Где используется криптон и ксенон
Ксенон — элемент главной подгруппы восьмой группы, пятого периода периодической системы химических элементов, с атомным номером 54. Обозначается символом Xe (Xenon). Простое вещество ксенон (CAS-номер: 7440-63-3) — инертный одноатомный газ без цвета, вкуса и запаха. Открыт в 1898 году английскими учеными У.Рамзаем и У. Рэлей как небольшая примесь к криптону.
Происхождение названия
Распространённость
Ксенон относительно редок в атмосфере Солнца, на Земле, в составе астероидов и комет. Концентрация ксенона в атмосфере Марса аналогична земной: 0.08 миллионной доли, хотя содержание 129 Xe на Марсе выше, чем на Земле или Солнце. Поскольку данный изотоп образуется в процессе радиоактивного распада, полученные данные могут свидетельствовать о потере Марсом первичной атмосферы, возможно, в течение первых 100 миллионов лет после формирования планеты. У Юпитера, напротив, необычно высокая концентрация ксенона в атмосфере — почти в два раза выше, чем у Солнца.
Земная кора
Ксенон находится в земной атмосфере в крайне незначительных количествах, 0.087±0.001 миллионной доли (μL/L), а также встречается в газах, испускаемых некоторыми минеральными источниками. Некоторые радиоактивные изотопы ксенона, например, 133 Xe и 135 Xe, получаются как результат нейтронного облучения ядерного топлива в реакторах.
Определение
Качественно ксенон обнаруживают с помощью эмиссионной спектроскопии (характеристические линии 467,13 нм и 462,43 нм). Количественно его определяют масс-спектрометрически, хроматографически, а также методами абсорбционного анализа.
Физические свойства
Температура плавления −112 °C,температура кипения −108 °C,свечение в разряде фиолетовым цветом.
Химические свойства
Первый инертный газ, для которого были получены настоящие химические соединения. Примерами соединений могут быть дифторид ксенона, тетрафторид ксенона, гексафторид ксенона, триоксид ксенона.
Изотопы ксенона
Получение
Ксенон получают как побочный продукт производства жидкого кислорода на металлургических предприятиях.
В промышленности ксенон получают как побочный продукт разделения воздуха на кислород и азот. После такого разделения, которое обычно проводится методом ректификации, получившийся жидкий кислород содержит небольшие количества криптона и ксенона. Дальнейшая ректификация обогащает жидкий кислород до содержания 0.1-0.2 % криптоноксеноновой смеси, которая отделяется адсорбированием на силикагель или дистилляцией. В заключение, ксеноно-криптоновый концентрат может быть разделен дистилляцией на криптон и ксенон. Из-за своей малой распространенности, ксенон гораздо дороже более легких инертных газов.
Применение
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 ( 127 Xe, 133 Xe, 137 Xe, 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) двигателейкосмических аппаратов.
- С конца XX века ксенон стал применяться как средство для общего наркоза (достаточно дорогой, но абсолютно нетоксичный, точнее — как инертный газ — не вызывает химических последствий). Первые диссертации о технике ксенонового наркоза в России — 1993 г., в качестве лечебного наркоза эффективно применяется для снятия острых абстинентных состояний (Абстинентный синдром) и лечения наркомании, а также психических и соматических расстройств.
- Жидкий ксенон иногда используется как рабочая среда лазеров
- Фториды и оксиды ксенона предложены в качестве мощнейших окислителей ракетного топлива, а так же в качестве компонентов газовых смесей для лазеров.
- В изотопе 129 Xe возможно поляризовать значительную часть ядерных спинов для создания состояния с сонаправленными спинами — состояния называемого гиперполяризацией.
- Ксенон используется в конструкции ячейки Голея.
Биологическая роль
Ксенон не играет никакой биологической роли.
Физиологическое действие
Газ ксенон безвреден, но способен вызвать наркоз (по физическому механизму), а в больших концентрациях (более 80 %) вызывает асфиксию.
