Типичным примером, где наряду с давлением применяется глубокий холод, являются процессы сжижения многих газов. Сжижение газов широко применяется для следующих целей:

в соединении с фракционной перегонкой или ректификацией для разделения газовых смесей на их составные части; 2) для уменьшения объема газов при их перевозке и хранении; 3) для проведения работ, связанных с глубоким охлаждением.

Промышленные установки глубокого охлаждения широко распространены в отечественной промышленности. Кислород, если не считать электролиза воды, почти исключительно полу­чается этим методом. Азот и большая часть водорода для заво­дов синтеза аммиака получаются глубоким охлаждением. Этим же путем извлекают из воздуха аргон, неон, ксенон, криптон и из природных газов — гелий.

Газы сжижаются только при температуре не выше крити­ческой и давлениях, соответствующих этим температурам.

Приведем основные данные для некоторых постоянных газов (газов с низкой критической температурой). Как видно из табл. 2, для сжижения постоянных газов тре­буются низкие температуры, для получения которых пользуются расширением сжатых га­зов. Газ, расширяясь, мо­жет либо производить, ли­бо не производить внеш­нюю работу.

Таблица 2. Критические данные газов

Идеальный газ при расширении без соверше­ния внешней работы со­храняет температуру по­стоянной, однако реаль­ные газы отклоняются от этой закономерности, чем и пользуются для целей глубокого охлаждения. При обычных температу­рах и не очень высоких давлениях газы, за ис­ключением водорода и гелия, охлаждаются при дросселировании (положительный эффект Джоуля-Томсона).

При повышении температуры (или давления) вначале дости­гается точка инверсии, когда газы не меняют температуры при дросселировании, а затем эффект Джоуля-Томсона становится отрицательным, т. е. газы при расширении нагреваются. Газы при нормальном давлении имеют следующие точки инверсии: воздух +360°, водород —80,5°, гелий — 258°, следовательно, во­дород и гелий не могут быть ожижены дросселированием без значительного предварительного охлаждения за счет других газов.

В промышленных установках постоянные газы ожижаются одним из трех способов:

- путем дросселирования, используя для охлаждения положительный эффект Джоуля-Томсона;

- путем совершения газами внешней работы, заставляя их расширяться в поршневом или турбинном двигателе-детандере;

- комбинацией обоих способов.

Охлаждение путем дросселирования приблизительно пропор­ционально разности давлений, тогда как работа сжатия зависит от отношения конечного и начального давлений. Охлаждения, получающиеся при расширении газа от 200 до 50 ат и от 150 до 1 ат, приблизительно равны между собой, в то время как ра­бота сжатия в первом случае составляет около 1/4 работы во втором. Этим преимуществом проведения процесса под высоким давлением пользуются на некоторых установках, заставляя основную массу газа расширяться лишь до 50 ат и возвращаться на третью ступень компрессора для повторного сжатия до 200 ат. Первые две ступени компрессора засасывают и сжимают до 50 ат лишь то количество газа, которое выводится из системы в виде конечного продукта (жидкого или газообразного). Этим путем значительно снижается расход энергии на единицу про­дукции.

На установках, работающих с использованием внешней ра­боты газа, применяют сравнительно невысокие давления. Работа, затраченная компрессором на сжатие газа, при этом частично возвращается двигателем, кроме того достигается значительно большее понижение температуры, чем при простом дросселиро­вании; так при адиабатическом расширении с давления 40 ата до 1 ата, воздух с начальной температурой 15° охлаждается до —172°, вместо +7° под влиянием дросселирования. Расшире­ние газа осуществляется поршневыми машинами (детандерами), смазываемыми петролейным эфиром, или более совершенными детандерами турбинного типа, работающими без смазки.

Установки, работающие по комбинированному методу, при­меняют обычно давление 150—200 ат, при этом часть сжатого газа расширяется в детандере, а часть дросселируется. Преиму­щество этих установок — их экономичность.

Рассмотрим схему комбинированной установки для получе­ния жидкого и газообразного кислорода (рис. 8).

Установка имеет следующие основные элементы: компрессор высокого давления, декарбонизатор, осушительную батарею, детандер, разделительный аппарат, оборудование для хранения жидкого и газообразного кислорода.

