательских лабораториях. Однако все это не главные потребители жидкого воздуха. Целая отрасль промышленности, занятая ожижением атмосферного воздуха, ставит перед собою другую задачу — получение кислорода. Для этого главным образом и работают многочисленные установки глубокого холода во всех странах мира.

ПОЛУЧЕНИЕ ЧИСТОГО КИСЛОРОДА

Читатель помнит, что азот и кислород, входящие в состав атмосферного воздуха, имеют различную температуру кипения. Жидкий азот начинает кипеть и испаряться уже при температуре около 196 градусов ниже нуля, в то время как температура кипения кислорода на 13 градусов больше, и он начинает испаряться из жидкой воздушной смеси позже, чем азот. Поэтому пары кипящего жидкого воздуха всегда содержат больше азота, чем сама испаряющаяся жидкость. Благодаря преимущественному испарению азота состав жидкого воздуха непрерывно меняется. Содержание кислорода в нем увеличивается. Жидкость обогащается кислородом.

Однако при простом испарении получить чистый кислород и целиком избавиться от азота, не удается: азот остается даже в последней капле испаряющегося жидкого воздуха. А для многих процессов в науке и промышленности необходимо иметь чистый кислород. Поэтому перед учеными была поставлена задача наиболее полного разделения воздуха на кислород и азот. И эта задача была успешно решена.

Ученые проделали такой опыт. В сосуд, наполненный жидким воздухом (рис. 8), они погрузили стеклянную трубку и начали пропускать через нее газообразный кислород.

Рис. 8. Газ, выделяющийся при пропускании кислорода через жидкую воздушную смесь, тушит спичку. Это — азот.

Пузырьки газа поднимались вверх и собирались в пробирку. Каково же было удивление исследователей, когда горящая спичка, внесенная в пробирку с собранным газом, мгновенно погасла! В пробирке оказался азот, не поддерживающий горения. Как же это произошло? Почему пузырьки кислорода неожиданно превратились в азот?

Виной всему оказалась разница в температурах ожижения азота и кислорода. Газообразный кислород, попадая в жидкость с температурой более низкой, чем температура его испарения, сам превращается в жидкость. При этом за счет поступившего с ним тепла из жидкой воздушной смеси испаряется некоторое количество азота, покидающего жидкость в виде пузырьков газа. Это интересное явление и привело ученых к созданию так называемого ректификационного аппарата — специального устройства для разделения жидкого воздуха.

Ректификационный аппарат представляет собою высокую металлическую колонну, снабженную большим количеством специальных тарелок с сетками или колпачками. Схема действия такой колонны с сетчатыми тарелками представлена на рисунке 9.

Рис. 9. Схема действия ректификационного аппарата — специального устройства для разделения жидкого воздуха.

Каждая тарелка снабжена сливным стаканом, по которому жидкость переливается с верхней тарелки на нижнюю. Пары испаряющегося жидкого воздуха, содержащие азот и кислород, поднимаются вверх. При этом они свободно проходят через мельчайшие отверстия сеток, препятствуя жидкому воздуху стекать через эти отверстия. Кислород, содержащийся в парах, постепенно конденсируется. Вследствие этого на тарелках накапливается жидкость, излишек которой стекает вниз через сливные стаканы.

Чем длиннее путь пузырьков пара сквозь жидкость и чем больше тарелок вмещает ректификационная колонна, тем чище получится азот, выходящий из ее верхней части, тем меньше примесей будет содержать кислород, остающийся в жидком виде в нижней части колонны. Поэтому современные колонны для разделения воздуха представляют собою высокие сооружения — в 5–6 и более метров; они снабжаются десятками тарелок.

Специальные устройства в ректификационном аппарате позволяют не только разделять жидкий воздух на азот и кислород, но и отделять от воздушной смеси еще одну важную составляющую часть — аргон. Этот газ широко используется для наполнения электрических ламп, а также в других отраслях промышленности.

Современные разделительные аппараты дают возможность получать газ, содержащий до 99,9 процента азота, и кислород почти такой же чистоты.

КИСЛОРОДНЫЕ ТАНКИ

При обычном атмосферном давлении температура жидкого кислорода лишь на 9 градусов выше температуры жидкого воздуха. Поэтому все сосуды, предназначенные для хранения жидкого воздуха, с неменьшим успехом могут быть использованы и для жидкого кислорода.

Жидкий кислород применяется более широко, чем жидкий воздух. Приходится хранить и перевозить десятки тонн жидкого кислорода. Сосуды, в которых сохраняются и перевозятся небольшие количества жидкого воздуха, здесь уже неудобны. Их заменяют специальные «танки».

Основной частью танка является сосуд, обычно шарообразной формы, изготовленный из латуни. Этот пустотелый шар подвешивается на цепях внутри кожуха, сваренного из листового железа. Пространство между латунным шаром и кожухом заполняется веществом, плохо проводящим тепло, — шлаковой ватой или углекислой магнезией.

Жидкий кислород при хранении в шаре танка постепенно испаряется. Если шар плотно закрыть, давление в танке будет непрерывно возрастать и в конечном счете приведет к разрыву сосуда. Чтобы этого не случилось, верхняя часть кислородного танка снабжена особой трубкой, по которой испаряющийся кислород удаляется в атмосферу или направляется в специальные хранилища — газгольдеры.

Каждый кислородный танк снабжается указателем уровня жидкости и манометром, с помощью которого можно следить за давлением во внутреннем сосуде. Однако этого мало. В танке есть предохранительный клапан. Если давление в танке станет больше определенного, клапан автоматически открывается и выпускает часть газа в атмосферу.

Но и этим не ограничиваются предохранительные устройства в кислородных танках. Обычно танки снабжаются еще предохранительной мембраной. Если давление во внутреннем сосуде танка превысит нормальное на полторы-две атмосферы, а клапан почему-либо не открывается, мембрана разрывается и тем самым предотвращает, казалось бы, неминуемую аварию.

Кислородные танки строят самых различных размеров. Они могут вмещать от нескольких десятков килограммов до нескольких десятков тонн жидкого кислорода.

Танки применяются не только для хранения, но и для перевозки жидких газов. Они устанавливаются на площадки грузовых автомобилей или на железнодорожные платформы (рис. 10).

Рис. 10. Транспортный танк, установленный на автомобиле, наполняется жидким кислородом.

В транспортных танках жидкий кислород можно перевозить на большие расстояния. Конечно, в пути часть кислорода испаряется. Исправный, вмещающий одну тонну жидкого кислорода танк за час обычно теряет не более 3–4 килограммов кислорода. Однако в некоторых случаях испаряющийся кислород удается улавливать. Специальные компрессоры нагнетают испаряющийся газ в небольшие стальные баллоны.

Наполнить танк жидким кислородом исключительно просто. Проследим эту работу на кислородном заводе.

