СЖИЖЕНИЕ ГАЗОВ

СЖИЖЕНИЕ ГАЗОВ, переход вещества из газообразного состояния в жидкое. С. г. 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 темп-р, при к-рых газ может сконденсироваться в жидкость (при Т>Т_К жидкость существовать не может). Впервые газ (аммиак) был сжижен в 1792 (голл. 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 (3. Ф. Вроблевский и К. Ольшевский), водород - в 1898 (Дж. Дьюар), гелий - в 1908 (X. Камерлинг-Оннес).

Идеальный процесс С. г. изображён на рис. 1. Изобара /-2 соответствует охлаждению газа до начала конденсации, изотерма 2-0 - конденсации газа. Площадь ниже /-2-0 эквивалентна количеству теплоты, к-рое необходимо отвести от газа при его сжижении, а площадь внутри контура /-2-0-3 (/-3 - изо-термич. сжатие газа, 3-0 - адиабатическое его расширение) характеризует термодинамически минимальную работу L_min, необходимую для С. г.:

Lmin = T₀(S_r - S_ж) - (J_r - J_ж),

где То - темп-pa окружающей среды; S_r, S_Ж - энтропии газа и жидкости; J_r, J_ж - теплосодержания (энтальпии) газа и жидкости.

Рис. 1. Идеальный цикл сжижения газов на диаграмме Т - S (температура - энтропня).

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

Пром. С. г. с критич. темп-рой T_к выше темп-ры окружающей среды (напр., аммиак, хлор) осуществляется с помощью компрессора, где газ сжимается, и последующей конденсацией газа в теплообменниках, охлаждаемых водой или холодильным рассолом. С. г. с Т„, к-рая значительно ниже темп-ры окружающей среды, производится методами глубокого охлаждения. Наиболее часто для С. г. с низким Т_кприменяются холодильные циклы, основанные на дросселировании сжатого газа (использование Джоуля -Томсона эффекта), на расширении сжатого газа с производством внеш. работы в детандере, на расширении газа из постоянного объёма без совершения внеш. работы (метод теплового насоса).

Значения температуры кипения Ткип (при 760 мм рт. ст.),ритической температуры T_к,минимальной Lmin и действительной Lд работ сжижения некоторых газов

Газ

Ткип, К

Т_к, 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

3,31

15-40

Воздух 

78,8

132,5

0,205

1,25-1,5

Гелий 

4,2

5,3

1,93

15-25

Кислород 

90,2

154,2

0,177

1,2-1,4

Метан 

111,7

191,1

0,307

0,75-1,2

Неон 

27,1

44,5

0,37

3-4

Пропан 

231,1

370,0

0,04

~0,08

Этилен 

169,4

282,6

0,119

~0,3

Рис. 2. Схема и диаграмма Т - S (температура - энтропия) цикла сжижения газов на основе эффекта Джоуля - Томсона: К - компрессор; Tl, T2, ТЗ - теплообменники; Др - дроссельный вентиль.

В лабораторной практике иногда используется каскадный метод охлаждения (сжижения).

Графич. изображение и схема дроссельного цикла С. г. дана на рис. 2. После сжатия в компрессоре (/-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 неожижившийся газ направляется в теплообменники и охлаждает свежие порции сжатого газа. Для С. г. по циклу с дросселированием необходимо, чтобы темп-pa сжатого газа перед входом в осн. теплообменник ТЗ была ниже темп-ры инверсионной точки (см. Инверсионная кривая). Для этого и служит теплообменник с посторонним холодильным агентом Т2. Если темп-pa инверсионной точки газа лежит выше комнатной (азот, аргон, кислород), то схема принципиально работоспособна и без теплообменников Т1 и Т2.Применение посторонних хладагентов в этих случаях имеет целью повышение выхода жидкости. Если же темп-pa инверсионной точки газа ниже комнатной, то теплообменник с посторонним хладагентом обязателен. Напр., при сжижении водорода методом дросселирования в качестве постороннего хладагента используется жидкий азот, при сжижении гелия-жидкий водород.

Для С. г. в пром. 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 дополнит. дроссельной ступени. После сжатия в компрессоре (/-2) и предварит, охлаждения в теплообменнике (2-3) поток сжатого газа делится на 2 части: часть М отводится в детандер, где, расширяясь, производит внеш. работу и охлаждается (3-7). Охлаждённый газ подаётся в теплообменник, где понижает темп-ру оставшейся части сжатого газа 1-М, к-рая 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 термодинамич. эффективности процесса С. г. иногда применяют неск. 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 темп-ры до 12 К, что достаточно для сжижения всех газов, кроме гелия (см. табл.). Для сжижения гелия к машине пристраивается дополнит. дроссельная ступень.

Рис. 3. Схема и диаграмма Т - S (температура - энтропия) цикла сжижения газов с детандером: К - компрессор; Д -детандер; Др - дроссельный вентиль.

Подвергаемые сжижению газы должны очищаться от паров воды, масла и др. примесей (напр., воздух - от углекислоты, водород - от воздуха), к-рые 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.

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.