Фториды ксенона ядовиты, ПДК в воздухе 0,05 мг/м³.
Периодическая система химических элементов Менделеева
Классификация хим. элементов, устанавливающая зависимость различных свойств элементов от заряда атомного ядра. Система является графическим выражением периодического закона/
198095, г.Санкт-Петербург, ул.Швецова, д.23, лит.Б, пом.7-Н, схема проезда
К Криптон является химическим элементом таблицы Менделеева с атомным номером 36 и условным обозначением Kr. Криптон представляет собой чрезвычайно инертный бесцветный одноатомный газ.
Как был открыт Криптон
Такой химический элемент как криптон был обнаружен людьми относительно недавно. В 1894 был открыт первый из благородных газов, который сегодня известен как аргон. Джон Рэлей и Уильям Рамсей обнаружили его благодаря спектральному анализу и выделили из урановых руд. Из периодических законов таблицы Д.И. Менделеева они поняли, что должны быть еще элементы, и продолжили свои исследования.
Где и как добывают Криптон
После этого необходимо удалять соединения фтора. Для начала раствор обрабатывают микроволнами. Это делается для того, чтобы разорвать связи фтора. После чего раствор пропускают при температуре около 750°C через раствор содовой извести. Затем полученная смесь криптона и ксенона разъединяется в отдельной колонне, которая нагревается снизу, а сверху охлаждается. В результате этой процедуры на дне образуется ксенон, а в верху образуется криптон.
Распространенность Криптона
Распространенность такого химического элемента как криптон является очень неопределенной. С одной стороны, криптон является одним из самых редких элементов на Земле. Большая часть криптона содержится в атмосфере, где его количественное соотношение оценивается учеными как 1 часть на миллион. В земной коре его соотношение оценивается в 0.00019 частей на миллион. На нашей планете реже встречается только ксенон и некоторые радиоактивные элементы, которые являются промежуточными звеньями термоядерных реакций.
Применение Криптона
Применение криптона является не очень широким. Большая часть его использования приходится на наполнитель для ламп накаливания. При использовании этого газа в качестве наполнителя лампочки вольфрамовая нить имеет меньший износ. Это позволяет создавать более высокую температуру отжига. Тем самым светоотдача этой лампочки значительно увеличивается. Так же он используется в качестве наполняющего газа в счетчиках Гейгера, стинцилляционных счетчиках и других электронных устройствах.
Еще одним использованием криптона является заполняющий газ в стеклопакетах. Даже несмотря на более дорогую цену, криптон лучше сохраняет тепло при такой же толщине стекла, чем обычно использующийся аргон. Плюс ко всему этот элемент в жидком состоянии используется в качестве калориметров в физических лабораториях при изучении частиц.
Интересные факты
Интересных фактов связанных с криптоном немного из-за того, что этот элемент еще плохо изучен. Но некоторые факты все же имеются. Например, криптон способен к поглощению рентгеновских лучей. Этот момент еще изучается учеными и уточняется возможно ли использовать смесь криптон-ксенон в качестве контрастного вещества в компьютерной томографии. Как и другие благородные газы, криптон не имеет биологического значения для жизни человека. В высоких концентрациях он вытесняет кислород и способен привести к удушью. Интересным моментом является то, что при давлении выше 3.9 бар криптон способен оказывать обезболивающее действие на организм человека.
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.
Содержание
Введение. 2
1. Назначение и область применения ксенона и его характеристика. 3
2. Характеристика сырья, материалов для производства продукта. 6
3. Эскизная схема. 9
4. Расчет материального баланса. 10
5. Подбор и обоснование типа основного технологического оборудования. 13
5.1. Классическая технология первичного концентрирования. 13
5.2. Вторичное обогащение продукта методом ректификации. 15
5.3. Адсорбционные технологии извлечения криптона и ксенона. 18
6. Описание аппаратурно-технологической схемы. 21
7. Характеристика отходов производства и возможные варианты их утилизации. 28
Список использованной литературы и источников.