Вот на завод прибывает грузовик с пустым танком. С помощью гибкого шланга пустой транспортный танк соединяется с танком, в котором хранится кислород. Поворотом вентиля плотно закрывается труба, соединяющая внутренний сосуд танка с атмосферой. Испаряющийся кислород не находит себе выхода. Давление в верхней части танка увеличивается. Расширяющийся газ давит на жидкость и заставляет ее перетекать по шлангу в пустой танк. Для того чтобы заполнить полуторатонный транспортный танк жидким кислородом, требуется не больше 10–15 минут. После этого шланг снимается, и кислород направляется к своему потребителю.

Кто же и для каких целей использует эту холодную светло-голубую жидкость?

ОКСИЛИКВИТЫ

Читателю, вероятно, известен такой опыт. Тлеющая лучина, введенная в сосуд с газообразным кислородом, вспыхивает ослепительно ярким пламенем и быстро сгорает. Кислород активно поддерживает горение. Если поджечь спичкой кусок угля, дерева или ваты, пропитанный жидким кислородом, пламя будет еще ярче.

В обычных условиях жидкий кислород очень быстро испаряется. При этом каждый литр жидкости превращается почти в 800 литров газообразного кислорода. В атмосфере чистого кислорода углерод и вещества, богатые углеродом, сгорают почти мгновенно, как порох, образуя большое количество газообразных продуктов горения. И если такое сжигание вести в закрытом сосуде, то давление очень быстро возрастет, произойдет огромной силы взрыв, и сосуд разлетится на мелкие куски.

Таким образом, пористые горючие вещества, пропитанные жидким кислородом, обладают способностью взрываться. Эти вещества называются оксиликвитами. Оксиликвиты дают взрыв такой же силы, как и динамит.

В Советском Союзе оксиликвиты применялись еще в годы первой сталинской пятилетки при строительстве Днепровской гидроэлектрической станции, а также при разработке залежей апатитов в Хибинах, на Коунрадских медных рудниках и на других горно-рудных предприятиях. В годы Великой Отечественной войны оксиликвиты заменяли на отдельных рудниках обычные аммиачно-селитренные взрывчатые вещества. Это позволило дать фронту больше взрывчатки, столь необходимой для разгрома врага.

Как же используют кислород при взрывных работах в горно-рудной промышленности?

СОЛОМА, КОТОРАЯ МОЖЕТ ВЗРЫВАТЬСЯ

Основой оксиликвита является поглотитель — какое-нибудь пористое вещество, содержащее много углерода и способное впитывать жидкий кислород. Особенно ценный поглотитель — сажа. Она содержит до 99 процентов чистого углерода и способна впитать в себя жидкого кислорода больше, чем любое другое вещество. Очень хорошо поглощают жидкий кислород древесный уголь и опилки. Для изготовления оксиликвитов можно брать также и солому, сено, сухой камыш, таежный торф-сфагнум.

Вещество-поглотитель предварительно измельчают и тщательно перемешивают в особых вращающихся металлических барабанах. Тогда поглотитель становится однородным, а это повышает его взрывные свойства. Когда смесь станет достаточно мелкой и однородной, она поступает к набивочным станкам. В этих станках поглотителем наполняются бумажные или картонные гильзы. Часто оболочкой для поглотителей вместо бумаги служит дешевая ткань.

Если поглотитель готовится из соломы или древесины, его просто спрессовывают в брикеты.

Незадолго до начала взрывных работ, когда во взрываемых породах уже проделаны ряды глубоких отверстий — скважин, рабочие приступают к пропитке патронов жидким кислородом. Патроны с поглотителем помещаются в термосы — специальные сосуды с двойными стенками, между которыми находится слой вещества, плохо проводящего тепло. Затем термосы наполняются жидким кислородом.

Разница в температурах кислорода и поглощающего вещества сначала очень велика, и жидкий кислород бурно кипит и испаряется. Когда температуры выравняются, жидкость начнет проникать во все поры поглотителя, и патроны сделаются тяжелыми, твердыми и очень холодными. К таким патронам уже нельзя прикасаться незащищенной рукой — может произойти сильное обморожение. Оксиликвиты вынимаются из термоса особыми щипцами или крючьями.

В специальные отверстия, заранее сделанные в патронах, вставляются капсюли или электрические детонаторы, и оксиликвиты осторожно опускаются в скважины.

Проворно работают взрывники-оксиликвитчики. В их распоряжении немного времени. Жидкий кислород быстро улетучивается из патронов и их взрывные свойства постепенно ослабевают. Срок «жизни» оксиликвита невелик. Маленькие патроны теряют способность взрываться уже через 15–20 минут после пропитки. «Жизнедеятельность» больших оксиликвитных патронов измеряется несколькими часами.

Но вот зарядка скважин закончена. Сеть электрических проводов соединяет их между собой. Сигнал. Рабочие удаляются в безопасный блиндаж. Еще сигнал и затем легкий нажим кнопки.

Взрыв огромной силы сотрясает воздух. На десятки метров в стороны летят куски породы и грунта. Земля открывает свои недра. Через несколько минут к месту взрыва подходят экскаваторы, и начинается разработка ценных ископаемых.

Огромное количество скважин взорвано на рудниках всех стран мира с помощью оксиликвитов. Область их применения непрерывно расширяется. И это не случайно. Использование оксиликвитов часто оказывается значительно более выгодным, чем применение обычных взрывчатых веществ.

Оксиликвиты дешевы. Их можно изготовлять из подручных местных материалов. Взрывные работы с помощью оксиликвитов обходятся вдвое дешевле, чем с помощью такого недорогого взрывчатого вещества, как аммонал. Для получения одного килограмма оксиликвита расходуется полтора-два килограмма жидкого кислорода. А для получения такого количества жидкого кислорода нужно всего около четырех киловатт-часов. Столько энергии потребляет за 10 часов обычная электроплитка.

Хранение патронов-поглотителей и их перевозка, так же как и перевозка жидкого кислорода, абсолютно безопасны. Взорваться может только пропитанный кислородом патрон. Но как только кислород из патронов испарится, они опять становятся безопасными. Это обстоятельство выгодно отличает оксиликвиты от других взрывчатых веществ.

При горно-взрывных работах взрывчатым веществом заряжается много скважин. После того как произошел взрыв, почти невозможно установить, все ли патроны взорвались. Бывают случаи, когда невзорвавшиеся сразу заряды аммонала взрываются во время работы экскаватора при уборке руды. При работе с оксиликвитами такой опасности нет. Невзорвавшиеся оксиликвиты быстро теряют свою взрывную силу и становятся совсем неопасными.

Кроме того, применение оксиликвитов не требует дальних перевозок больших количеств твердых взрывчатых веществ. Оксиликвиты могут производиться прямо на месте горно-рудных разработок. Вблизи всегда найдется для них сырье: древесина, уголь, солома, торф, а жидкий кислород можно подвозить тоннами в специальных железнодорожных цистернах или получать на месте из воздуха.

Однако это еще не все. Оксиликвиты сохранят нам немало ценных химических продуктов (например, селитру), которые необходимы для получения сельскохозяйственных удобрений и незаменимы в других отраслях народного хозяйства.

