Сжижение газов

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

Идеальный процесс сжижения газов 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 L_min, необходимую для сжижения газов:

L_min = T₀(S_г — S_ж) — (J_г - J_ж),

где T₀ — температура окружающей среды; S_г, S_ж — энтропии газа и жидкости; J_г, J_ж — теплосодержания (энтальпии) газа и жидкости.

Значения L_min и действительно затрачиваемой работы L_д для сжижения ряда газов даны в таблице.

Промышленное сжижение газов с критической температурой Т_к 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. Сжижение газов с Т_к, которая значительно ниже температуры окружающей среды, производится методами глубокого охлаждения. Наиболее часто для сжижения газов с низким Т_к 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). В лабораторной практике иногда используется каскадный метод охлаждения (сжижения).

Графическое изображение и схема дроссельного цикла сжижения газа 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 сжижения газа 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 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.

Идеальный цикл сжижения газов.
Рис. 1.

Цикл сжижения газов на основе эффекта Джоуля - Томсона. Рис. 2.

Цикл сжижения газов с детандером.
Рис. 3.

Для сжижения газов в промышленных масштабах чаще всего применяются циклы с детандерами (рис. 3), так как 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 сжижения газов иногда применяют несколько детандеров, работающих на различных температурных уровнях.

Циклы с тепловыми насосами обычно используются (наряду с детандерными и дроссельными циклами) при сжижении газов 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 других 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 сжижения газов.

О применении сжиженных газов см. в ст. Глубокое охлаждение.

Значения температуры кипения Т_кип (при 760 мм. рт. ст.), критической температуры Т_к, минимальной L_min и действительной L_д работ сжижения некоторых газов

Фастовский В. Г., Петровский Ю. В., Ровинский А. Е., Криогенная техника (djvu), 2 изд., М., 1974; Малков М. П., Справочник по физико-техническим основам криогеники (djvu), 3 изд., М., 1985; Баррон Р.Ф., Криогенные системы (djvu). М. Энергоатомиздат, 1989. См. также лит. при ст. Глубокое охлаждение.