Текст книги "Большая Советская Энциклопедия (СЖ)"

Сжижение газов

Сжиже'ние га'зов, 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 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 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= T(S_Г – S_Ж) – (J_Г – J_Ж),

где T— 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 Т_кип (при 760 мм. рт. ст.), критической температуры Т_К, минимальной L_min и действительной L_Д работ сжижения некоторых газов

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

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.

Сжимаемость

Сжима'емость, способность вещества изменять свой объём под действием всестороннего давления. С. обладают все вещества. Если вещество в процессе сжатия не испытывает химических, структурных и других изменений, то при возвращении внешнего давления к исходному значению начальный объём восстанавливается. У твёрдых тел, имеющих поры, трещины и другие неоднородности структуры, практически обратимая С. может наблюдаться только при достаточно высоком давлении (например, у горных пород при давлении большем 2—5 кбар; 1 кбар = 10⁸н/м²).

  Обычно С. (объёмной упругостью) называется обратимое изменение занимаемого веществом объёма V под равномерным гидростатическим давлением р. Величину С. характеризует коэффициент С. (b, который выражает уменьшение единичного объёма тела при увеличении р на одну единицу: , где DV и Dr – изменения объёма V и плотности r при изменении р на величину Dр. К = 1/b называют модулем объёмной упругости (модулем объёмного сжатия, объёмным модулем), для твердых тел , где Е – модуль нормальной упругости (Юнга модуль), m – модуль сдвига. Для идеальных газов К = р при любой температуре Т. В общем случае С. вещества, а следовательно К и b, зависит от р и Т. Как правило, b убывает при увеличении р и растет с Т. Часто С. характеризуют относит. плотностью d = r/r_{, где r – плотность при О °С и р = 1 атм.}

  Сжатие может происходить как при постоянной температуре (изотермически), так и с одновременным разогревом сжимаемого тела (например, в адиабатном процессе). В последнем случае значения К будут большими, чем при изотермическом сжатии (для большинства твёрдых тел при обычной температуре – на несколько %).

  Для оценки С. веществ в широком диапазоне давлений используют уравнения состояния, выражающие связь между р, V и Т. Определяют С. непосредственно по изменению объёма тел под давлением (см. Пьезометр), из акустических измерений скорости распространения упругих волн в веществе, из экспериментов по ударному сжатию, дающих зависимость между r и р при максимальных полученных в эксперименте давлениях. С. находят также из измерений параметров кристаллической решётки под давлением, производимых методом рентгеновского структурного анализа. С. можно определить с помощью измерения линейной деформации твёрдого тела под гидростатическим давлением (по т. н. линейной С.). Для изотропного тела коэффициент линейной С. , где L – линейный размер тела.

  С. газов, будучи очень большой при давлениях до 1 кбар, по мере приближения их плотности к плотности жидкостей становится близкой к С. жидкостей. Последняя с ростом р уменьшается сначала резко, а затем меняется весьма мало: в интервале 6—12 кбар b уменьшается примерно так же, как в интервале от 1 атм (10^-3кбар) до 1 кбар (примерно в 2 раза), и при 10—12 кбар составляет 5—10% от начального значения. При 30—50 кбар модули К жидкостей по порядку величины близки к К твёрдых тел. Для твёрдых тел при 100 кбар Dr/r _{» 15—25%. Для отдельных веществ, например щелочных металлов, Dr/r ~ 40%, для большинства др. металлов ~ 6—15%. Линейная С. анизотропных веществ зависит от кристаллографических направлений (во всяком случае, до давлений в десятки кбар), причём вдоль направлений со слабым межатомным взаимодействием она может в 8—10 раз превосходить С. по направлениям, вдоль которых в кристаллической решётке имеет место более сильная связь; изменение параметра решётки в этих направлениях в определённом интервале р может быть даже положительным (теллур, селен). С. – важнейшая характеристика вещества, которая позволяет судить о зависимости физических свойств от межатомных (межмолекулярных) расстояний.}

  Знание С. газов (паров), жидкостей и твёрдых тел необходимо для расчёта работы тепловых машин, химико-технологических процессов, действия взрыва, аэро– и гидродинамических эффектов, наблюдающихся при движениях с большими скоростями, и т. д. Примеры С. различных веществ приведены в ст. Давление высокое.

  Лит.: Варгафтик Н. Б., Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей, 2 изд., М., 1972; Справочник физических констант горных пород, [пер. с англ.], М., 1969, гл. 7; Физический энциклопедический словарь, т. 4, М., 1963 (ст. Сжимаемость). См. также лит. при статьях Давление высокое. Пьезометр.

  Л. Д. Лившиц.

Назад к карточке книги "Большая Советская Энциклопедия (СЖ)"