КАК ЖИДКИЙ КИСЛОРОД СНОВА ПРЕВРАЩАЮТ В ГАЗ

Мы рассмотрели несколько примеров применения жидкого кислорода. Однако еще больше промышленность нуждается в газообразном кислороде.

Газообразный кислород можно получать непосредственно на установках глубокого холода. Но не во всех случаях это бывает выгодно. Часто потребители предпочитают привозить жидкий кислород с кислородного завода и уже на месте потребления превращать его в газ.

Возьмем, например, весьма распространенную в промышленности сварку и резку металлов. Газообразный кислород поступает к месту сварочных работ в специальных баллонах. Объем такого баллона не превышает обычно 40–60 литров. Чтобы поместить в баллоне возможно больше газообразного кислорода, последний сжимают до 150 атмосфер. При таком давлении 40-литровый баллон вмешает уже шесть кубических метров газообразного кислорода.

Баллоны для перевозки сжатых газов должны быть очень прочными. Они делаются из массивных стальных труб, изготовленных без шва. Сталь для труб должна быть высокого качества, и баллоны эти обходятся очень дорого. Пустой 40-литровый баллон весит около 80 килограммов — в 9 раз больше, чем помещаемый в него газ. Представьте себе, что кислород нужно перевозить на значительные расстояния. Здесь-то и скажутся преимущества жидкого кислорода.

Тысяча кубометров газообразного кислорода весит менее полутора тонн. Чтобы вместить столько газа, потребуется 167 баллонов общим весом в… 13 тонн. Для перевозки их придется занять целую железнодорожную платформу или 9 грузовиков-полуторатонок.

Другое дело — перевозка жидкого кислорода. Полторы тонны его свободно помещаются в легком резервуаре объемом всего в 1300 литров и перевозятся одним грузовиком.

Однако экономией на перевозке преимущества жидкого кислорода не ограничиваются. Жидкий кислород не содержит влаги, которая обычно есть в газе. Отсутствие влаги значительно улучшает качество сварочных работ, для которых используется кислород.

Правда, перевозка жидкого кислорода тоже не свободна от недостатков. Жидкий кислород непрерывно испаряется. Однако с этим недостатком можно бороться. Цистерны для жидкого кислорода снабжаются компрессорами, которые накачивают испаряющийся газ в баллоны. Но даже в тех случаях, когда жидкий кислород просто испаряется в атмосферу, перевозить его на дальние расстояния гораздо выгоднее, чем газообразный.

Как же жидкий кислород снова превращают в газ? Для этого применяются особые аппараты — газификаторы. Жидкий кислород, налитый в резервуар такого аппарата, быстро испаряется и под давлением в 10–15 атмосфер идет по трубам к месту сварки.

Существуют специальные газификаторы, в которых давление испаряющегося газа повышается до 150 атмосфер. Эти газификаторы служат для быстрого наполнения кислородом знакомых нам баллонов.

«ОГНЕННЫЙ ВОЗДУХ» ИЗ … ВОДЫ

170 лет назад ученые впервые обнаружили любопытное явление: если через ванну с подкисленной водой пропускать электрический ток, то у погруженных в воду металлических пластинок, к которым подводится ток, возникают пузырьки каких-то газов. Этот процесс был назван электролизом, то-есть разложением с помощью электричества.

Оказалось, что при электролизе вода разлагается на свои составные части — кислород и водород. При этом кислород выделяется на положительном электроде — пластинке, а водород — на отрицательном.

Долгое время электролиз воды не использовался на практике. Единственным источником электрической энергии были в то время гальванические элементы, и ток стоил дорого. Лишь в конце прошлого века, когда была изобретена динамомашина, дающая огромные количества дешевой электрической энергии, электролиз воды стал применяться для получения водорода и кислорода. Делается это так.

В большую ванну-электролизер наливают воду, к которой прибавляется немного кислоты или щелочи. Такая добавка увеличивает электропроводность воды. К металлическим пластинкам, опущенным в воду, подводится постоянный ток от аккумулятора или электрической сети.

Над пластинками помещаются специальные сосуды для улавливания водорода и кислорода (рис. 11).

Рис. 11. Схема устройства электролизера — аппарата для разложения воды электрическим током.

В последнее время строятся установки для электролиза воды, работающие под высоким давлением — до 200 атмосфер. Газы, полученные на таких установках, сразу поступают в баллоны, не требуя дополнительного сжатия.

Однако такой способ получения кислорода связан с большим расходом электрической энергии. Чтобы получить 1 кубический метр кислорода, нужно затратить 10–12 киловатт-часов электрической энергии. Поэтому электролиз воды не применяют в тех случаях, когда требуется получать только один кислород. Зато этот способ широко используется там, где нужен чистый водород. В этом случае «огненный воздух» выделяется и используется как побочный продукт.

Особенно много электролизных установок работает в химической промышленности, где водород и кислород нужны для получения синтетического аммиака, идущего для производства удобрений и различных химических веществ. Кроме того они необходимы при изготовлении искусственных камней, прозрачного кварца, твердых, сплавов, электроламп и т. д.

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ОГНЕМ

Кислород особенно широко используется для сварки и резки различных металлов и сплавов.

Любое горючее вещество энергично сгорает в кислороде и выделяет при этом много тепла. И это вполне понятно: если какое-либо вещество сгорает в воздухе, много тепла бесполезно тратится на нагревание азота, а он, как мы знаем, составляет четыре пятых атмосферного воздуха. Другое дело, когда горение происходит в чистом кислороде. При этом гораздо больше выделяющегося тепла идет на повышение температуры пламени, и горение протекает быстро и полно.

При сжигании в чистом кислороде горючего газа — водорода, ацетилен или светильного газа — развивается огромная температура, выше 3 тысяч градусов! При такой температуре плавятся самые тугоплавкие металлы. Поэтому для сварки металлов применяют пламя кислородно-ацетиленовой горелки. Эта горелка состоит из двух трубок, заканчивающихся общим наконечником. Одна трубка соединяется с кислородным баллоном, а по другой подводится горючий газ. Чаще всего это — ацетилен, соединение углерода с водородом, получающееся при действии воды на особое химическое вещество — карбид кальция. Получается он прямо на месте сварки в так называемом ацетиленовом генераторе. Образующийся газ по шлангу идет в горелку (рис. 12).

Рис. 12. Схема действия установки для кислородно-ацетиленовой сварки.

Здесь же устанавливается и баллон с кислородом. Конечно, давление в 150 атмосфер, под которым заключен кислород в баллоне, слишком велико для работы. Поэтому его понижают до 3–4 атмосфер в специальном аппарате — редукторе.

Иногда ацетилен, так же как и кислород, подвозится в баллонах, сжатый до 15 атмосфер. Баллоны с разными газами имеют разную окраску. Это позволяет избежать путаницы при работе и легко найти баллон с нужным газом.

Как же идет газовая сварка? Пламя горелки направляется на свариваемое место. Под действием высокой температуры металлические поверхности быстро оплавляются и при остывании соединяются в одно целое. Обычно при сварке металлов применяется какой-нибудь присадочный материал. Это — металлическая пластинка или проволока, дающая при расплавлении добавочное количество металла для заполнения промежутка между свариваемыми предметами.

