где SГ, SЖ - энтропия, НГ, НЖ - энтальпия газа и жидкости соответственно.
Сжижение газов - производят при охлаждении их ниже критич. температуры Тк (см. Критическая точка ).С. г. с критич. температурой выше температуры окружающей среды (С12, NH3, CO2 и др.) производится сжатием их в компрессорах и последующей конденсацией в теплообменниках, охлаждаемых водой или холодильным рассолом. Для С. г. с критич. температурой ниже температуры окружающей среды их предварительно охлаждают с помощью соответствующих холодильных (криогенных) циклов.
Идеальный цикл С. г. приведён на рис. 1: 1 - 2 - изобарич. охлаждение
газа от температуры Т0 до температуры Т2 начала
конденсации (T2 ниже Тк), изотерма
2-0- конденсация газа; 1-3 - изотермич. сжатие газа, 3-0- адиабатич.
его расширение. Площадь под 1-2 -0 соответствует отводимой
при С. г. теплоте, площадь внутри 1 - 2 - 0- 3 - мин. работе Aмин С. г.:
где SГ, SЖ - энтропия, НГ, НЖ - энтальпия газа и жидкости соответственно.
Рис. 1. Т - S-диаграм-ма идеального цикла сжижения газов (р - давление, Н - энтальпия).
Давления, необходимые для идеального цикла С. г., составляют сотни тысяч атм, поэтому на практике цикл неосуществим. Реальные затраты энергии при С. г. обычно превышают Амин в 5-10 и более раз.
Совр. методы С. г. основаны на охлаждении предварительно сжатого газа при Джоуля - Томсона эффекте (т. е. при дросселировании - пропускании газа через пористую перегородку, кран, вентиль), изоэнтропич. расширении газа с совершением внеш. работы в детандере и при выпуске газа из сосуда пост. объёма (выхлоп). Процесс дросселирования необратим, идёт с возрастанием энтропии по закону: Н = const. Инверсионная темп-pa всех газов (темп-pa, при к-рой положит. эффект Джоуля - Томсона становится отрицательным и газ начинает нагреваться), кроме Н2, Не и Ne, на сотни градусов выше температуры окружающей среды, и поэтому они могут быть охлаждены и сжижены простым дросселированием. Инверсионные температуры Н2, Не и Ne значительно ниже комнатных, поэтому их предварительно охлаждают (Н2 и Ne - жидким азотом, Не - жидким водородом).
Термодинамически наиб. эффективен метод С. г. с помощью детандера; этот
метод в пром. установках является основным. В поршневых детандерах сжатый
газ движет поршень и охлаждается, в турбодетандерах - вращает турбину.
В большинстве случаев после детандера газ дополнительно охлаждают дросселированием.
Процесс расширения газа в детандере: S = const.
Рис. 2. Схема установки сжижения газов (а) и её Т - S-диаграмма (б); К - компрессор, Д - детандер, Т/о - теплообменники, Др - дроссель, Сб - сборник.
На рис. 2 приведены типовая схема установки для С. г. (а)и Т - S-диаграмма (б)термодинамич. процессов в ней. После сжатия в компрессоре (1-2)и предварит. охлаждения в теплообменнике (2-3)поток сжатого газа делится на два: поток М отводится в детандер, где, расширяясь, производит работу, охлаждается (3-7)и охлаждает вторую часть сжатого газа 1 - М, к-рый затем дросселируется и сжижается. Теоретически расширение газа в детандере должно протекать при пост. энтропии (3-6), однако в результате разл. потерь реально идёт процесс 3-7. В крупных установках С. г. применяют неск. детандеров, работающих в разных температурных интервалах. Спец. устройство позволяет получать сжиженный газ непосредственно в самом детандере и обходиться без дроссельной ступени. Для сжижения небольших кол-в газа используются криогенно-газовые машины, представляющие собой комбинацию компрессора, теплообменного аппарата и детандера. С помощью таких машин получают температуры до 10 К, т. е. достаточно низкие для сжижения всех газов, кроме гелия (для сжижения гелия пристраивается дополнит. дроссельная ступень). В небольшом объёме С. г. может производиться при охлаждении испаряющейся жидкостью с более низкой (чем получаемая) температурой кипения. Так, с помощью жидкого азота можно сжижать кислород, аргон, метан и др. газы, с помощью жидкого водорода - неон. Такой процесс энергетически невыгоден и применяется только в лаб. условиях.
Подвергаемые сжижению газы должны быть очищены от примесей, к-рые имеют тем-ру замерзания более высокую, чем в цикле сжижения данного газа, и, затвердевая, могут закупорить теплообменную аппаратуру. Сжижение газов (N, О2, Н2, природного газа и др.) - крупная отрасль хим. пром-сти.
А. Б. Фрадков
|
|
 |