Компрессор засасывает воздух через воздушный фильтр 1 с кольцевой насадкой, смазанной висциновым маслом. Очищен­ный от механических примесей воздух сжимается компрессором, имеющим после каждой ступени холодильник с водяным охла­ждением и масловодоотделитель. После второй ступени воздух, сжатый до 12—15 ат, поступает в декарбонизатор 4, заполнен­ный раствором едкого натра до середины соединительной трубы, имеющей кольцевую насадку, и очищается от углекислоты. Далее воздух сжимается в III и IV ступенях и поступает в осуши­тельную батарею 6, где влага поглощается кусковым едким натром.

Очистка воздуха от углекислоты и влаги необходима на всех установках глубокого охлаждения, так как вода и углекислота будут замерзать в теплообменнике разделительного аппарата, нарушая тем самым его нормальную работу.

Рис. 8. Схема установки для получения жидкого и газообразного кислорода из атмосферного воздуха.  

1—фильтр; 2—воздушный компрессор до давления 220 ат; 5— холодильники; 4— декарбонизатор; 5 - бак для щелочи; 6—осушительная бата­рея; 7 - разделительный аппарат двухкратной ректификации; 8 — теплообменник; 9—нижняя ректификационная колонна; 10- верхняя ректифика­

ционная колонна; 11—испаритель; 12 - конденсатор; 13 - газовый счетчик; 14-газгольдер; 15-кислородный компрессор; 16 - наполнительная рампа; 17 — детандер (расширительная машина); 18—фильтр; 19—танк для жидкого кислорода.

Осушенный воздух проходит через двухсекционный теплооб­менник 8 у разделительного аппарата 7. Разделительный аппарат — двойной ректи­фикации; он имеет ниж­нюю ректификационную колонну 9 с кольцевой на­садкой и верхнюю 10 — тарельчатую. Воздух, ох­лажденный отходящим из аппарата азотом и кисло­родом, проходит змеевик испарителя 11, откуда че­рез дроссельный вентиль подается на середину ниж­ней ректификационной колонны. В нижней ко­лонне проводится процесс предварительной ректи­фикации под давлением 5—5,5 ати, при этом в ис­парителе 11 накапливает­ся жидкость с содержа­нием 40—50% кислорода, а в карманах, располо­женных под трубчатым конденсатором 12, нака­пливается жидкий азот, имеющий концентрацию 93—95% N2.

Жидкость из испари­теля дросселируется и поступает по трубке на 31-ю тарелку в средней части колонны 10, а жид­кий азот дросселируют на верхнюю — 48-ю тарелку.

В верхней колонне происходит окончательное разделение воздуха на азот и кислород при не­большом давлении 0,3— 0,4 ати. Газообразный азот через азотную секцию теплообменника 8 уходит в атмосферу, а газообраз­ный кислород из верхней междутрубной части кон­денсатора 12 проходит кислородную секцию теплообменника и через газовый счетчик 13 отводится в газгольдер. Из газгольдера кислород засасывается кислородным компрессором 15 и через наполнительную рампу заполняет баллоны до рабочего давления 150 ат.

При пусковом периоде, когда необходимо охладить раздели­тельный аппарат и накопить в его испарителе и конденсаторе жидкость, воздух сжимается компрессором до давления 200— 220 ат. Когда же процесс установится, то для нормального ре­жима достаточно давление 55—60 ат.

Когда надо получить большую часть кислорода в жидком виде, потери холода увеличиваются за счет холода, отводимого из аппарата вместе с жидким кислородом. Эта дополнительная потеря требует сжатия компрессором воздуха до давления 200—220 ат. Кроме того, при работе на жидкий кислород около 50% воздуха из осушительной батареи поступает в детандер 17, где, расширяясь до 6 ат, воздух охлаждается до —130°, при этом работа передается от детандера к компрессору при помощи ре­менной передачи. Затем эта часть воздуха проходит через фильтр в детандерную ветвь теплообменника 8 и, охладившись допол­нительно в теплообменнике, поступает непосредственно в испари­тель нижней колонны.

Полученный жидкий кислород сливают из межтрубной части конденсатора в стационарный танк 19, из которого по мере надобности развозят в транспортных танках к местам потре­бления.

При работе установки на жидкий кислород около 20% кисло­рода получают в газообразном состоянии.