Кислород используют также и для резки металлов. Приспособление для резки металлов — резак — в отличие от сварочной горелки имеет дополнительный канал, через который подводится чистый кислород. Когда пламя газовой горелки раскалит небольшой участок поверхности металлического изделия, в резаке открывается канал и к раскаленному металлу идет узкая струя кислорода. В этой струе металл плавится и быстро сгорает, а часть его выдувается, образуя тонкую и узкую щель, разделяющую кусок металла на две части. Даже большие стальные бруски толщиною в 1 метр легко перерезаются струей «огненного воздуха».

Существуют газорезные машины, разделяющие на части огромные стальные слитки и вырезающие из металлического листа изделия различной формы. Многие из таких машин работают совершенно автоматически. Они дают сотни одинаковых деталей, не требуя за собою непрерывного наблюдения.

Кислородной струей можно и очищать поверхности металлических изделий. Слитки стали нередко имеют на своей поверхности загрязнения шлаком, неглубокие трещины и т. д. При дальнейшей обработке слитка эти изъяны могут привести к неисправимой порче получаемых из него изделий. До последнего времени эти изъяны удалялись путем вырубки части наружного слоя пневматическими зубилами. Это была весьма тяжелая работа, требующая большого физического труда.

Сейчас и здесь на помощь приходит кислород. Место изъяна в стальном слитке сначала нагревается пламенем кислородно-ацетиленовой горелки, а затем в струе чистого кислорода поверхностные слои металла сгорают, и от наружного порока слитка не остается и следа.

Огневая зачистка кислородом используется также и для предварительной обработки слитков высококачественной инструментальной стали. Такие слитки, прежде чем поступить в обработку на прокатных станах или ковочных прессах, обычно подвергаются обработке на металлорежущих станках — обдирке. На токарных или строгальных станках с поверхности слитков снимается более или менее толстый слой металла.

Кислород «обдирает» слиток гораздо быстрее станка. Уже начали применяться для этого специальные машины — самоходные тележки с рядами горелок-резаков. Передвигаясь вдоль слитка, такая машина сразу срезает необходимый слой металла по всей его ширине.

Наиболее сложные и интересные многопламенные резаки обдирают огромные стальные заготовки при их обработке на больших прокатных станах — блюмингах. Нагретая добела стальная болванка, прежде чем поступить под вращающиеся валки блюминга, охватывается со всех сторон десятками кислородных струй резаков. В одну минуту они зачищают до 20 погонных метров болванки.

На современных заводах кислородная сварка и резка все чаще заменяет штамповку, отливку и даже механическую обработку металлов на станках. При этом очень быстро получаются изделия высокого качества, а отходы металла незначительны.

СОКРОВИЩА СО ДНА МОРЕЙ И РЕК

На дне морей и рек лежит много металла. Немало больших и малых кораблей было потоплено в годы войны, сотни стальных мостов были взорваны врагом. Они загромождают русла рек и загораживают вход в бухты и заливы.

Еще не успели отгреметь последние выстрелы на полях сражений, как в нашей стране уже началась большая восстановительная работа. Советские люди неутомимо работают над тем, чтобы поднять затонувшие корабли и ввести их в строй, а те из них, которые явно устарели или не могут быть исправлены, переплавить для будущих сооружений. Много труда приходится затратить и для разборки сложных мостовых ферм, упавших в воду. Во всех этих работах на помощь человеку опять приходит чудесный «огненный воздух», разрезающий металлы под водой.

Как же идет под водой этот процесс? Почему вода, способная погасить огромный пожар, оказывается беспомощной перед крохотным факелом пламени кислородного резака?

Каждый знает, что вода и воздух — вещества совершенно различные. Вода в 850 раз плотнее воздуха. Ясно, что струя газов, вытекающая из сопла горелки, встретит в воде огромное сопротивление. Вода проводит тепло в 25 раз лучше, чем воздух. Поэтому нагретый предмет охлаждается в воде значительно быстрее, чем на воздухе. Наконец, вода поглощает тепла в 4 раза больше, чем равное ей по весу количество воздуха. В воде нельзя получить нормальное и устойчивое открытое пламя и нагреть поэтому погруженный в нее металлический предмет — задача нелегкая. Как же ученым удалось ее решить?

Первые горелки для кислородной резки под водой окружались специальной коробкой с отверстиями для удаления продуктов горения и с отодвигающейся крышкой. Коробка с горелкой погружалась в воду и прижималась к разрезаемому металлу. Затем крышка коробки открывалась, и пламя нагревало металл. Чтобы вода не проникала в коробку и не гасила пламя, в нее непрерывно подавался сжатый воздух, надежно защищавший ярко горящий факел от воды.

Вскоре оказалось, что коробка не является необходимой для подводной резки металлов. Появились специальные кислородные резаки, создающие защитный воздушный пузырь вокруг факела пламени и места разреза.

На борту небольшого судна водолазы готовятся к работе. Уже собрана установка для подводной резки, проверена полная герметичность всех шлангов и соединений. Водолаз-резчик, одев свой костюм — скафандр, берет в руки резак и опускается в воду.

Обычно резак зажигается еще до его погружения. Однако его можно зажечь и под водой. Для этого применяют металлический натрий или специальные порошки фосфористых соединений кальция, которые способны гореть в воде. В нужный момент при соприкосновении с водой эти порошки самовоспламеняются и зажигают горелку резака. Чаще для зажигания резака под водой используется вспомогательная газовая горелка, спускаемая в воду уже в зажженном состоянии. Наконец, этой же цели могут служить электрические зажигалки, дающие под водой электрическую искру, достаточную для воспламенения выходящей из резака горючей смеси.

Но вот водолаз подошел к месту работы. Перед ним стальная ферма взорванного моста. Он устанавливает резак на край разрезаемой металлической балки и начинает подогревать металл. Проходит несколько секунд. Возле места разреза появляются небольшие искры. Наступил момент для открытия вентиля режущего кислорода. И вот острая струя «огненного воздуха» устремилась к металлу. Место разреза вспыхивает ярким светом и окружается снопом искр. Медленно и равномерно передвигает водолаз свой режущий инструмент и разделяет на части стальные конструкции моста, перепутанные силой взрыва. Затем они извлекаются на поверхность и идут либо для новой стройки, либо направляются в переплавку. Река освобождается для судоходства.

Так кислород помогает извлекать со дна морей и рек тысячи тонн нужного стране металла.

САМОЕ «УДОБНОЕ» ТОПЛИВО

Одним из наиболее важных материалов, без которых не может обойтись человек, является топливо. Уголь и нефть приводят в движение паровозы и корабли, кокс необходим для выплавки чугуна. Энергия, заключенная в угле, нефти, торфе, превращается на электростанциях в энергию электрического тока, с помощью которого освещаются наши жилища, работают многочисленные станки и механизмы.

