Получение и использование сжиженных газов

Содержание
 
Введение
1. Природа явления и свойствасжиженных газов
2. Способы получения сжиженных газов
3. Использование сжиженных газов
Выводы
Список используемой литературы

Введение
 
Любой газ можно превратитьв жидкость простым сжатием, если температура газа ниже критической. Поэтомуделение веществ на газы и жидкости в значительной мере условно. Те вещества,которые мы привыкли считать газами, просто имеют очень низкие критическиетемпературы, то есть температуры, после достижения которых, газ приобретаетсвойства жидкости, и поэтому при температуре, близкой к комнатной, не могутнаходиться в жидком состоянии. Наоборот, у веществ, причисляемых нами кжидкостям, критические температуры велики.
Первый газ (аммиак) былобращён в жидкость уже в 1799 г. Дальнейшие успехи в сжижении газов связаны сименем английского физика М. Фарадея (1791 – 1867), который сжижал газы путёмих одновременного охлаждения и сжатия. Ко второй половине 19 века из всехизвестных в то время газов остались не сжиженными только шесть: водород,кислород, азот, оксид азота, оксид углерода и метан, — их назвали постояннымигазами. Задержка в сжижении этих газов ещё на четверть столетия произошлапотому, что техника понижения температуры была развита слабо, и они не моглибыть охлаждены до температуры ниже критической. Когда физики научились получатьтемпературы порядка 1 К, удалось все газы обратить не только в жидкое, но и втвёрдое состояние. [1]
Целью данной работыявляется рассмотрение природы явления и свойств сжиженных газов, а такжеизучение способов получения и использования таких газов. Тема работы актуальнана сегодняшний день, так как сжиженные газы востребованы во многих областяхмедицины, науки и техники.

1. Природаявления и свойства сжиженных газов
 
Непрерывные хаотическиетепловые движения, в которых всегда участвуют частицы любого вещества иинтенсивность (энергия) которых определяет его температуру, оказываютсущественное влияние на все происходящие в веществе явления. Именно поэтомупочти всякое свойство вещества, так или иначе, зависит от температуры, то естьот интенсивности тепловых движений частиц в нём.
Изучение свойств веществапри очень низких температурах, когда молекулярные движения ослаблены,представляет большой интерес. Только при низких температурах можно исследоватьте или иные явления в условиях, когда постоянный фон тепловых движений невлияет на них.
При низкотемпературныхисследованиях изучаемое тело приводят в контакт с телом достаточно низкойтемпературы, с так называемым хладагентом. Задачей техники низких температур иявляется создание таких хладагентов. Ими обычно являются различные сжиженныегазы, находящиеся в состоянии кипения. Они особенно удобны тем, что контакт сохлаждаемым телом не изменяет их температуру, а приводит лишь к болееинтенсивному испарению. Именно сжижение газов открыло для исследования областьнизких температур, в том числе и самых низких – близких к абсолютному нулю.
Всякий газ может бытьпереведён в жидкое состояние, но необходимым условием для этого являетсяпредварительное охлаждение газа до температуры ниже критической. Углекислыйгаз, например, можно сжижить при комнатной температуре, поскольку егокритическая температура равна 31,1єС. То же, можно сказать и о таких газах, какаммиак и хлор.
Но есть и такие газы,которые при комнатной температуре нельзя перевести в жидкое состояние. К такимгазам 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 температурынесколько ниже критической, после чего повышением давления газ может бытьпереведён в жидкое состояние. Сжиженные таким образом газы удобнее хранить податмосферном давлении (в открытом сосуде), но в этом случае их температурадолжна быть ещё более низкой – такой, при которой давление будет равно 1 атм.Для азота температура хранения соответствует 77,4 К, в то время как критическаятемпература азота равна 126,1 К. Для кислорода эти цифры соответственно равны90 К и 154,4 К, для водорода 20,5 К и 33 К и для гелия 4,4 К и 5,3 К. Этичетыре газа широко используются практически, в том числе и как хладагенты.
Из приведенных цифр, каккритических температур, так и тех конечных температур, до которых должны бытьохлаждены сжижаемые газы, видно, что охлаждение требуется весьма значительное.Для достижения столь сильного охлаждения обычно используются два метода (поотдельности и комбинированно), которые будут рассмотрены далее. [2]
2. Способыполучения сжиженных газов
 
