Жидкий кислород

Жидкий кислород — это агрегатное состояние кислорода, представляющее собой подвижную криогенную жидкость голубого цвета, обладающую сильными окислительными свойствами. Является одним из наиболее распространённых и эффективных окислителей в ракетной технике, а также широко применяется в промышленности и медицине. Температура кипения жидкого кислорода составляет около −183 °C (90 К) при нормальном атмосферном давлении, температура затвердевания — около −218,8 °C (54,3 К). Критическая температура кислорода равна −118,6 °C (154,5 К), а критическое давление — 5,08 МПа.

Физические и химические свойства

Жидкий кислород представляет собой диамагнитную жидкость с характерным голубым цветом, обусловленным поглощением света в красной области спектра молекулами O₂. Цвет становится более насыщенным при увеличении толщины слоя. В тонких плёнках или при малых объёмах жидкость может казаться бесцветной или слабо-голубоватой.

Основные физические параметры при нормальном атмосферном давлении (101,325 кПа):

• Температура кипения: −182,96 °C (90,19 К)
• Температура плавления (затвердевания): −218,79 °C (54,36 К)
• Плотность при температуре кипения: около 1,141 г/см³ (легче воды)
• Плотность газообразного кислорода при 0 °C: 1,429 г/л
• Удельная теплота парообразования: 213 кДж/кг
• Удельная теплоёмкость жидкой фазы: около 1,7 кДж/(кг·К)

Жидкий кислород является сильным окислителем. Он энергично поддерживает горение, причём многие вещества, негорючие в обычных условиях (например, сталь, чугун, асбест), могут воспламеняться и гореть в атмосфере жидкого кислорода или в парах, обогащённых кислородом. Органические вещества (масла, жиры, древесина, текстиль) при контакте с жидким кислородом образуют взрывоопасные смеси. Попадание жидкого кислорода на кожу вызывает тяжёлые обморожения (криогенные ожоги), сходные с термическими.

В жидком кислороде хорошо растворяются некоторые газы, например, озон, что может приводить к образованию нестабильных и взрывоопасных озонокислородных смесей. При длительном хранении в жидком кислороде могут накапливаться примеси благородных газов (криптон, ксенон), а также углекислый газ, который вымерзает в твёрдую фазу.

Получение

Основным промышленным способом получения жидкого кислорода является криогенная ректификация воздуха. Процесс основан на сжижении предварительно очищенного и осушенного атмосферного воздуха с последующим разделением его на компоненты (кислород, азот, аргон) в ректификационных колоннах за счёт разницы температур кипения.

Технологическая схема включает следующие основные стадии:

1. Сжатие и очистка воздуха. Воздух засасывается из атмосферы, сжимается компрессором до давления 0,6–20 МПа, проходит через систему фильтров для удаления пыли, а затем через адсорберы (обычно с цеолитами) для очистки от углекислого газа и влаги.
2. Охлаждение и сжижение. Сжатый воздух охлаждается в теплообменниках (рекуператорах) за счёт встречного потока холодных газов, отходящих из ректификационной колонны. Для достижения криогенных температур используется эффект Джоуля — Томсона или детандерное расширение (в турбодетандерах). В результате воздух превращается в жидкость при температуре около −190 °C.
3. Ректификация. Жидкий воздух подаётся в нижнюю часть ректификационной колонны. В колонне происходит многократное испарение и конденсация, в результате чего азот (температура кипения −195,8 °C) концентрируется в верхней части и отводится в газообразном виде, а кислород (температура кипения −183 °C) накапливается в кубе колонны в жидком виде. Современные установки разделения воздуха (УРВ) позволяют получать жидкий кислород с чистотой 99,5–99,9 %.
4. Хранение и отгрузка. Полученный жидкий кислород сливается в криогенные резервуары (танки, цистерны) с вакуумно-порошковой изоляцией, которые поддерживают температуру содержимого ниже точки кипения. Для транспортировки используются специальные криогенные автоцистерны или железнодорожные цистерны.

Менее распространённые методы получения включают электролиз воды (побочный продукт при получении водорода) и химические способы (например, разложение перекиси водорода или хлоратов), однако их промышленное значение невелико.

Применение

Ракетное топливо

Жидкий кислород является одним из старейших и наиболее широко используемых криогенных окислителей в ракетных двигателях. В паре с жидким водородом (LH₂) он образует высокоэффективную топливную пару с удельным импульсом до 455 секунд в вакууме. Эта комбинация применялась в американских двигателях RS-25 (Space Shuttle) и RL10, а также используется в современных российских двигателях РД-0146 и европейских Vulcain. В паре с керосином (например, марки РГ-1 или Т-1) жидкий кислород обеспечивает удельный импульс около 330–350 секунд — эта пара применялась в ракетах «Восток», «Союз», «Энергия», а также в американских «Атлас» и «Сатурн-5» (первая ступень). Жидкий кислород также используется с метаном (например, в двигателях Raptor компании SpaceX) и с синтетическими углеводородными горючими.