Не нужно быть большим специалистом в области энергетики, чтобы понять, что из трех видов топлива: твердого, жидкого и газообразного, последнее является самым удобным для использования. Действительно, твердое топливо нужно подвозить и загружать в печь. При горении оно дает большое количество золы; ее необходимо извлекать из печи и вывозить из котельной. Жидкое горючее обладает большими преимуществами. Нефть можно подводить по трубам и впрыскивать в печь через специальные форсунки. Но жидкое топливо — наиболее дорогой вид горючего. Из нефти можно получить бензин, керосин и другие очень ценные вещества, и переработка нефти приносит больше пользы, чем сжигание ее для отопления. Но обратимся к природному горючему газу. Газ тоже можно передавать по трубам. В печи он горит ровно и сгорает целиком, не оставляя золы, не выделяя дыма и копоти. Газовое пламя очень легко регулировать простым поворотом крана. Горючий газ можно предварительно подогревать отходящими из печи газами. Тогда при горении он даст еще больше тепла.

Все эти преимущества газообразного топлива давно заставили ученых и изобретателей заняться изысканием способов превращения твердого топлива в горючий газ. Их работы увенчались успехом. Ныне газификация каменного угля, дерева, торфа и других видов твердого топлива уже освоена техникой.

В последнее время газообразное топливо получает все более широкое применение, вытесняя другие виды горючего. Газом отапливаются печи, в которых выплавляется высококачественная сталь. Многие крупные машиностроительные заводы целиком работают на газообразном топливе, полученном из торфа, сланцев или низкосортных углей. Горючий газ, добытый из древесных чурок в небольших газогенераторах, приводит в движение автомобили и тракторы, сохраняя много ценного бензина. В крупных городах газ широко применяется для отопления зданий, кухонных плит и для других бытовых целей. Наконец, из горючего газа можно получить искусственное жидкое топливо — синтетический бензин.

В чем же заключается газификация твердого топлива? Каким образом куски каменного угля или торфа удается превратить в горючий газ?

КАК ИЗ УГЛЯ ПОЛУЧАЕТСЯ ГОРЮЧИЙ ГАЗ

Каждый из наших читателей не раз сидел у горящей печи или у костра, наблюдая за тем, как пламя пожирает поленья дров. Дерево сгорает, выделяя тепло. Весь углерод, содержащийся в топливе, соединяется с кислородом воздуха, образуя углекислый газ.

Но совсем другое происходит, если сжигание вести при весьма ограниченном доступе воздуха. В этом случае углерод полностью не сгорит. С кислородом воздуха он образует другое соединение, более бедное кислородом — окись углерода, газ, который сам может гореть. В этом, в сущности, и состоит газификация твердого топлива.

Для газификации топлива применяются особые аппараты — газогенераторы. Одни газогенераторы строятся для получения горючего газа из каменного угля, другие — для переработки сланцев, в третьих газифицируется торф. Познакомимся с устройством одного из газогенераторов, предназначенного для газификации угля.

Это — большой цилиндр, выложенный внутри огнеупорным кирпичом. Через верхнюю часть цилиндра — шахту — в газогенератор загружается уголь. Внизу аппарата находится вращающаяся колосниковая решетка, облегчающая удаление отходов от горения угля — шлаков. Снизу же подводится необходимое для горения дутье.

Газификацию можно вести на воздушном дутье. Однако в этом случае горючий газ будет содержать много азота. Как известно, азот не горит, не поддерживает горения и является вредным балластом, значительно ухудшающим качество горючего газа. Можно было бы вдувать в шахту чистый кислород. Но в этом случае в шахте развивается слишком высокая температура, и ход газификации нарушается. Поэтому, как правило, в газогенератор вместе с небольшим количеством воздуха или чистого кислорода вдувают водяной пар. Образующиеся при этом газы содержат новые горючие элементы: водород и соединения водорода с углеродом — так называемые углеводороды. Газ, богатый этими соединениями, горит так же хорошо, как природный газ или бензин, и дает много тепла.

При газификации твердого топлива часть скрытой в нем тепловой энергии безвозвратно теряется — ведь часть углерода сгорает полностью, образуя углекислый газ. Однако, несмотря на это, получение и использование газообразного топлива очень выгодно. Небольшие потери тепла при газификации с лихвой покрываются удобствами применения горючего газа. Поэтому-то пятилетний план восстановления и развития народного хозяйства СССР на 1946–1950 годы предусматривает большое развитие газификации твердого топлива.

Превращение хотя бы части низкосортного угля или торфа на месте их добычи в горючий газ и передача этого газа по трубам к потребителям позволяют значительно разгрузить железнодорожный транспорт от перевозок больших количеств твердого топлива и обеспечить наши города и промышленные центры высококачественным горючим, не дающим при сгорании ни золы, ни дыма, ни копоти.

ОДНА ИЗ ВЕЛИКИХ ПОБЕД ТЕХНИКИ

«Одна из великих побед техники» — так назвал В. И. Ленин свою статью, напечатанную в «Правде» в 1913 году и посвященную подземной газификации угля, то-есть добыче горючего газа прямо из каменноугольных пластов, находящихся глубоко в земле.

Блестящая идея подземной газификации принадлежит великому русскому химику, творцу знаменитой периодической системы элементов, Д. И. Менделееву. Более полвека назад Менделеев писал: «Настанет, вероятно, со временем такая эпоха, что угля из земли выламывать не будут, а там, в земле, его сумеют превращать в горючие газы и их по трубам будут распределять на далекие расстояния».

Немало ученых увлеклось мыслью о газификации угля под землей. Однако только в Советском Союзе эта замечательная идея была осуществлена практически.

Еще задолго до Великой Отечественной войны советские ученые провели большое количество опытов по получению горючего газа из зажженных под землей угольных пластов. Опытные станции подземной газификации угля были пущены в Донбассе, а также в Подмосковном угольном бассейне. Эти опыты, потребовавшие большого и напряженного труда, позволили установить, как идет в недрах земли невидимый и сложный процесс газификации угольного пласта, а затем перейти к практической работе по газификации.

Советские инженеры разработали так называемый поточный метод газификации. Он не требует тяжелого подземного труда и осуществляется так.

В земле с помощью механизмов для глубокого бурения делают два отверстия — выработки (рис. 13).

Рис. 13. Схематическое изображение станции подземной газификации угля. 1 — компрессоры, вдувающие под землю воздух, обогащенный кислородом; 2 — пласт угля; 3 и 5 — вертикальные выработки; 4 — горизонтальная выработка; 6 — скрубер — аппарат, в котором газ очищается от пыли и охлаждается; 7 — приборы управления; 8 — насосы для воды, подаваемой в скрубер; 9 — газопроводы.

Сначала эти отверстия минуют верхние, наносные слои земли — песок и глину. Затем они достигают угольного пласта и пронзают его насквозь. Под землей выработки соединяются между собою узким коридором, в котором и происходит газификация угля.

Угольный пласт зажигается опущенной под землю проволочной спиралью, раскаленной током. По одной из выработок с поверхности земли начинают вдувать воздух или, еще лучше, — кислород. Воздушный поток (поэтому, между прочим, этот способ газификации и называется поточным) омывает раскаленную нижнюю поверхность угольного пласта. Кислород соединяется с углеродом угля, образуя уже известный нам горючий газ — окись углерода.

