Сжижение Газов

Сжижение Газов в Энциклопедическом словаре:
Сжижение Газов - переход вещества из газообразного состояния в жидкое приохлаждении его ниже температуры насыщения при данном давлении. Длясжижения газов с низкой критической температурой (154,2 К у О2, 126,2 К уN2, 33 К у Н2, 5,3 К у Не) применяют криогенную технику.

Определение «Сжижение Газов» по БСЭ:
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 температур, при которых газ может сконденсироваться в жидкость (при T > 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 С. г. 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 С. г.:
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 С. г. 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. С. г. с Т_К, которая значительно ниже температуры окружающей среды, производится методами глубокого охлаждения. Наиболее часто для С. г. 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 С. г. 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 С. г. 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.
Для С. г. в промышленных 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 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 С. г. иногда применяют несколько 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 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 С. г.
О применении сжиженных газов см. в ст. Глубокое охлаждение.

Значения температуры кипения T_кип (при 760 мм. рт. ст.), критической температуры T_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	77,4	126,2	0,220	1,2-1,5
Аргон	87,3	150,7	0,134	0,8-0,95
Водород	20,4	33,0 132,5	3,31	15-40
Воздух	78,8	5,3	0,205	1,25-1,5
Гелий	4,2	154,2	1,93	15-25
Кислород	90,2	191,1	0,177	1,2-1,4
Метан	111,7	44,5	0,307	0,75-1,2
Неон	27,1	370,0	0,37	3-4
Пропан	231,1	282,6	0,04	∼ 0,08
Этилен	169,4		0,119	∼ 0,3

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.
Рис. 1. Идеальный цикл сжижения газов на диаграмме T-S (температура - энтропия).

Рис. 2. Схема и диаграмма Т - S (температура - энтропия) цикла сжижения газов на основе эффекта Джоуля - Томсона: К - компрессор; T1, T2, ТЗ - теплообменники; Др - дроссельный вентиль.

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

Сжижение    Сжижение Газов    Сжиженный