Первый метод сжижениягаза связан с использованием эффекта Джоуля – Томсона. Видоизменение опыта порасширению газа, предложенное Джоулем и Томсоном, позволяет достичь заметногоизменения температуры газа, в частности охлаждения, обусловленного егонеидеальностью, так как расширение идеального газа в пустоту не сопровождаетсяизменением его температуры. Газ при достаточно большом, но постоянном давлениивынуждают протекать через теплоизолированную пористую перегородку. Это значит,что протекание газа происходит адиабатно. Гидродинамическое сопротивлениеперегородки приводит к тому, что на ней теряется часть давления газа и газвыходит из перегородки при более низком давлении. Газ расширяется илидросселируется. Дросселем называется любое устройство, представляющеесопротивление для протекания газа. Для того, чтобы течение газа былостационарным, то есть происходило при постоянных значениях давлений по обестороны дросселя, необходим какой-либо насос (компрессор), который поддерживалбы постоянными эти давления. Этот компрессор производит внешнюю работу сжатиягаза. Этим процесс дросселирования отличается от расширения газа в пустоту, прикотором внешняя работа равна нулю. Явление изменения температуры газа при его адиабатномрасширении дросселированием от одного постоянного давления к другому называетсяэффектом Джоуля – Томсона. Изменение температуры неидеального газа в процессеДжоуля – Томсона объясняется тем, что при расширении газа увеличиваетсярасстояние между молекулами и, следовательно, совершается внутренняя работапротив сил взаимодействия между молекулами. За счёт этой работы изменяетсякинетическая энергия молекул, а, следовательно, и температура газа. В идеальномгазе, где силы взаимодействия молекул равны нулю, эффекта Джоуля – Томсона нет.
В исторически первоймашине для сжижения газов (воздуха) в технических масштабах (Линде и Гэмпсон, 1895 г.) для охлаждения газов ниже критической температуры и последующего сжижения использовалсяметод дросселирования. Приведём схему машины Линде (рис.1), в которой помимоэффекта Джоуля – Томсона был применён важный конструктивный принциппротивоточного теплообмена и теперь применяемый во всех ожижительных машинах.
Воздух поступает в компрессорK, в котором он сжимается до 200 атм.После этого он проходит через змеевик, охлаждаемый проточной водой, где онотдаёт тепло, выделившееся при сжатии. Таким образом, в дальнейший путь ксжижению идёт сжатый газ с температурой такой же, как и до сжатия. Этот газпроходит затем через змеевик ab к дроссельному вентилю (крану) V1 и расширяется через него в приёмникf до давления в 1 атм. При этом расширении газ несколько охлаждается, но ненастолько, чтобы превратиться в жидкость. Охлаждённый, но не сжижавшийся газвозвращается затем обратно через змеевик cd. Оба змеевика, ab и cd, расположены друг относительно друга так, что между ними, атакже между порциями газа, проходящими по ним, существует тепловой контакт.Благодаря этому испытавший расширение и охлаждение газ охлаждает идущую емунавстречу порцию сжатого газа, которой ещё предстоит расшириться через вентильV1. В этом и заключается метод противоточного обмена теплом.
/>
Рис.1. Схема машины Линде
Ясно, что вторая порциягаза подойдёт к расширительному вентилю V1, имея более низкую температуру, чемпервая, а после дросселирования она ещё больше понизиться. Таким образом, квентилю будет подходить всё более холодный газ. Через некоторое время посленачала работы машины постепенное охлаждение газа холодными встречными потокамиприведёт к тому, что газ при очередном дросселировании начнёт частичносжижаться и накапливаться в приёмнике f, откуда он может быть слит через кранV2 в сосуд для хранения сжиженных газов (сосуд Дьюара).
При установившимсяпроцессе работы машины в разных её местах наблюдаются приблизительно такиетемпературы: у входа в змеевик ab температура 293 К (комнатная); на выходе изэтого змеевика 170 К; после дросселирования 80 К, у входа в змеевик cd 80 К; навыходе из него – комнатная температура. Давление перед вентилем 200 атм, последросселирования 1 атм.
Устройство, включающееоба змеевика ab и cd, в котором происходит охлаждение газа встречным потокомохлажденного газа, называется теплообменником. В машине Линде теплообменникосуществляется в виде вставленных одна в другую трубок, которым вместепридавалась 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 сжижениягазов называется методом Клода, он основан на методе адиабатного расширения вдетандерах. Рассмотрим его принципиальное отличие от метода Линде.
При дросселировании газаохлаждение достигается за счёт внутренней работы, совершаемой газом против силпритяжения между молекулами. Как известно, охлаждение газа происходит и в томслучае, когда он адиабатно расширяется, совершая внешнюю работу. Газ,расширяясь и совершая при этом работу, уменьшает свою внутреннюю энергию, азначит, и температуру. Это в равной мере относится и к идеальному, и креальному газам. Причиной охлаждения газа при совершении им внешней работыявляется уменьшение скоростей молекул при их ударах об удаляющийся от нихпоршень, которому они передают часть своей кинетической энергии. Охлаждение приадиабатном расширении с совершением внешней работы должно быть болееэффективным, чем при дросселировании, так как адиабатное расширение – процессобратимый, в то время как эффект Джоуля – Томсона – процесс необратимый. А, какизвестно, обратимость процессов в машине обеспечивает большой коэффициентполезного действия. Часть, в которой происходит расширение газа, называетсядетандером.
Впервые такая машина длясжижения газов (рис.2) была построена Клодом в 1902 году для сжижения воздуха.
сжиженный газметод линде
/>
Рис.2. Схема машины Клода
Рассмотрим принципдействия этой машины. Газ подвергается изотермическому сжатию в компрессоре K,откуда он поступает в теплообменник E1. Здесь он разделяется на два потока (вточке O). Первый идёт через теплообменник E2 к дроссельному вентилю иподвергается 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 детандераохлаждённый газ возвращается в теплообменник E1, охлаждая встречную очередную порцию сжатого газа. К нему вточке Oґ присоединяется и тот газ, который охладился в результатедросселирования. До этого он, проходя через теплообменник E2, тоже охлаждалвстречный газовый поток. Таким образом, из описания метода Клода видно, чтоохлаждение в детандере используется для предварительного охлаждения переддросселированием.
В первой машине Клодадетандер представлял собой поршневую машину. Работу, которую в ней совершаетсжатый газ, можно использовать для облегчения работы компрессора, дляпринудительной смазки машины и т. д.
Условия, характерные длямашины Клода (ожижающей воздух), примерно таковы: давление на выходе изкомпрессора 40 атм, температура на входе в детандер (после охлаждения в теплообменникеE1) 200 К; температура после расширения в детандере 110 К при давлении в 1 атм.
По сравнению с методомадиабатического охлаждения метод, основанный на эффекте Джоуля – Томсона,обладает большей простотой. В нём не возникает проблемы смазки, посколькуиспользуемая аппаратура не содержит никаких подвижных частей, работающих принизких температурах. Однако за эту простоту приходиться платить огромнойпотерей эффективности охлаждения и необходимостью работать при высокихдавлениях с использованием больших количеств газа. Охлаждение, которое можнополучить адиабатическим расширением, обычно много больше того, что даёт эффектДжоуля – Томсона. Но при этом встречаются существенные трудности, связанные сосмазкой подвижных узлов: при низких температурах масло замерзает. Например,Клод применял прокладки из сухой обезжиренной кожи. Роль смазки играл самвоздух, просачивающийся в небольшом количестве между уплотнением поршня истенками цилиндра [3].

