Назначение и область применения ксенона и его характеристика

Содержание.

 

 

Введение.

Химическое производство представляет собой сложную химико-технологическую систему, сложность которой определяется  наличием большого количества связей, элементов и подсистем, так и разнообразием решаемых задач.

Основной целью химического производства является получение целевого продукта заданного качества при минимальных затратах и с как можно меньшим количеством отходов. Для анализа химического производства необходима модель процесса, отражающая, в первую очередь связи между элементами и их взаимное влияние друг на друга. При производстве необходимо все – от расхода сырья, энергии, себестоимости продукции до вспомогательных материалов для обеспечения заданной производительности.

Химическая промышленность использует воздух в огромных количествах и для самых разнообразных целей. Это объясняется комплексом ценных свойств воздуха, доступностью, удобствами применения и низкой стоимостью его как сырья. Также применение атмосферного воздуха обусловлено его химическим составом.

Поэтому атмосферный воздух является единственным и важнейшим сырьем для промышленного получения различных газов – кислорода, азота, инертных газов, в том числе ксенона.

В данной курсовой работе анализируются различные способы производства инертного газа ксенона из атмосферного воздуха, подробно описывается наиболее эффективный из них. Рассматриваются пути использования побочных продуктов производства или  же способы утилизации отходов. Составляется модель процесса – материальный баланс производства инертного газа ксенона из атмосферного воздуха.

1. Назначение и область применения ксенона и его характеристика.

Ксенон, как и все инертные газы, состоит из одноатомных молекул, не имеет ни запаха, ни цвета, не горит и не поддерживает горение, не взрывоопасен, слабо растворяется в воде.

Как инертный газ он благороден, не вступает ни в какие химические реакции. Инертность Хе обусловлена насыщенностью внешней электронной оболочки, электронные конфигурации его предельно замкнуты и максимально прочны. Порядковый номер Хе — 54, молекулярный вес —131,29. Из особых свойств этого благородного газа можно выделить высокую плотность - при 0 °С и 1 атм она составляет 5,89 кг/м3, что в 4 раза выше, чем у воздуха и в З,2 раза выше, чем у N2О, а также низкую теплопроводность. Благодаря этому ксенон представляет большой интерес для электровакуумной техники, где он используется в производстве специальных типов осветительных ламп, радиоламп и других электронных приборов.

Ксенон находится в земной атмосфере в крайне незначительных количествах, 0.087±0.001 миллионной доли, а также встречается в газах, испускаемых некоторыми минеральными источниками. Некоторые радиоактивные виды ксенона, например, 133Xe и 135Xe, получаются как результат нейтронного облучения ядерного топлива в реакторах.

Несмотря на высокую стоимость, ксенон незаменим в ряде случаев. Ксенон используют для наполнения ламп накаливания, мощных газоразрядных и импульсных источников света (высокая атомная масса газа в колбах ламп препятствует испарению вольфрама с поверхности нити накаливания).

Радиоактивные изотопы ( 127Xe, 133Xe, 137Xe и др.) применяют в качестве источников излучения в радиографии и для диагностики в медицине, для обнаружения течи в вакуумных установках. Фториды ксенона используют для пассивации металлов.

Ксенон, как в чистом виде, так и с небольшой добавкой паров цезия-133, является высокоэффективным рабочим телом для электрореактивных (главным образом — ионных и плазменных) двигателей космических аппаратов. Он вводится в камеру, в ней, атомы газа сталкиваются с энергетически насыщенными электронами, что приводит к удаления дополнительных электронов в атомах, превращая их в положительные ионы.

После того, как ракета разгонится на ксеноновых двигателях, она сможет преодолевать около 8 миллионов километров в сутки, что в несколько раз больше, существующих на данный момент скоростей. Главное достоинство ксеноновых двигателей в том, что нужен всего один реагент – ксенон, в отличие от простых двигателей, использующих 2 реагента.

Ксенон применяют при изготовлении плазменных экранов. Им наполняют ячейки экранов. Чтобы экран начал работать в ячейку подается разряд, после чего газ меняет цвет и образуется картинка. Цвет газа зависит от пропорции инертных газов в этих ячейках.