Вложенные файлы: 1 файл
Пояснительная записка.docx
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.
Когда-то здесь добывали золото, но теперь тут появится нечто гораздо более дорогое — в заброшенном золотом месторождении в Санфордском подземном исследовательском центре в Южной Дакоте NASA готовится осуществить большой эксперимент по изучению темной материи с использованием огромного количества жидкого ксенона.
Ксенон, как надеются исследователи, позволит датчикам уловить самый слабый сигнал от темной материи. 10 тонн жидкого ксенона потребуются к 2020 году — именно тогда должен быть запущен проект в Санфорде, и очень вероятно, что это потрясет рынок ксенона.
Ксенон, криптон, лазеры и стагнирующие небоскребы
Сам по себе ксенон — так называемый редкий, или благородный газ. В 1 куб м воздуха всего около 0,1 куб. см ксенона, а для получения 1 куб. м ксенона нужно переработать 11,6 млн (!) куб. м воздуха. 10 т жидкого ксенона — это одна десятая объема мирового рынка этого газа.
Вообще рынок редких газов демонстрирует отличные перспективы — так как используются эти газы все шире, причем в самых инновационных отраслях. Так, ксенон активно применяется для диагностики и наркоза в медицине, в двигателях космических аппаратов, как рабочая среда лазеров, окислитель ракетного топлива и т.д.
В свою очередь, криптон — это изготовление стеклопакетов повышенной прочности, а также лазеры (причем сверхмощные и боевые) и окислители ракетного топлива. Учитывая, что NASA переформатирует, но не сворачивает свои планы по изучению и освоению космоса, у редких газов большое будущее. К редким газам относится и неон — используемый в основном в производстве дисплеев и микрочипов.
Загадочное совещание у президента России
1 куб. м криптона стоит в диапазоне 300-600 долларов, объем мирового рынка этого газа 115 тыс. куб. м (50 млн долларов в денежном выражении). Ксенон гораздо дороже: до 15 тыс. долл. за 1 куб м, мировой рынок 15 тыс. куб. м ксенона (112 млн долл).
Рынок редких газов похож по цикличности на рынок другого сырья — но циклы на нем примерно вдвое короче, а колебания цен резче. Так, в 2015 году в десятки раз подорожал неон — вышло из строя несколько производящих сырье для его получения установок в Восточной Европе, и заводы-потребители неона поспешили закупиться впрок (день простоя завода по производству дисплеев выливается в миллионы долларов убытков, так что даже десятки тысяч долларов за полугодовой запас неона для таких заводов гораздо меньшая проблема).
На рынке криптона же цены упали вдвое — пока большая часть потребления криптона сосредоточена в стекольной отрасли, но строительство небоскребов в Китае стагнирует.
Чистота 99,999% — это правда, хоть и ВРУ
Пограничное состояние: Что нужно украинцу для поездки в Крым
Редкие газы вместо металла
Если раньше находящийся в потоке безопасности грязный кислород из ВРУ выбрасывался в атмосферу, то на УРРГ из него можно выделить тяжелые углеводы, радиоактивный радон, воду, и получить криптоно-ксеноновую смесь, которая уже разделяется на чистые криптон и ксенон. В совокупности редкие газы дают Цзинаньскому меткомбинату около 4 млн долл. дополнительной прибыли в год.
Игроки ждут новостей о Марсе
Разгайдарствление экономики: МЭФ нанес сокрушительный удар по либералам
Пока в мире занимаются инновационными исследованиями — потребность в редких газах, скорее всего, продолжит расти: так, например, сейчас все игроки этого рынка ждут информации о двигателях, которые будут использовать в программе освоения Марса. Космос может стать драйвером как производства редких газов, так и производства УРРГ.
Читайте также: