液态氧
氧气在液态状态时的形态
液态氧(羧基液体丁腈橡胶 ,O₂,简称LOX)是一种天蓝色透明而易流动的液体,是液态的氧气,也被叫做液氧,沸点为-183℃,三相点是-218.789℃,压力为0.150kPa,相对分子质量为32.00,密度为1.14g·cm⁻³(在沸点-182.962℃和760毫米汞柱时);液态氧在-227℃可以固化成固氧,为淡青色六角形晶体。液态氧储存在耐压钢瓶中,液态氧可以制作液氧炸药和高能助燃剂等。液态氧的化学稳定性好,对撞击不敏感,也不会自然分解。液态氧具有顺磁性和很高的膨胀比。航天事业中,液态氧可与煤油、氢、乙醇等组合,用作火箭和飞船的发动机燃料;医药行业中,液态氧可用于加压舱的供氧剂、冷冻治疗的冷源;水产渔业中,液态氧可用于水质改善、水体增氧;还可用于气焊、炸药、分析仪磁性等。
历史
1877年,法国的物理学家路易·保罗·凯莱特和瑞士拉乌尔·皮克泰先后成功将氧气液化;在1883年的时候齐格蒙特·弗罗布莱夫斯基和卡罗尔·奥尔谢夫斯基制造出少量稳定状态下的液态氧。
1899年液氧炸药在打通意大利瑞士的新普隆隧道第一次被大量的使用,1904年英国的捷姆斯·宪爱尔以金属容器运输液态氧的专利权;1912年德国的巴里杜斯和科瓦契对液态氧进行看实际应用的研究。6年后德国空军首先将液氧用于航空。由于它有所占空间小、重量轻优点,后来被西方国家广泛采用。1919年后的数年里,美国的物理学教授罗伯特·哥达德进行了多次实验,最后研制出可使用汽油和液态氧的火箭。1929年,德国的瓦利亚制造出了一种用乙醇和液态氧作燃料的汽车。1944年,德国研制出采用酒精和液氧做推进剂的V-2火箭。
20世纪80年代末,为了在航天动力技术领域实现新的突破,中国开始论证新一代运载火箭发动机,开展了液氧烃发动机的研究与论证。90年代,进行了液氧煤油发动机的关键技术攻关。2000年时获得了分级燃烧循环液氧煤油发动机获准立项。直至2021年已有56台次的YF-100液氧煤油高压补燃发动机参与了“长征五号”运载火箭的7次发射任务。
理化性质
物理性质
液态氧是物理形态为液体的氧气,分子式为O₂,沸点为-182.962℃,三相点是-218.789℃,压力为0.150kPa,在沸点时的密度为1.14g·cm⁻³、黏度为0.19×10⁻³Pa·s,每一立方米的液态氧的重量是1140.5kg,高纯度的液态氧是一种浅蓝色的透明液体,在常温下处于沸腾状态,在不保温的管路、容器内存装液氧,空气中的水分会在容器外表面上结霜。液态氧与普通碳钢、铸铁等接触,会使这些金属变脆。
液态氧具有很高的膨胀比,1L的液态氧一般可以汽化为800L的气态氧,环境温度高时气态体积会相应地更大。
液态氧具有强顺磁性,不导电,但能积存摩擦产生的电荷。在保持低温条件下,液氧能够将多数普通溶剂固化,液态氧与液氮、液态甲烷能完全互溶,轻馏分的烃类也能在液态氧中溶解。
化学性质
液态氧是强氧化剂,它能强烈地助燃:液氧与脂肪、凡士林、酒精、润滑油等接触时,会发生激烈的氧化作用。液态氧气化后与乙炔、氢气、甲等可燃气体混合,可形成爆炸混合物。
制备方法
液态氧地制备方法主要采用深度冷冻法。在深度冷冻制冷工艺中,由于空气的液化和精馏都是在很低温度下进行的,通常要将空气冷却到-170℃以下,所以叫“深度冷冻法”。深度冷冻法地主要工艺流程是:
吸入塔将空气吸入后,经过滤器除去空气中的机械杂质,并由空气压缩机加压,然后经预冷器冷却,接着分两路前进,一路进入膨胀机,另一路进入冷却器与返流气进行热交换,并和膨胀后的空气汇合进入下塔底部。接着液态空气经节流阀进入上塔精馏,在塔底部获得纯度为99.5%的液氧,经过过冷器,排入贮液器。
应用领域
医药行业