С конца XX века ксенон стал применяться как средство для общего наркоза (достаточно дорогой, но абсолютно нетоксичный, точнее — не вызывает химических последствий — как инертный газ). Первые диссертации о техникоксенонового наркоза в России появились в 1993 г. В качестве лечебного наркоза ксенон эффективно применяется для снятия острых абстинентных состояний и лечения наркомании, а также психических и соматических расстройств.

Фториды и оксиды ксенона предложены в качестве мощнейших окислителей ракетного топлива, а также в качестве компонентов газовых смесей для лазеров.

В изотопе ксенон-129 возможно поляризовать значительную часть ядерных спинов для создания состояния с сонаправленными спинами — состояния, называемого гиперполяризацией.

Также ксенон используют для транспортировки фтора, проявляющего сильные окисляющие свойства.

Кроме этого данный инертный газ используется при производстве лазеров высокой точности.

Таким образом, ксенон – это еще до конца не познанное вещество, которое вероятно хранит тайны многих будущих открытий, но и сейчас он очень помогает во многих отраслях.

2. Характеристика сырья, материалов для производства продукта.

Атмосферный воздух – это газообразная оболочка Земли, высотой до 2000 км с постоянно убывающей концентрацией химически несвязанных и уникальных по своим свойствам компонентов. У поверхности Земли(до 40-60 км) состав воздуха не изменяется (без учета влаги, СО2 и углеводородов).

Воздух необходим для нормального существования подавляющего числа наземных живых организмов: кислород, содержащийся в воздухе, в процессе дыхания поступает в клетки организма и используется в процессе окисления, в результате чего происходит выделение необходимой для жизни энергии.

Физические свойства атмосферного воздуха представлены в таблице 1.

Таблица 1. Физические свойства атмосферного воздуха.

Параметр	Значение
Средняя относительная молярная масса	29,98 г/моль
Плотность при р=1 атм и t=20 0С	1,2047 кг/м3
Средняя удельная теплоемкость при р=const	1,066 кДж/(кг*К)
Средняя удельная теплоемкость при v=const	0,717 кДж/(кг*К)
Показатель адиабаты	1,40
Коэффициент динамической вязкости (при н.у.)	17,2 мкПа*с
Коэффициент теплового расширения (t=0 - 100 0C)	3,67*10-3 1/К

Содержание водяных паров (в виде пара и облаков) колеблется от сотых до нескольких десятых долей процента (всего около 15 км3, или 15*1012 т) и зависит от очень большого числа факторов. Учитывая это обстоятельство, а также то, что переработке подвергается предварительно осушенный воздух, его состав обычно определяется без учета водяных паров. Состав сухого атмосферного воздуха, соответствующий так называемому стандартному составу (принятому международным соглашением в 1947 г.) представлен в таблице 2.

Следует отметить, что в атмосферном воздухе содержится также целый ряд газовых примесей, концентрация которых подвержена сезонным и даже суточным изменениям, являющихся сложной функцией метеорологических условий, топографии местности и расположением крупных промышленных предприятий. Суммарное содержание в воздухе ацетилена и других легких(этан, пропан, этилен, пропилен и т.д.) и тяжелых углеводородов группы С5 – С7(изо- и н-пентан, 3-метилбутилен и т.п.) достигает 1*10-4 г/м3.

Таблица 2. Состав сухого атмосферного воздуха.

Компоненты	Объемная доля, %	Массовая доля, %
Азот N2	78,087	75,52
Кислород O2	20,95	23,15
Аргон Ar	0,93	1,282
Двуокись углерода CO2	0,03	0,046
Гелий He	5,24*10-4	0,72*10-4
Ацетилен и другие углеводороды C2H2	2,03*10-4	1,28*10-4
Метан CH4	1,5*10-4	0,8*10-4
Криптон Kr	1.14*10-4	3,3*10-4
Водород H2	0,5*10-4	0,035*10-4
Неон Ne	18*10-4	12,5*10-4
Ксенон Xe	0,08*10-4	0,36*10-4
Озон O3	0,01*10-4	0,01*10-4
Радон Rn	6*10-18	7*10-17

Кроме того, в воздухе иногда содержатся значительные количества аэрозолей, представляющих собой смесь сухих нерастворимых частиц (пыль) и капельки влаги или морского солевого раствора. Количество пыли в промышленных районах бывает весьма значительным. Общее количество производственной метеорной и вулканической пыли в атмосфере измеряется сотнями миллионов тонн.