3. Использованиесжиженных газов
 
Сжижение газов имеет техническоеи научное значение. Сжижение воздуха используется в технике для разделениявоздуха на составные части. Метод основан на том, что различные газы, изкоторых состоит воздух, кипят при различных температурах. Наиболее низкиетемпературы кипения имеют гелий, неон, азот, аргон. У кислорода температуракипения несколько выше, чем у аргона. Поэтому сначала испаряется гелий, неон,азот, а затем аргон, кислород.
Сжиженные газы находятширокое применение в технике. Азот идёт для получения аммиака и азотных солей,употребляемых в сельском хозяйстве для удобрения почвы. Аргон, неон и другиеинертные газы используются для наполнения электрических ламп накаливания, атакже газосветных ламп. Наибольшее применение имеет кислород. В смеси сацетиленом или водородом он даёт пламя очень высокой температуры, применяемоедля резки и сварки металлов. Вдувание кислорода (кислородное дутьё) ускоряетметаллургические процессы. Доставляемый из аптек в подушках кислород действуеткак обезболивающее. Особенно важным является применение жидкого кислорода вкачестве окислителя для двигателей космических ракет.
Жидкий водородиспользуется как топливо в космических ракетах. Например, для заправкиамериканской ракеты «Сатурн – 5» требуется 90т жидкого водорода.
Жидкий аммиак нашёл широкоеприменение в холодильниках – огромных складах, где хранятся скоропортящиесяпродукты. Охлаждение, возникающее при испарении сжиженных газов, используют врефрижераторах при перевозке скоропортящихся продуктов.
Газы, применяемые впромышленности, медицине и т. п., легче перевозить, когда они находятся всжиженном состоянии, так как при этом в том же объёме заключается большееколичество вещества.

Выводы
 
В проделанной работе ярассмотрела природу явления и свойства сжиженных газов, а также 2 основныхметода, с помощью которых сжижают газы. Сравнив оба метода, я выяснила, чтонаиболее простой и безопасный метод Линде, но метод Клода является эффективнее,то есть имеет высокий коэффициент полезного действия, хоть и возникает проблемасо смазкой движущихся узлов. Далее были рассмотрены области применениясжиженных газов. Сжиженные газы применяются не только в технике, медицине исельском хозяйстве, но и в науке. С помощью сжиженных газов исследуютсясвойства других веществ при температуре близкой к абсолютному нулю, когдадвижения молекул в веществе минимальны.

Список используемойлитературы
 
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.