液态氧被应用在医院的加压舱的供氧系统中。即氧气由储存在低温液态氧储槽中的液氧经汽化后供给。液态氧还可以作为冷源来冷冻治疗耳鼻喉科疾病,如慢性鼻炎过敏性鼻炎、慢性颗粒性咽炎等。
水产渔业
液态氧可以运用在水产中起到增氧的能力,可以有效地降低养殖风险,提高养殖成功率,液态氧在水产养殖中还可以改善水质,提高产品品质、养殖密度和饵料利用率等作用液态氧还运用在苗种和活体的运输中。
航天事业
液态氧可用作航天发动机燃料,也是大型火箭发动机中理想的推进剂,采用液态氧的导弹和空间运载火箭有:①与煤油组合使用的有“长征五号”(CZ-5)运载火箭助推模块;②与氢组合使用的有航天飞机和“半人马座”运载火箭;③与酒精组合使用的有德国V-2和“红石”动力装置;④与喷气燃料组合使用的“宇宙神”“雷神”“丘比特”“大力神”Ⅰ和“土星”导弹的运载火箭主发动机。
其他应用
液态氧还可以代替传统瓶装氧气运用到气焊中,可以防止冬季厂房内温度低于零度而使瓶阀冻结,不能供气或减压器冻结造成高压白流,引起氧气胶带爆裂或胶带抽人事故发生。还可以用液态氧来制备液氧炸药,如浸泡过液氧的棉花、煤粉、木炭等多孔物质,可用于制作炸药。
液态氧具有很强的顺磁性,当把液态氧或液态空气放入强磁场中的杜瓦瓶内时,磁场的热效应可使液态氧汽化,还可以利用液态氧的顺磁性来制作氧的磁性分析仪。
物性测定
布里渊散射法
布里渊散射法是检测液态氧的声学模的频率,可以得到液态氧的音速、弹性系数、折射率、绝热体模量、极化率和状态方程等。路易·布里渊散射法是晶体的声学声子磁振子(自旋波)引起的非弹性光散射,作为一种实用的研究手段,布里渊散射可以研究气体、液体和固体中的声学振动。该方法是用光作为探针来测量液态氧的声子、自旋波等多种元激发。
安全事宜
毒性
液态氧具有毒性。机体摄入过多氧气会发生氧中毒,当氧的浓度超过40%时,有可能发生氧中毒,人吸入40%~60%氧浓度的混合气体时,会出现胸骨后不适感、轻咳,继而产生胸闷、胸骨后烧灼感和呼吸困难,咳嗽加剧:严重时会发生肺水肿,甚至出现呼吸窘迫综合征。吸入氧气浓度达到80%以上时,会出现面部肌肉抽动、面色苍白、眩晕、心动过速、虚脱等症状,继而全身强直性抽搐、昏迷、呼吸衰竭甚至死亡。长期处于氧分压60~100 kPa(相当于氧浓度40%左右)的条件下,可导致眼部损伤,严重者甚至可以导致失明
危险性
火灾危险性
液态氧本身不可燃,但具有强烈的助燃性,火灾危险性为乙类。液态氧与一般燃料接触时不会发生自燃,但如果与液态燃料相遇,液态氧会冷却并凝固液态燃料发生燃烧,然后在加压的情况下常常转为爆炸。
液态氧和燃料会根据不同的混合比例和点火情况发生两种类型的燃烧反应:第一种是燃料和液态氧在混合后发生点火或机械撞击才发生燃烧反应;另一种是液态氧与燃料在接触之前或接触时已经开始燃烧。
爆炸危险性
液态氧在和所有可燃物质(包括气体、液体、固体物质)混合后在静电、机械撞击和电火花等情况后会发生爆炸,所以其混合物具有爆炸危险性。
液态氧的高浓度在封闭的空间汽化后会通过静电、电火花或火源发生气态氧和燃料蒸汽混合物的爆炸。当液态氧贮存在封闭的系统中时,如果压力被破坏,液态氧出现汽化现象,也会发生物理性爆炸。
人员冻伤
由于液态氧的沸点在-183℃,因此当液态氧泄露时,一旦喷溅到人的皮肤上,将会引起严重的冻伤事故。
储存条件
液态氧储存在耐压钢瓶中。液态氧用杜瓦瓶或槽式卡车贮运,放置容器时必须防破损,与可燃物隔绝,避免受热。
目录
概述
历史
理化性质
物理性质
化学性质
制备方法
应用领域
医药行业
水产渔业
航天事业
其他应用
物性测定
布里渊散射法
安全事宜
毒性
危险性
火灾危险性
爆炸危险性
人员冻伤
储存条件
参考资料