В химической промышленности воздух применяют в основном как сырье, как реагент в технологических процессах, а также для энергетических целей.

Технологическое использование воздуха обусловлено как уже отмечалось выше, его химическим составом.

Воздух, применяемый в качестве реагента, подвергается, в зависимости от характера производства, очистке от пыли, влаги и контактных ядов. Для этого воздух пропускают через промывные башни с различными жидкими поглотителями (Н2О, щелочи, этаноламины и др.), мокрые и сухие электрофильтры, аппараты с влагопоглотительными сорбентами и пр.

Таким образом, атмосферный воздух, являясь самым доступным сырьем, требует перед охлаждением, снижением и разделением тщательной обработки с целью удаления влаги, двуокиси углерода, ацетилена и т.п.

Энергетическое применение воздуха связано, прежде всего, с использованием кислорода как окислителя для сжигания топлив с целью получения тепла и механической энергии в двигателях внутреннего сгорания.

Воздух используется также как хладоагент при охлаждении газов и жидкостей через теплообменные поверхности холодильников или в аппаратах прямого контакта (например, охлаждение воды в градирнях), при грануляции расплавов некоторых соединений (например, аммиачной селитры). В других случаях нагретый воздух используется как теплоноситель для нагрева газов или жидкостей.

В пневматических барботажных смесителях используют сжатый воздух для перемешивания жидкостей и пульпы, в форсунках -  для распыления жидкостей в реакторах и топках.

3. Эскизная схема.

На рисунке 1 изображена эскизная схема получения инертного газа – ксенона из атмосферного воздуха.

Рисунок 1. Эскизная схема промышленного получения ксенона из атмосферного воздуха.

4. Расчет материального баланса.

Поступающий в ректификационную колонну криптоно-ксеноновый концентрат содержит по объему 45,1% ксенона и 54,9% криптона. В результате разделения концентрата из аппарата выводится ксенон (концентрация 95 - 99,5) и криптон (концентрация 97 – 99,9%).

Количества поступающих в аппараты ксенона и криптона, в качестве криптоно-ксенонового концентрата равны количествам этих газов, отходящих из аппарата с продуктами разделения.

Введем следующие обозначения:

количество, м3:                                                                 

перерабатываемого криптоно-ксенонового концентрата………… Кк

получаемого ксенона………………………………………………… Кс

получаемого криптона………………………………………………. Кр

кубовой жидкости……………………………………………………. Ж

криптоновой флегмы………………………………………………… Ф

содержание криптона, объёмные (мольные) доли:

в получаемом ксеноне……………………………………………….  укс

в получаемом криптоне………………………………………………укр

в кубовой жидкости………………………………………………….. хж

в криптоновой флегме……………………………………………….. хф

Уравнение материального баланса нижней колонны имеет вид:

                                            Кк = Ж + Ф                                              (5.1)

Баланс нижней колонны по криптону:

                                      0,549Кк = Жхж + Фхф                                             (5.2)

Решая совместно эти уравнения, находим количество кубовой жидкости и криптоновой флегмы:

                                              ,                                            (5.3)

                                              ,                                            (5.4)

Уравнение материального баланса верхней колонны имеет вид:

                                                     Ж + Ф = Кр + Кс                                                       (5.5)

С учетом уравнения (8.1) получим:

                                           Кк = Кр + Кс                                                                      (5.6)

Баланс верхней колонны по криптону:

                                 0,549Кк = Кр*укр + Кс*укс                                      (5.7)

Отсюда количества ксенона и криптона, выходящих из ректификационной колонны, составят:

                                                                      

                                                                                                              (5.8)

                                                                             (5.9)                                 

Расход криптоно-ксенонового концентрата на 1м3 получаемого ксенона равен:

                                        .                                    (5.10)

С повышением концентрации выходящего из аппарата криптона уменьшаются потери ксенона. Производительность аппарата по ксенону увеличивается.