Горючий газ поднимается по другой выработке на поверхность земли и поступает в специальный аппарат — скрубер, где он охлаждается и очищается от пыли. После этого газ по проложенным в земле трубопроводам направляется к потребителям.

Угольный пласт постепенно «выгазовывается». Выгазовывание идет по пласту, снизу вверх. На месте угольного пласта остается немного золы и свободное пространство, которое постепенно засыпается обвалившейся землей, прикрывавшей угольный пласт.

Специальные приборы, спущенные под землю и находящиеся на ее поверхности, позволяют постоянно следить за газификацией. Электрические пирометры в любой момент указывают температуру газифицируемой поверхности угольного пласта, а газоанализаторы точно устанавливают состав выходящего из недр земли горючего газа. По данным этих приборов технический персонал станции регулирует процесс, уменьшая или увеличивая количество кислорода, а иногда и водяного пара, вдуваемого под землю.

Фашистское нашествие временно приостановило работу наших основных станций подземной газификации, находящихся в Донбассе. Эти станции были разрушены врагом. Однако и в годы войны работа в области подземной газификации не прекращалась ни на минуту. Десятки миллионов кубических метров горючего газа выдала заводам станция «Подземгаз» в Подмосковном угольном бассейне.

Работа по дальнейшему совершенствованию подземной газификации угля продолжается. Перед народным хозяйством нашей страны открывается большое будущее. Ведь угольная промышленность, несмотря на механизацию многих трудоемких работ, требует огромных затрат человеческого труда. Добывая уголь, человек углубляется в землю на сотни метров, с помощью сложных машин он раздробляет угольный пласт, поднимает уголь на поверхность земли, очищает его, сортирует и развозит по всей стране. Немало угля при этом остается под землей. А многие угольные пласты и вовсе не разрабатываются, так как они слишком тонки: в них не могут разместиться для работы человек и его механизмы.

Газификация угля под землей освободит человека от тяжелого подземного труда, поможет избежать больших потерь при угледобыче и даст возможность использовать даже самые тонкие пласты угля.

Добыча газа из подземных угольных пластов потребует большого количества кислорода, ускоряющего процесс газификации и позволяющего получить полноценный горючий газ.

КИСЛОРОДНОЕ ДУТЬЕ В МЕТАЛЛУРГИИ

Кислород активно поддерживает горение. Значит, его целесообразно применять прежде всего в тех процессах, которые связаны с горением, с получением высоких температур. Таким процессом, помимо газификации твердых топлив, является производство чугуна, стали и многих других металлов. Использование кислорода в металлургии сулит настоящую техническую революцию в этой наиболее древней и наиболее важной отрасли промышленности. «Огненный воздух», поданный в домну или сталеплавильную печь, не только увеличит количество выплавляемого металла, но и позволит значительно упростить устройство металлургических агрегатов.

В металлургических печах, где выплавляются чугун и сталь, царят высокие температуры. Поэтому великий русский ученый Д. И. Менделеев назвал металлургию химией высоких температур. Кажется, ни одна отрасль промышленности не потребляет столько топлива и кислорода, сколько металлургия. Современный крупный металлургический завод, выпускающий в год один миллион тонн стали, требует два миллиона тонн угля и свыше трех миллиардов кубических метров кислорода.

До сих пор в металлургические печи вводится воздух. Но в воздухе азота в четыре раза больше, чем кислорода. Значит, вместе с тремя миллиардами кубометров кислорода через плавильные печи нашего завода пройдет не менее двенадцати миллиардов кубических метров азота. Этот азот является вредным балластом металлургического производства. Как много тепла необходимо затратить для бесполезного нагрева такого огромного количества азота! Если уменьшить количество азота, поступающего, например, в домну, то значительно возрастет температура в горне, быстрее будут выгорать примеси, скорее закончится выплавка металла.

Чтобы создать в доменной печи необходимую температуру, воздух предварительно подогревают до 700–800 градусов. Для этого мощные воздуходувные машины нагнетают воздух в громадные, высотой до 20 метров, башни — кауперы, стоящие возле каждой домны. По величине каждый каупер лишь немного уступает самой доменной печи. Кауперы, нагретые отходящими из домны газами, передают свое тепло воздуху. Выйдя из кауперов, горячий воздух по трубопроводам поступает в доменную печь.

Металлурги определили, что, вдувая в доменную печь воздух, в ней можно достигнуть температуры в 2000 градусов. Но если количество кислорода в дутье увеличить втрое, температура в домне возрастет до 3000 градусов и даже еще выше. Предварительное нагревание вдуваемого в печь воздуха становится ненужным даже тогда, когда он содержит 30 % кислорода.

Перед войной, в сентябре 1940 года, в СССР была пущена опытная доменная печь, работающая на дутье с увеличенным количеством кислорода. Печь давала до двухсот тонн чугуна в сутки, в 2–2,5 раза больше, чем обычная домна таких же размеров; вместе с тем сокращался расход топлива — кокса. Перед металлургией открылись, таким образом, новые блестящие перспективы. Появилась возможность не только резкого повышения производительности плавильных печей, но и значительного упрощения всех металлургических агрегатов.

Промышленность требует от металлургов не только обычный чугун, идущий для переработки в сталь или для производства литых изделий. Ей нужны и так называемые ферросплавы — чугуны специальных сортов. Они содержат больше кремния, марганца, хрома и других примесей, чем обычный чугун, и идут для выплавки специальных высококачественных сталей.

Получение некоторых ферросплавов в обычной доменной печи — дело крайне трудное. В домне нужно развить исключительно высокую температуру, а это приводит к огромному расходу топлива. Более того, отдельные сорта специальных чугунов (например, весьма важный для металлургии силикомарганец) вовсе не удавалось получить в доменной печи.

Кислород позволяет создать в домне любую практически необходимую температуру. Значит, работая на кислородном дутье, доменная печь будет выплавлять чугуны любых сортов и, кроме того, давать ценные тугоплавкие шлаки. А эти шлаки можно переработать в очень хороший строительный материал — портланд-цемент.

Один из побочных продуктов при работе домны — колошниковый или доменный газ. Он содержит около 30 процентов окиси углерода и поэтому является горючим газом.

Обычный доменный газ применяется для отопления кауперов и паровых котлов. По трубопроводам он направляется также и в сталеплавильные печи, но сжигается в них только в смеси с дорогим и ценным коксовым газом, получающимся при коксовании углей. Этим достигается необходимая для выплавки стали температура. Само собой разумеется, что если азота в дутье доменных печей будет меньше, то и выходящий из домны газ станет более ценным топливом. Поэтому колошниковый газ домны, работающей на кислородном дутье, явится прекрасным топливом для сталеплавильных печей. Он сможет пойти и для производства некоторых ценных химических продуктов. Такой доменный газ высвободит миллионы кубических метров коксового газа, которые целиком смогут быть использованы для получения искусственного жидкого топлива и других продуктов.

