Получение и использование сжиженных газов

Любой газ можно превратить в жидкость простым сжатием, если температура газа ниже критической. Поэтому деление веществ на газы и жидкости в значительной мере условно. Те вещества, которые мы привыкли считать газами, просто имеют очень низкие критические температуры, то есть температуры, после достижения которых, газ приобретает свойства жидкости, и поэтому при температуре, близкой к комнатной, не могут находиться в жидком состоянии. Наоборот, у веществ, причисляемых нами к жидкостям, критические температуры велики.

Первый газ (аммиак) был обращён в жидкость уже в 1799 г. Дальнейшие успехи в сжижении газов связаны с именем английского физика М. Фарадея (1791 – 1867), который сжижал газы путём их одновременного охлаждения и сжатия. Ко второй половине 19 века из всех известных в то время газов остались не сжиженными только шесть: водород, кислород, азот, оксид азота, оксид углерода и метан, - их назвали постоянными газами. Задержка в сжижении этих газов ещё на четверть столетия произошла потому, что техника понижения температуры была развита слабо, и они не могли быть охлаждены до температуры ниже критической. Когда физики научились получать температуры порядка 1 К, удалось все газы обратить не только в жидкое, но и в твёрдое состояние. (1)

Целью данной работы является рассмотрение природы явления и свойств сжиженных газов, а также изучение способов получения и использования таких газов. Тема работы актуальна на сегодняшний день, так как сжиженные газы востребованы во многих областях медицины, науки и техники.

1. Природа явления и свойства сжиженных газов

Непрерывные хаотические тепловые движения, в которых всегда участвуют частицы любого вещества и интенсивность (энергия) которых определяет его температуру, оказывают существенное влияние на все происходящие в веществе явления. Именно поэтому почти всякое свойство вещества, так или иначе, зависит от температуры, то есть от интенсивности тепловых движений частиц в нём.

Изучение свойств вещества при очень низких температурах, когда молекулярные движения ослаблены, представляет большой интерес. Только при низких температурах можно исследовать те или иные явления в условиях, когда постоянный фон тепловых движений не влияет на них.

При низкотемпературных исследованиях изучаемое тело приводят в контакт с телом достаточно низкой температуры, с так называемым хладагентом. Задачей техники низких температур и является создание таких хладагентов. Ими обычно являются различные сжиженные газы, находящиеся в состоянии кипения. Они особенно удобны тем, что контакт с охлаждаемым телом не изменяет их температуру, а приводит лишь к более интенсивному испарению. Именно сжижение газов открыло для исследования область низких температур, в том числе и самых низких – близких к абсолютному нулю.

Всякий газ может быть переведён в жидкое состояние, но необходимым условием для этого является предварительное охлаждение газа до температуры ниже критической. Углекислый газ, например, можно сжижить при комнатной температуре, поскольку его критическая температура равна 31,1єС. То же, можно сказать и о таких газах, как аммиак и хлор.

Но есть и такие газы, которые при комнатной температуре нельзя перевести в жидкое состояние. К таким газам относятся воздух (а также его составные части – азот, кислород и аргон), водород и гелий, у которых критические температуры значительно ниже комнатной. Для сжижения таких газов их необходимо предварительно охладить до температуры несколько ниже критической, после чего повышением давления газ может быть переведён в жидкое состояние. Сжиженные таким образом газы удобнее хранить под атмосферном давлении (в открытом сосуде), но в этом случае их температура должна быть ещё более низкой – такой, при которой давление будет равно 1 атм. Для азота температура хранения соответствует 77,4 К, в то время как критическая температура азота равна 126,1 К. Для кислорода эти цифры соответственно равны 90 К и 154,4 К, для водорода 20,5 К и 33 К и для гелия 4,4 К и 5,3 К. Эти четыре газа широко используются практически, в том числе и как хладагенты.

Из приведенных цифр, как критических температур, так и тех конечных температур, до которых должны быть охлаждены сжижаемые газы, видно, что охлаждение требуется весьма значительное. Для достижения столь сильного охлаждения обычно используются два метода (по отдельности и комбинированно), которые будут рассмотрены далее. (2)

