Сжижение газов

СОДЕРЖАНИЕ:

 

1. Газы и сжижение газов.
2. Адиабатный процесс.
3. Низкие температуры.
4. Измерение криогенных температур.
5. Криогенная техника.
6. Физика низких температур.
7. Технические приложения низких температур.
8. Каскадный метод охлаждения как один из методов сжижения газов.
9. Литература.

 

Газы (французское gaz; название предложено голландским учёным Я. Б. Гельмонтом), агрегатное состояние вещества, в котором его частицы не связаны или весьма слабо связаны силами взаимодействия и движутся свободно, заполняя весь предоставленный им объём. Газы обладают рядом характерных свойств. В отличие от твёрдых тел и жидкостей, объём газы существенно зависит от давления и температуры.

Диаграмма состояния  вещества  рис.1:

Любое вещество можно перевести  в газообразное состояние надлежащим подбором давления и температуры. Поэтому возможную область существования газообразного состояния графически удобно изобразить в переменных: давление р - температура Т (в р, Т-диаграмме, рис. 1). При температурах ниже критической Т_к эта область ограничена кривыми сублимации (возгонки) / и парообразования II. Это означает, что при любом давлении ниже критического р_к существует температура Т (см. рис. 1), определяемая кривой сублимации или парообразования, выше которой вещество становится газообразным. В состояниях на кривой 1 (ниже тройной точки T_p)газ находится в равновесии с твёрдым веществом (твёрдой фазой), а на кривой II (между тройной и критической точкой К.) - с жидкой фазой. Газ в этих состояниях обычно называют паром вещества.

При температурах ниже Т_к можно сконденсировать газ. - перевести его в др. агрегатное состояние (твёрдое или жидкое). При этом фазовое превращение газа в жидкость или твёрдое тело происходит скачкообразно: весьма малое изменение давления приводит к конечному изменению ряда свойств вещества (например, плотности, теплоёмкости и др.). Процессы конденсации газа имеют важное техническое значение.

При Т > Т_к граница газообразной области условна, поскольку при этих температурах фазовые превращения не происходят. В ряде случаев за условную границу между газом. и жидкостью при сверхкритических температурах и давлениях принимают критическую изохору вещества (кривую постоянной плотности или удельного объёма, см. рис. 4), в непосредственной близости от которой свойства вещества изменяются, хотя и не скачком, но особенно быстро.

В связи с тем что  область газового состояния очень  обширна, свойства газов при изменении  температуры и давления могут  меняться в широких пределах.

С другой стороны, при  высоких давлениях вещество, которое  при сверхкритических температурах можно считать газом, обладает огромной плотностью (например, в центре некоторых звёзд ~10⁹ г/см³). В зависимости от условий в широких пределах изменяются и др. свойства газов - теплопроводность, вязкость и т. д.

Сжижение газов - переход вещества из газообразного состояния в жидкое. Оно 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 (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 сжижения газов  изображен на рис. 2. 

Рис.2

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 газа.

 

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 газа 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. Сжижения газа с Т_К, которая значительно ниже температуры окружающей среды, производится методами глубокого охлаждения. Наиболее часто для сжижения газа. 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. 3.

Рис.3

 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. 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.

Для сжижения газа в промышленных масштабах чаще всего применяются  циклы с детандерами (рис. 4), т. к. расширение газов с производством внешней работы — наиболее эффективный метод охлаждения.

Рис.4

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 газа иногда применяют несколько детандеров, работающих на различных температурных уровнях.

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

 

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:

 

Газ	Ткип, К	ТК, К	Lmin, квт•ч/кг	Lд, квт•ч/кг
Азот Аргон Водород Воздух Гелий Кислород Метан Неон Пропан Этилен	77,4 87,3 20,4 78,8 4,2 90,2 111,7 27,1 231,1 169,4	126,2 150,7 33,0 132,5 5,3 154,2 191,1 44,5 370,0 282,6	0,220 0,134 3,31 0,205 1,93 0,177 0,307 0,37 0,04 0,119	1,2—1,5 0,8—0,95 15—40 1,25—1,5 15—25 1,2—1,4 0,75—1,2 3—4 ~ 0,08 ~ 0,3

 

Сжижение (конденсацию) газов  возможно осуществить лишь после  их охлаждения до температур, меньших Тк.