Преимущества жидкого кислорода как окислителя: высокая эффективность, доступность, экологическая безопасность продуктов сгорания (вода и углекислый газ). Недостатки: низкая температура кипения, требующая криогенного хранения и заправки непосредственно перед стартом, а также высокая химическая активность, требующая тщательной очистки всех систем от масел и органики.

Промышленность

В металлургии жидкий кислород используется для интенсификации процессов выплавки стали (кислородно-конвертерный процесс), при котором в расплавленный чугун вдувается технически чистый кислород для окисления примесей (углерода, кремния, марганца). Также применяется в цветной металлургии и при газовой сварке и резке металлов (в смеси с горючими газами — ацетиленом, пропаном, водородом).

В химической промышленности жидкий кислород используется для получения азотной кислоты, перекиси водорода, оксида этилена, а также для окисления углеводородов в производстве спиртов, альдегидов и кислот.

Медицина

Жидкий кислород является исходным сырьём для получения медицинского газообразного кислорода, который применяется для дыхания при гипоксии, в наркозных аппаратах, в барокамерах и в реанимации. Криогенные кислородные концентраторы и системы централизованного кислородоснабжения в больницах часто используют жидкий кислород, хранящийся в стационарных криогенных резервуарах, что обеспечивает большой запас и высокую чистоту газа.

Другие области

• Взрывные работы: жидкий кислород используется в составе оксиликвитных взрывчатых веществ (смесь жидкого кислорода с пористым горючим наполнителем, например, древесной мукой, торфом или угольной пылью). Такие смеси обладают высокой бризантностью, но крайне нестабильны и опасны в обращении, поэтому в настоящее время практически не применяются.
• Научные исследования: жидкий кислород используется в криогенных лабораториях для охлаждения образцов и детекторов, а также в спектроскопии.
• Авиация и космонавтика: в системах жизнеобеспечения космических аппаратов (запас кислорода для дыхания экипажа) и в системах наддува топливных баков.

Хранение и безопасность

Хранение жидкого кислорода осуществляется в специальных криогенных резервуарах — сосудах Дьюара, стационарных танках или транспортных цистернах. Конструкция резервуара включает внутренний сосуд из коррозионно-стойкой стали, наружный кожух и слой вакуумно-порошковой изоляции (перлит, аэрогель) для минимизации теплопритока. Испарение жидкого кислорода неизбежно: в хорошо изолированных резервуарах скорость испарения составляет 0,1–0,5 % от объёма в сутки. Для сброса избыточного давления предусмотрены предохранительные клапаны.

Основные правила безопасности при работе с жидким кислородом:

• Категорически запрещается контакт с маслами, жирами, органическими растворителями, резиной, асбестом и другими горючими материалами — возможно самовоспламенение и взрыв.
• Обязательно использование средств индивидуальной защиты: криогенных перчаток, защитных очков или щитка, спецодежды без карманов (для предотвращения попадания жидкости).
• Помещения, где производится слив или хранение жидкого кислорода, должны быть оборудованы принудительной вентиляцией и газоанализаторами для контроля содержания кислорода в воздухе (повышение концентрации выше 23 % создаёт пожароопасную среду).
• Запрещается курение, использование открытого огня и искрящего оборудования в зоне обращения с жидким кислородом.

История

Впервые жидкий кислород был получен в 1877 году независимо друг от друга французским физиком Луи Полем Кайете и швейцарским инженером Раулем Пикте. Кайете получил жидкий кислород при охлаждении сжатого газа до −183 °C с последующим резким расширением. Однако в обоих случаях полученное количество было ничтожно малым и нестабильным.

Первый значительный объём жидкого кислорода (около 1 литра) был получен в 1883 году польскими учёными Зигмунтом Врублевским и Каролем Ольшевским в Ягеллонском университете (Краков). Они использовали метод каскадного охлаждения с помощью жидкого этилена и жидкого азота.

Промышленное производство жидкого кислорода стало возможным после разработки Карлом фон Линде в 1895 году процесса сжижения воздуха с использованием цикла Линде — Хэмпсона (дросселирование сжатого газа). Первая промышленная установка разделения воздуха была запущена в 1902 году в Германии.

Широкое применение жидкий кислород получил в годы Первой мировой войны для производства взрывчатых веществ. В 1930-х годах началось его использование в ракетной технике (работы К. Э. Циолковского, немецкие ракеты A-2, A-3, A-4/Фау-2). С 1950-х годов жидкий кислород стал стандартным окислителем для большинства жидкостных ракетных двигателей в СССР и США.

Источники

1. ГОСТ 5583-78 «Кислород газообразный технический и медицинский. Технические условия».
2. ГОСТ Р 55896-2013 «Кислород жидкий технический. Технические условия».
3. Фастовский В. Г., Ровинский А. Е., Петровский Ю. В. «Криогенная техника». — М.: Энергия, 1974.
4. Бармин И. В., Кузнецов В. И. «Криогенная техника: учебник для вузов». — М.: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2006.
5. «Liquid Oxygen» // Encyclopaedia Britannica, 2023.
6. Sutton G. P., Biblarz O. «Rocket Propulsion Elements». — 9th ed. — Wiley, 2016.