Не меньшие выгоды обещает применение кислородного дутья и при выплавке стали. Мартеновская сталеплавильная печь, работающая на кислороде, подобно домне, не потребует подогрева дутья. Самое сложное и дорогое устройство в современных мартеновских печах — громоздкие регенераторы, предназначенные для предварительного подогрева вдуваемого в печь воздуха, — станет ненужным. Кислородное дутье создаст в сталеплавильной печи необходимую температуру.

При кислородном дутье можно будет легко регулировать температуру в мартене: стоит только простым поворотом вентиля увеличить или уменьшить содержание кислорода в дутье.

Регенераторы современных мартеновских печей нагреваются за счет тепла отходящих из печи газов. Таким образом, значительная часть уходящего тепла возвращается в печь вместе с новыми порциями воздуха. Но как же удастся использовать огромное количество тепла, уносимое горячими газами из печи, работающей на кислородном дутье? Ведь регенераторы здесь не нужны.

Оказывается, решение этой задачи также под силу современной технике. Сталеплавильные печи, работающие на кислородном дутье, могут отдавать это тепло котельным установкам для производства пара, а пар всегда нужен любому заводу и для отопления и для приведения в действие ковочных молотов и других механизмов. Энергия пара может быть превращена в электрическую на заводской электростанции.

Подсчитано, что на каждую тонну стали, полученную в печи с кислородным дутьем, будет выработана тонна пара, а это весьма ощутимый вклад в энергетическое хозяйство металлургического завода.

Возможно, что применение кислорода в сталеделательной промышленности приведет к тому, что наши металлургические предприятия примут совершенно новый облик.

«Перспективы применения кислорода в металлургии, — говорит академик И. П. Бардин, — не воздушные замки, а крепости науки, которые надо взять. Но мы знаем, что нет таких крепостей, которых бы не взяла техника, вооруженная передовой наукой».

КИСЛОРОД В ПРОМЫШЛЕННОСТИ И В ЖИЗНИ

В этой книге мы могли остановиться лишь на отдельных примерах практического использования кислорода. На самом деле область применения «огненного воздуха» значительно шире.

Одной из важнейших задач техники наших дней является всемерное ускорение технологических процессов. Можно смело сказать, что подавляющее большинство процессов современной техники основано на использовании кислорода. Горение топлива в любой печи, работа двигателя внутреннего сгорания, многочисленные химические процессы немыслимы без кислорода. Во все эти процессы кислород чаще всего входит как составная часть атмосферного воздуха. При искусственном увеличении количества кислорода в воздухе процессы будут протекать гораздо быстрее.

Уже сейчас кислород с большим успехом применяется в химической промышленности. Это позволяет, например, значительно увеличить выход азотной кислоты и получать ее более крепкой. Опыты показывают, что тем же путем можно получить больше серной и фосфорной кислот, карбида кальция, соды и других важных химических продуктов.

В цветной металлургии применение кислорода может увеличить выпуск меди, никеля и других металлов. Металлургические печи на кислородном дутье дадут, по-видимому, возможность получать ценные алюминиевые сплавы без больших затрат электрической энергии.

Но кислород используется не только в промышленности. Он находит широкое применение в медицине и в авиации.

Существование живого организма без кислорода невозможно. Человеческий организм даже в состоянии покоя потребляет в минуту до 0,3 литра кислорода. Во время работы потребность в кислороде может возрасти в 10 и более раз.

Кислород уже давно применяется в медицине в качестве лечебного средства. Нарушения нормальной деятельности органов дыхания и кровообращения обычно сопровождаются так называемым «кислородным голоданием» организма. Больному не хватает кислорода. В этих случаях искусственно повышают количество кислорода в воздухе или дают возможность больному дышать чистым кислородом.

Наряду с широко известными «подушками», наполненными кислородом, в больницах оборудуются теперь специальные кислородные палаты — плотно закрывающиеся комнаты, в которых поддерживается нужное содержание кислорода. Иногда в лечебных учреждениях применяются разборные кислородные палатки.

Кислородное голодание возникает также у людей, опускающихся в глубины моря или поднимающихся на большие высоты. Оно сопровождается сильной головной болью, сонливостью, а иногда и потерей сознания. Сейчас, собираясь в высотный полет, летчики берут с собой специальные кислородные аппараты для дыхания. На высоте в 4,5–5 километров, когда кислорода в воздухе оказывается недостаточно, они одевают на лицо резиновую маску и дышат тем кислородом, который они захватили с собой в небольшом баллончике. Современные высотные полеты на самолетах и ракетопланах стали возможны лишь благодаря применению кислорода для дыхания экипажа.

* * *

Не прошло еще и сорока лет с тех пор, как в России, на Тентелевском химическом заводе впервые была пущена крохотная кислородная установка. Эта установка давала всего лишь 20 кубических метров кислорода в час. Перед Октябрьской революцией в царской России насчитывалось всего 18 таких установок. О сколько-нибудь серьезном практическом применении кислорода в промышленности тогда, конечно, не могло быть и речи.

За годы Сталинских пятилеток в нашей стране создана первоклассная машиностроительная промышленность. Мы освоили производство современных установок глубокого холода, позволяющих добывать жидкий кислород. Однако этими машинами не ограничивается механический парк нашей кислородной промышленности. Не всегда выгодно применять жидкий кислород. Ведь, вывозя его с кислородного завода, мы одновременно увозим огромное количество холода, для создания которого была затрачена электрическая энергия.

Поэтому наряду с установками жидкого кислорода применяют машины, дающие кислород сразу в газообразном виде, а такие машины потребляют гораздо меньше энергии.

Однако сделано еще не все. Для перевода на кислородное дутье доменных и сталеплавильных печей, химических и газовых заводов понадобятся мощные кислородные установки. Каждая из них будет вырабатывать в час десятки тысяч кубических метров дешевого «огненного воздуха». Над созданием таких установок работают советские конструкторы, и нет сомнения в том, что их труд увенчается успехом.

В будущем кислородные станции станут необходимой принадлежностью почти каждого предприятия. «Огненный воздух» осуществит настоящую техническую революцию в промышленности.

МЕТАЛЛО-ХИМИЧЕСКИЙ КОМБИНАТ БУДУЩЕГО

Помечтаем немного о будущем…

195… год. Наш автомобиль мчится по сверкающему асфальту загородного шоссе. По сторонам, в тени деревьев, мелькают красивые жилые здания. Машина быстро влетает на пригорок, и нашему взору неожиданно открывается панорама огромного завода. Веером расходятся от него ленты железных дорог. Крохотные электровозы тянут по ним длинные составы. Только это и оживляет картину. Сам завод кажется бездействующим. Не клубится дым над огромными башнями доменных печей, не слышно стука тяжелых молотов, обжимающих стальные болванки.

Мы въезжаем на территорию металло-химического комбината. Его сердце — кислородная станция (рис. 14).