 

Детандер (от франц. détendre - ослаблять), машина для охлаждения газа путём его расширения с отдачей внешней работы. Детандер относится к классу расширительных машин, но применяется главным образом не с целью совершения внешней работы, а для получения холода. Расширение газа в детандере - наиболее эффективный способ его охлаждения. Детандер используется в установках для сжижения газов и разделения газовых смесей методом глубокого охлаждения, в криогенных рефрижераторах, в установках, имитирующих высотные и космические условия, в некоторых системах кондиционирования воздуха и т.д.

Наиболее распространены поршневые детандеры.  и турбодетандеры :

Поршневой детандер

 

Поршневые детандеры - машины объёмного периодического действия, в которых потенциальная энергия сжатого газа преобразуется во внешнюю работу при расширении отдельных порций газа, перемещающих поршень. Они выполняются вертикальными и горизонтальными, одно- и многорядными. Торможение поршневых  детандеров осуществляется электрогенератором и реже компрессором.

Применяются в основном в установках с холодильными циклами  высокого 15-20 Мн/м² (150-200 кгс/см²) и среднего 2-8 Мн/м² (20-80 кгс/см²) давлений для объёмных расходов газа при температуре и давлении на входе в машину (физических расходов) 0,2-20 м³/ч.

Центростремительный  реактивный турбодетандер

Турбодетандеры - лопаточные машины непрерывного действия, в которых поток проходит через неподвижные направляющие каналы (сопла), преобразующие часть потенциальной энергии газа в кинетическую, и систему вращающихся лопаточных каналов ротора, где энергия потока преобразуется в механическую работу, в результате чего происходит охлаждение газа.

Они делятся по направлению  движения потока на центростремительные, центробежные и осевые; по степени  расширения газа в соплах - на активные и реактивные; по числу ступеней расширения - на одно- и многоступенчатые. Наиболее распространён реактивный одноступенчатый центростремительный детандер разработанный П. Л. Капицей. Торможение турбинных детандеров осуществляется электрогенератором, гидротормозом, нагнетателем, насосом.

 Турбодетандеры применяются  главным образом в установках  с холодильным циклом низкого давления 0,4-0,8 Мн/м² (4-8 кгс/см²) для объёмных (физических) расходов газа 40-4000 м³/ч. Созданы турбодетандеры для холодильных циклов низкого, среднего и высокого давлений с объёмными расходами газа 1,5-40 м³/ч. Эти машины характеризуются малыми размерами (диаметр рабочего колеса 10-40 мм) и высокой частотой вращения ротора (100000-500000 об/мин).

Адиабатный процесс

Адиабатный процесс - процесс, происходящий в физической системе без теплообмена с окружающей средой. Адиабатный процесс можно осуществить в системе, окруженной теплоизолирующей (адиабатной) оболочкой. Пример такого адиабатного процесса - рабочий такт тепловой машины, при котором газ (пар) расширяется в цилиндре с теплоизолирующими стенками и поршнем, при отсутствии необратимых превращений работы трения в теплоту.

Адиабатный процесс  можно реализовать и при отсутствии адиабатной оболочки; для этого он должен протекать настолько быстро, чтобы за время процесса не произошло  теплообмена между системой и  окружающей средой. Так происходит, например, сжатие газа ударной волной, при котором газ, не успевая отдать выделившуюся теплоту, сильно нагревается. При скорости волны порядка 1 км/сек (скорости, достигнутой современными сверхзвуковыми самолётами) и сжатии воздуха под действием ударной волны в 4 раза температура воздуха повышается до 700 С. Адиабатное расширение газа с совершением работы против внешних сил и сил взаимного притяжения молекул вызывает его охлаждение. Такое охлаждение газов лежит в основе процесса сжижения газов Адиабатный процесс размагничивания парамагнитных солей позволяет получить температуры, близкие к абсоллютному нулю.