2. Способы получения сжиженных газов

Первый метод сжижения газа связан с использованием эффекта Джоуля – Томсона. Видоизменение опыта по расширению газа, предложенное Джоулем и Томсоном, позволяет достичь заметного изменения температуры газа, в частности охлаждения, обусловленного его неидеальностью, так как расширение идеального газа в пустоту не сопровождается изменением его температуры. Газ при достаточно большом, но постоянном давлении вынуждают протекать через теплоизолированную пористую перегородку. Это значит, что протекание газа происходит адиабатно. Гидродинамическое сопротивление перегородки приводит к тому, что на ней теряется часть давления газа и газ выходит из перегородки при более низком давлении. Газ расширяется или дросселируется. Дросселем называется любое устройство, представляющее сопротивление для протекания газа. Для того, чтобы течение газа было стационарным, то есть происходило при постоянных значениях давлений по обе стороны дросселя, необходим какой-либо насос (компрессор), который поддерживал бы постоянными эти давления. Этот компрессор производит внешнюю работу сжатия газа. Этим процесс дросселирования отличается от расширения газа в пустоту, при котором внешняя работа равна нулю. Явление изменения температуры газа при его адиабатном расширении дросселированием от одного постоянного давления к другому называется эффектом Джоуля – Томсона. Изменение температуры неидеального газа в процессе Джоуля – Томсона объясняется тем, что при расширении газа увеличивается расстояние между молекулами и, следовательно, совершается внутренняя работа против сил взаимодействия между молекулами. За счёт этой работы изменяется кинетическая энергия молекул, а, следовательно, и температура газа. В идеальном газе, где силы взаимодействия молекул равны нулю, эффекта Джоуля – Томсона нет.

В исторически первой машине для сжижения газов (воздуха) в технических масштабах (Линде и Гэмпсон, 1895 г.) для охлаждения газов ниже критической температуры и последующего сжижения использовался метод дросселирования. Приведём схему машины Линде (рис.1), в которой помимо эффекта Джоуля – Томсона был применён важный конструктивный принцип противоточного теплообмена и теперь применяемый во всех ожижительных машинах.

Воздух поступает в компрессор K, в котором он сжимается до 200 атм. После этого он проходит через змеевик, охлаждаемый проточной водой, где он отдаёт тепло, выделившееся при сжатии. Таким образом, в дальнейший путь к сжижению идёт сжатый газ с температурой такой же, как и до сжатия. Этот газ проходит затем через змеевик ab к дроссельному вентилю (крану) V1 и расширяется через него в приёмник f до давления в 1 атм. При этом расширении газ несколько охлаждается, но не настолько, чтобы превратиться в жидкость. Охлаждённый, но не сжижавшийся газ возвращается затем обратно через змеевик cd. Оба змеевика, ab и cd, расположены друг относительно друга так, что между ними, а также между порциями газа, проходящими по ним, существует тепловой контакт. Благодаря этому испытавший расширение и охлаждение газ охлаждает идущую ему навстречу порцию сжатого газа, которой ещё предстоит расшириться через вентиль V1. В этом и заключается метод противоточного обмена теплом.

Рис.1. Схема машины Линде

Ясно, что вторая порция газа подойдёт к расширительному вентилю V1, имея более низкую температуру, чем первая, а после дросселирования она ещё больше понизиться. Таким образом, к вентилю будет подходить всё более холодный газ. Через некоторое время после начала работы машины постепенное охлаждение газа холодными встречными потоками приведёт к тому, что газ при очередном дросселировании начнёт частично сжижаться и накапливаться в приёмнике f, откуда он может быть слит через кран V2 в сосуд для хранения сжиженных газов (сосуд Дьюара).

При установившимся процессе работы машины в разных её местах наблюдаются приблизительно такие температуры: у входа в змеевик ab температура 293 К (комнатная); на выходе из этого змеевика 170 К; после дросселирования 80 К, у входа в змеевик cd 80 К; на выходе из него – комнатная температура. Давление перед вентилем 200 атм, после дросселирования 1 атм.

Устройство, включающее оба змеевика ab и cd, в котором происходит охлаждение газа встречным потоком охлажденного газа, называется теплообменником. В машине Линде теплообменник осуществляется в виде вставленных одна в другую трубок, которым вместе придавалась форма змеевика. Газ высокого давления поступает по внутренней трубке. Встречный поток охлаждённого газа низкого давления проходит по внешней трубке, омывая внутреннюю и охлаждая, таким образом, газ в ней.

Второй метод сжижения газов называется методом Клода, он основан на методе адиабатного расширения в детандерах. Рассмотрим его принципиальное отличие от метода Линде.

При дросселировании газа охлаждение достигается за счёт внутренней работы, совершаемой газом против сил притяжения между молекулами. Как известно, охлаждение газа происходит и в том случае, когда он адиабатно расширяется, совершая внешнюю работу. Газ, расширяясь и совершая при этом работу, уменьшает свою внутреннюю энергию, а значит, и температуру. Это в равной мере относится и к идеальному, и к реальному газам. Причиной охлаждения газа при совершении им внешней работы является уменьшение скоростей молекул при их ударах об удаляющийся от них поршень, которому они передают часть своей кинетической энергии. Охлаждение при адиабатном расширении с совершением внешней работы должно быть более эффективным, чем при дросселировании, так как адиабатное расширение – процесс обратимый, в то время как эффект Джоуля – Томсона – процесс необратимый. А, как известно, обратимость процессов в машине обеспечивает большой коэффициент полезного действия. Часть, в которой происходит расширение газа, называется детандером.

Впервые такая машина для сжижения газов (рис.2) была построена Клодом в 1902 году для сжижения воздуха.

