Теоретические процессы сжижения газов (воздуха)

Идеальный процесс конденсации газов, для которых Т_о.с»Т_кр, может быть проведен тремя методами. Нагляднее эти методы можно отобразить на T, s-диаграмме (см. рис.2.3).

Рис.2.3. Теоретические процессы сжижения воздуха на T, s-диаграмме:

а) 1-2-3 – охлаждением без предварительного сжатия;

б) 1-6-8-3 – охлаждением с предварительным сжатием воздуха;

в) 1-11-3 – изотермным сжатием и адиабатным расширением;

Т_тт – температура тройной точки

Пусть начальное состояние воздуха соответствует условиям окружающей среды. На диаграмме это параметры в т.1 (Т₁=Т_о.с@288 К; Р₁@0,1 МПа). Тогда, получение жидкого воздуха при том же давлении (в т.3 Р₃=Р₁), возможно следующими способами:

1) охлаждением воздуха без предварительного сжатия. В этом способе при неизменном давлении (Р₁=const) от воздуха отводится теплота (процесс 1-2). Температура снижается от Т_о.с до начала фазового перехода в т.2. Теплота охлаждения отводится в окружающую среду какой-либо вспомогательной холодильной или криогенной установкой.

Если в области влажного пара и дальше отводить теплоту, то при неизменной температуре будет происходить конденсация воздуха – процесс 2-3. В конце этого процесса весь газ перейдет в жидкость с параметрами т.3. Теплота конденсации: q_к=i₂-i₃.

На весь переход от газа к жидкости количество теплоты, которое надо отвести от воздуха, будет q_ож=i₁ –i₃, а минимальная затраченная работа равна l_ож=e₃-e₁ (разность эксергий). Если воздух охлаждать дальше, то в т.4 появится твердая фаза – шуга, а в т. 5 воздух полностью перейдет в твердое состояние;

2) сочетанием охлаждения с предварительным изотермическим сжатием. В этом процессе часть теплоты у газа отводится в процессе изотермического сжатия (процесс 1-6). Затем теплота отводится в изобарном процессе охлаждения (процесс 6-7).

Заметим, что если конечное давление изотермического сжатия меньше критического ( < Р_кр), то процесс сжижения будет аналогичен 1-му способу. Только конденсация будет протекать при температуре более высокой, чем при 1-м способе. И чем больше это давление, тем выше температура сжижения и меньше теплота конденсации q_к.

При >P_кр сжижение наступает уже при достижении критической температуры Т_кр (в т.7) и в этом случае теплота конденсации q_к=0. При дальнейшем изобарном охлаждении в т.9 появится шуга, а в т.10 воздух перейдет в твердое состояние. (Линия 9-10 лежит на линии 4-5, т.е. при Т_тт);

3) изотермическим сжатием с последующим адиабатным расширением до конечного давления Р_о.с. Из диаграммы видно, что чем выше давление предварительного (изотермического) сжатия, тем большую долю теплоты сжижения q_ож можно отвести при температуре окружающей среды Т_о.с.

Можно представить себе такой процесс, когда вся теплота q_ож отводится при Т_о.с. Для этого газ изотермически необходимо сжать до такого давления Р₁₁ (процесс 1-11), чтобы при адиабатном его расширении до Р_о.с получить жидкость с параметрами т.3 (процесс 11-3).

Чтобы получить твердую фазу, газ необходимо сжимать до давления Р₁₂, с тем, чтобы при адиабатном расширении получить параметры т.10 (т.5).

В этом способе вся работа сжижения l_ож=e₃-e₁=e₁₁-e₁ идет только на сжатие воздуха. Но чтобы реализовать этот метод, нужны сверхвысокие давления. Для воздуха, например, это давление превышает 45 ГН/м² (45000 МПа), что реализовать нереально. Поэтому для воздуха такой метод неприменим.

Этот способ сжижения применяется для тех газов, у которых Т_кр близка Т_о.с (например, СО₂), т.е. в установках работающих в области холодильной техники (а не криогеники).

На практике используются 1-й и 2-й способы сжижения.

В 1-м – нужны дополнительные холодильные устройства и поэтому это, как правило, малопроизводительные лабораторные или полупромышленные установки.

Все промышленные установки по сжижению воздуха работают по 2-му способу, т.е. сжижение осуществляется охлаждением с предварительным сжатием. В качестве охладителя используется часть сжиженного газа, хотя могут использоваться и вспомогательные холодильные машины.

Теоретически суммарная работа сжижения во всех трех случаях одинакова (при одинаковых начальных и конечных параметрах воздуха). Это теоретически минимальная работа l_мин. Наиболее удобно ее определять как разность эксергий воздуха при конечных параметрах: l_мин=e₃-e₁. Сравнивая эту работу с затратами энергии в реальных установках, можно оценить их эффективность.

Эксергии вычисляются по известным соотношениям [1]:

, кДж/кг; (2.7)

, ¾²¾, (2.8)

где Т_о.с, i_о.с, s_о.с – температура, энтальпия, энтропия воздуха определяются по параметрам на входе в установку,

i₃, s₃ – по параметрам сжиженного воздуха с помощью таблиц или диаграмм [3].