Рис. 14. Так будет выглядеть металло-химический комбинат недалекого будущего. 1 — кислородная станция; 2 — рудный двор; 3 — доменные печи; 4 — здесь делается сталь; 5 — стан бесслитковой прокатки; 6 — газ, идущий для газовых турбин; 7 — цементный завод; 8 — газопровод; 9 — аммиачный завод; 10 — завод синтетического бензина; 11 — заводские теплицы.

Могучие турбокомпрессоры вращаются здесь с огромной скоростью, но почти бесшумно. Они подают сжатый воздух в кислородные установки, которые производят сотни тысяч кубических метров кислорода в час. Отсюда по трубам, проложенным в земле, кислород направляется к домнам, к сталеплавильным печам, в химические цехи.

Прибывает очередной состав с рудой и коксом. Его подают на разгрузочную эстакаду. Здесь вагоны автоматически опрокидываются, высыпая свое содержимое в бункеры. Широкие наклонные трубы связывают бункеры с верхней частью доменных печей. Ковши транспортеров непрерывно поднимают по этим трубам все новые порции шихты (руды и кокса).

Работой комбината руководит высококвалифицированный сменный инженер. Он и его помощники находятся в самом центре завода, в хорошо оборудованном помещении контрольной станции. Сюда протянуты сотни проводов от многочисленных измерительных приборов, установленных на металлургических агрегатах, на складах сырья и готовой продукции. В любой момент здесь известно, сколько сырья находится в бункерах, какая температура в распаре, заплечниках и других частях каждой доменной печи, сколько жидкого чугуна собралось в глинах, какой состав имеют доменные газы. Как только приборы контрольной станции отмечают хотя бы малейшее отклонение процесса от нормы, загорается сигнальная лампа. Сменный инженер, пользуясь громкоговорящим телефоном, передает в кабину управления соответствующего агрегата необходимое распоряжение.

Один раз в 3–4 часа из домен выпускается чугун. Он льется в поместительные сосуды — миксеры, а оттуда непрерывной струей идет в так называемый рафинировочный желоб. Здесь поток чугуна продувается кислородом, сюда добавляются вещества, облагораживающие сталь — хром, никель, молибден. Вредные примеси, содержащиеся в металле, выгорают, и жидкий чугун превращается в сталь.

Часть металла направляется дальше, на конвейер непрерывной разливки. Сталь заполняет формы и затвердевает в них. Другая часть жидкой стали идет по лотку, выложенному огнеупорным материалом, к стану бесслитковой прокатки. Проходя между вращающимися валками стана, сталь затвердевает и превращается в рельсы и балки.

Остывшие шлаки доменной печи размельчаются, засыпаются в мешки или бочки и отправляются на крупнейшие стройки страны. Это — строительный цемент.

Длинные трубопроводы, проложенные на стальных мачтах, связывают доменные печи с химическими и энергетическими цехами завода. Доменный газ приводит в движение газовые турбины на электрической и кислородной станциях комбината. Тот же газ идет на отопление жилых корпусов и заводских теплиц, где даже в зимние месяцы вызревают овощи.

Но основная масса доменного газа направляется в химические цехи комбината. Здесь газ превращается в синтетический спирт, в искусственное жидкое топливо, в аммиак. Несколько составов цистерн, наполненных этими ценными веществами, ежедневно увозятся из комбината.

Поздно вечером мы покидаем завод. Наступившая темнота скрывает деревья, растущие по обочинам дороги, и дачные поселки. Однако на шоссе светло, как днем. Оно освещается тысячами ярко горящих трубок.

— Это тоже наше производство, — говорит инженер, только что кончивший смену и направляющийся с нами в город. — Эти лампы наполнены криптоно-ксеноновой смесью. Криптон и ксенон — очень редкие газы. Они содержатся в воздухе в ничтожных количествах. Постройка специальных аппаратов для их выделения крайне невыгодна. Но мы добываем много этих газов попутно с кислородом, и наши лампы долговечны и берут мало электроэнергии.

Но вот и город. Мы долго делимся впечатлениями о замечательном заводе, работающем на чудесном «огненном воздухе». Мы вспоминаем славный и трудный путь, который прошли ученые и инженеры от небольших лабораторных установок до огромных кислородных машин, ставших сердцем гигантского комбината.

* * *

Такова картина металло-химического комбината, нарисованная нашим воображением. Этого комбината еще нет, но он будет, ибо в нашей стране советский народ, вдохновляемый и руководимый славной большевистской партией, неустанно трудится над созданием коммунистического общества, в котором все лучшие человеческие мечты становятся подлинной реальностью.

Content

Александр Фёдоров
ОГНЕННЫЙ ВОЗДУХ

ВВЕДЕНИЕ

В ЛАБОРАТОРИИ ВЕЛИКОГО УЧЕНОГО

КАК БЫЛ ОТКРЫТ КИСЛОРОД

В НЕОБЪЯТНОЙ КЛАДОВОЙ ПРИРОДЫ

КАК ПОЛУЧИТЬ КИСЛОРОД ИЗ ВОЗДУХА

НЕМНОГО ФИЗИКИ

ОБ ОДНОМ ПРОСТОМ, НО ВАЖНОМ АППАРАТЕ

ОЧИСТКА ВОЗДУХА

МАШИНЫ ГЛУБОКОГО ХОЛОДА

СБЕРЕЖЕНИЕ ХОЛОДА

ОТ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ — К НИЗКОМУ

ХОЛОДИЛЬНАЯ УСТАНОВКА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ

КАК УБЕРЕЧЬ ЖИДКИЙ ВОЗДУХ ОТ ИСПАРЕНИЯ

О НЕКОТОРЫХ СВОЙСТВАХ ЖИДКОГО ВОЗДУХА

МИЛЛИОННЫЕ ДОЛИ АТМОСФЕРЫ

ОБ ИНТЕРЕСНЫХ, НО МАЛО ПОЛЕЗНЫХ ПРОЕКТАХ

ПОЛУЧЕНИЕ ЧИСТОГО КИСЛОРОДА

КИСЛОРОДНЫЕ ТАНКИ

ОКСИЛИКВИТЫ

СОЛОМА, КОТОРАЯ МОЖЕТ ВЗРЫВАТЬСЯ

КАК ЖИДКИЙ КИСЛОРОД СНОВА ПРЕВРАЩАЮТ В ГАЗ

«ОГНЕННЫЙ ВОЗДУХ» ИЗ … ВОДЫ

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ОГНЕМ

СОКРОВИЩА СО ДНА МОРЕЙ И РЕК

САМОЕ «УДОБНОЕ» ТОПЛИВО

КАК ИЗ УГЛЯ ПОЛУЧАЕТСЯ ГОРЮЧИЙ ГАЗ

ОДНА ИЗ ВЕЛИКИХ ПОБЕД ТЕХНИКИ

КИСЛОРОДНОЕ ДУТЬЕ В МЕТАЛЛУРГИИ

КИСЛОРОД В ПРОМЫШЛЕННОСТИ И В ЖИЗНИ

МЕТАЛЛО-ХИМИЧЕСКИЙ КОМБИНАТ БУДУЩЕГО