сжиженный газ метод линде

Рис.2. Схема машины Клода

Рассмотрим принцип действия этой машины. Газ подвергается изотермическому сжатию в компрессоре K, откуда он поступает в теплообменник E1. Здесь он разделяется на два потока (в точке O). Первый идёт через теплообменник E2 к дроссельному вентилю и подвергается дросселированию с охлаждением за счёт эффекта Джоуля – Томсона; второй поток (на его долю приходится 80% газа) поступает в детандер, расширяется в нём, совершая работу, и за этот счёт охлаждается. Из детандера охлаждённый газ возвращается в теплообменник E1, охлаждая встречную очередную порцию сжатого газа. К нему в точке Oґ присоединяется и тот газ, который охладился в результате дросселирования. До этого он, проходя через теплообменник E2, тоже охлаждал встречный газовый поток. Таким образом, из описания метода Клода видно, что охлаждение в детандере используется для предварительного охлаждения перед дросселированием.

В первой машине Клода детандер представлял собой поршневую машину. Работу, которую в ней совершает сжатый газ, можно использовать для облегчения работы компрессора, для принудительной смазки машины и т. д.

Условия, характерные для машины Клода (ожижающей воздух), примерно таковы: давление на выходе из компрессора 40 атм, температура на входе в детандер (после охлаждения в теплообменнике E1) 200 К; температура после расширения в детандере 110 К при давлении в 1 атм.

По сравнению с методом адиабатического охлаждения метод, основанный на эффекте Джоуля – Томсона, обладает большей простотой. В нём не возникает проблемы смазки, поскольку используемая аппаратура не содержит никаких подвижных частей, работающих при низких температурах. Однако за эту простоту приходиться платить огромной потерей эффективности охлаждения и необходимостью работать при высоких давлениях с использованием больших количеств газа. Охлаждение, которое можно получить адиабатическим расширением, обычно много больше того, что даёт эффект Джоуля – Томсона. Но при этом встречаются существенные трудности, связанные со смазкой подвижных узлов: при низких температурах масло замерзает. Например, Клод применял прокладки из сухой обезжиренной кожи. Роль смазки играл сам воздух, просачивающийся в небольшом количестве между уплотнением поршня и стенками цилиндра (3).

3. Использование сжиженных газов

Сжижение газов имеет техническое и научное значение. Сжижение воздуха используется в технике для разделения воздуха на составные части. Метод основан на том, что различные газы, из которых состоит воздух, кипят при различных температурах. Наиболее низкие температуры кипения имеют гелий, неон, азот, аргон. У кислорода температура кипения несколько выше, чем у аргона. Поэтому сначала испаряется гелий, неон, азот, а затем аргон, кислород.

Сжиженные газы находят широкое применение в технике. Азот идёт для получения аммиака и азотных солей, употребляемых в сельском хозяйстве для удобрения почвы. Аргон, неон и другие инертные газы используются для наполнения электрических ламп накаливания, а также газосветных ламп. Наибольшее применение имеет кислород. В смеси с ацетиленом или водородом он даёт пламя очень высокой температуры, применяемое для резки и сварки металлов. Вдувание кислорода (кислородное дутьё) ускоряет металлургические процессы. Доставляемый из аптек в подушках кислород действует как обезболивающее. Особенно важным является применение жидкого кислорода в качестве окислителя для двигателей космических ракет.

Жидкий водород используется как топливо в космических ракетах. Например, для заправки американской ракеты «Сатурн – 5» требуется 90т жидкого водорода.

Жидкий аммиак нашёл широкое применение в холодильниках – огромных складах, где хранятся скоропортящиеся продукты. Охлаждение, возникающее при испарении сжиженных газов, используют в рефрижераторах при перевозке скоропортящихся продуктов.

Газы, применяемые в промышленности, медицине и т. п., легче перевозить, когда они находятся в сжиженном состоянии, так как при этом в том же объёме заключается большее количество вещества.

Выводы

В проделанной работе я рассмотрела природу явления и свойства сжиженных газов, а также 2 основных метода, с помощью которых сжижают газы. Сравнив оба метода, я выяснила, что наиболее простой и безопасный метод Линде, но метод Клода является эффективнее, то есть имеет высокий коэффициент полезного действия, хоть и возникает проблема со смазкой движущихся узлов. Далее были рассмотрены области применения сжиженных газов. Сжиженные газы применяются не только в технике, медицине и сельском хозяйстве, но и в науке. С помощью сжиженных газов исследуются свойства других веществ при температуре близкой к абсолютному нулю, когда движения молекул в веществе минимальны.

Список используемой литературы

1. Мякишев Г.Я.,Синяков А.З. Физика. Молекулярная физика. Термодинамика. 10 кл. М.:Дрофа 2007. 349с.

2. Кикоин А.К., Кикоин И.К. Молекулярная физика. М.: Наука 1976. 480 с.

3. Сивухин Д.И. Общий курс физики. Термодинамика и молекулярная физика. М.: Наука 1979. 552 с.