Сжижение газов

Сжижение газов, переход вещества из газообразного состояния в жидкое. Сжижение газов достигается охлаждением их ниже критической температуры (Тк) 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).

Идеальный процесс сжижение газов изображен на рис. 10. 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.

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 газов дана на рис. 11. 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 несжиженный газ направляется в теплообменники и охлаждает свежие порции сжатого газа. Для сжижения газов 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 газов в промышленных масштабах чаще всего применяются циклы с детандерами (рис. 12), 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 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 K, что достаточно для сжижения всех газов, кроме гелия (см. табл. 6). 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 газов.

Таблица 6

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