Сжижение газов

переход вещества из газообразного состояния в жидкое. С. Г. Достигается охлаждением их ниже критической температуры (См. Критическая температура) (Тк) и последующей конденсацией в результате отвода теплоты парообразования (конденсации). Охлаждение газа ниже ТК необходимо для достижения области температур, при которых газ может сконденсироваться в жидкость (при Т > ТК жидкость существовать не может). Впервые газ (аммиак) был сжижен в 1792 (голландский физик М. Ван Марум). Хлор был получен в жидком состоянии в 1823 (М. Фарадей), кислород — в 1877 (швейцарский учёный Р. Пикте и французский учёный Л. П. Кальете), азот и окись углерода — в 1883 (З. Ф. Вроблевский и К. Ольшевский), водород — в 1898 (Дж. Дьюар), гелий — в 1908 (Х.

Камерлинг-Оннес). Идеальный процесс С. Г. Изображен на рис. 1. Изобара 1—2 соответствует охлаждению газа до начала конденсации, изотерма 2—0 — конденсации газа. Площадь ниже 1—2—0 эквивалентна количеству теплоты, которое необходимо отвести от газа при его сжижении, а площадь внутри контура 1—2—0—3 (1—3 — изотермическое сжатие газа, 3—0 — адиабатическое его расширение) характеризует термодинамически минимальную работу Lmin, необходимую для С. Г. Lmin = T0(SГ — SЖ) — (JГ - JЖ), где T0 — температура окружающей среды. SГ, SЖ — энтропии газа и жидкости. JГ, JЖ — теплосодержания (энтальпии) газа и жидкости. Значения Lmin и действительно затрачиваемой работы LД для сжижения ряда газов даны в таблице. Промышленное С. Г. С критической температурой ТК выше температуры окружающей среды (например, аммиак, хлор) осуществляется с помощью компрессора, где газ сжимается, и последующей конденсацией газа в теплообменниках, охлаждаемых водой или холодильным рассолом.

С. Г. С ТК, которая значительно ниже температуры окружающей среды, производится методами глубокого охлаждения (См. Глубокое охлаждение). Наиболее часто для С. Г. С низким ТК применяются Холодильные циклы, основанные на дросселировании сжатого газа (использование Джоуля - Томсона эффекта), на расширении сжатого газа с производством внешней работы в детандере, на расширении газа из постоянного объёма без совершения внешней работы (метод теплового насоса (См. Тепловой насос)). В лабораторной практике иногда используется Каскадный метод охлаждения (сжижения). Графическое изображение и схема дроссельного цикла С. Г. Дана на рис. 2. После сжатия в компрессоре (1—2) газ последовательно охлаждается в теплообменниках (2—3—4) и затем расширяется (дросселируется) в вентиле (4—5).

При этом часть газа сжижается и скапливается в сборнике, а несжижившийся газ направляется в теплообменники и охлаждает свежие порции сжатого газа. Для С. Г. По циклу с дросселированием необходимо, чтобы температура сжатого газа перед входом в основной теплообменник T3 была ниже температуры инверсионной точки (см. Инверсионная кривая). Для этого и служит теплообменник с посторонним холодильным агентом (См. Холодильный агент) T2. Если температура инверсионной точки газа лежит выше комнатной (азот, аргон, кислород), то схема принципиально работоспособна и без теплообменников T1 и T2. Применение посторонних хладагентов в этих случаях имеет целью повышение выхода жидкости. Если же температура инверсионной точки газа ниже комнатной, то теплообменник с посторонним хладагентом обязателен.

Например, при сжижении водорода методом дросселирования в качестве постороннего хладагента используется жидкий азот, при сжижении гелия — жидкий водород. Для С. Г. В промышленных масштабах чаще всего применяются циклы с детандерами (рис. 3), т. К. Расширение газов с производством внешней работы — наиболее эффективный метод охлаждения. В самом детандере жидкость обычно не получают, ибо технически проще проводить само сжижение в дополнительной дроссельной ступени. После сжатия в компрессоре (1—2) и предварительного охлаждения в теплообменнике (2—3) поток сжатого газа делится на 2 части. Часть М отводится в детандер, где, расширяясь, производит внешнюю работу и охлаждается (3—7). Охлажденный газ подаётся в теплообменник, где понижает температуру оставшейся части сжатого газа 1 — М, которая затем дросселируется и сжижается.

Теоретически расширение в детандере должно осуществляться при постоянной энтропии (3—6). Однако из-за потерь расширение протекает по линии 3—7. Для увеличения термодинамической эффективности процесса С. Г. Иногда применяют несколько детандеров, работающих на различных температурных уровнях. Циклы с тепловыми насосами обычно используются (наряду с детандерными и дроссельными циклами) при С. Г. С помощью холодильно-газовых машин, которые позволяют получать температуры до 12 К, что достаточно для сжижения всех газов, кроме гелия (см. Табл.). Для сжижения гелия к машине пристраивается дополнительная дроссельная ступень. Подвергаемые сжижению газы должны очищаться от паров воды, масла и др. Примесей (например, воздух — от углекислоты, водород — от воздуха), которые при охлаждении могут затвердеть и закупорить теплообменную аппаратуру.

Поэтому узел очистки газа от посторонних примесей — необходимая часть установок С. Г. О применении сжиженных газов см. В ст. Глубокое охлаждение. Значения температуры кипения Ткип (при 760 мм. Рт. Ст.), критической температуры ТК, минимальной Lmin и действительной LД работ сжижения некоторых газов ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- | Газ | Ткип, К | ТК, К | Lmin, квт•ч/кг  | Lд, квт•ч/кг  | |---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| | Азот | 77,4 | 126,2 | 0,220 | 1,2—1,5 | | Аргон  | 87,3 | 150,7 | 0,134 | 0,8—0,95 | | Водород | 20,4 | 33,0 132,5  | 3,31 | 15—40 | | Воздух | 78,8 | 5,3 | 0,205 | 1,25—1,5 | | Гелий  | 4,2  | 154,2 | 1,93 | 15—25 | | Кислород | 90,2 | 191,1 | 0,177 | 1,2—1,4 | | Метан | 111,7 | 44,5  | 0,307 | 0,75—1,2 | | Неон | 27,1 | 370,0 | 0,37 | 3—4  | | Пропан | 231,1 | 282,6 | 0,04 | Сжижение газов 0,08 | | Этилен  | 169,4 | | 0,119 | Сжижение газов 0,3 | ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Лит.

Фастовский В. Г., Петровский Ю. В., Ровинский А. Е., Криогенная техника, 2 изд., М., 1974. Справочник по физико-техническим основам криогеники, 2 изд., М., 1973. См. Также лит. При ст. Глубокое охлаждение. А. Б. Фрадков. Рис. 1. Идеальный цикл сжижения газов на диаграмме T—S (температура — энтропия). Рис. 2. Схема и диаграмма Т — S (температура — энтропия) цикла сжижения газов на основе эффекта Джоуля — Томсона. К — компрессор. T1, T2, ТЗ — теплообменники. Др — дроссельный вентиль. Рис. 3. Схема и диаграмма Т — S (температура — энтропия) цикла сжижения газов с детандером. К — компрессор. Д — детандер. Др — дроссельный вентиль..