Сжижение воздуха

Сжижение воздуха — это технологический процесс перевода атмосферного воздуха из газообразного в жидкое агрегатное состояние путём его охлаждения до криогенных температур (ниже −194,5 °C при атмосферном давлении). Полученная жидкость, называемая жидким воздухом, представляет собой смесь основных компонентов атмосферы (азота, кислорода, аргона, углекислого газа и других газов) в пропорциях, близких к исходным. Сжижение воздуха является ключевым этапом в промышленном разделении воздуха на составляющие газы методом низкотемпературной ректификации.

История

Первые попытки сжижения газов относятся к концу XVIII — началу XIX века. В 1787 году голландский физик Мартинус ван Марум сжал аммиак до давления, при котором тот перешёл в жидкое состояние. Однако для сжижения постоянных газов, таких как воздух, требовались температуры значительно ниже нуля.

В 1877 году французский инженер Луи-Поль Кайете и швейцарский физик Рауль Пикте независимо друг от друга впервые получили жидкий кислород и жидкий азот, используя каскадный метод охлаждения. Кайете сжимал кислород до 300 атмосфер, а затем резко расширял его, что приводило к охлаждению и конденсации. Пикте применял последовательное сжатие и испарение сернистого газа и углекислоты.

Значительный прорыв произошёл в 1883 году, когда польские учёные Зигмунт Врублевский и Кароль Ольшевский в Кракове впервые получили жидкий воздух в стабильном виде. Они использовали аппарат, в котором кислород предварительно охлаждался до −136 °C с помощью испаряющегося этилена, а затем расширялся через вентиль, что позволяло достичь температуры −190 °C и конденсации воздуха.

В 1895 году немецкий инженер Карл фон Линде разработал первый промышленный цикл сжижения воздуха, основанный на эффекте Джоуля — Томсона (охлаждение газа при дросселировании — расширении через сужение). Этот цикл, названный циклом Линде, стал основой для большинства современных криогенных установок. В 1902 году французский инженер Жорж Клод предложил цикл с детандером (поршневым расширителем), который позволял достигать более низких температур с меньшими энергозатратами.

Физические основы процесса

Сжижение воздуха основано на охлаждении газовой смеси ниже её точки росы при данном давлении. Критическая температура воздуха (температура, выше которой газ не может быть сжижен ни при каком давлении) составляет около −140,7 °C. Критическое давление — около 37,6 атмосферы. При атмосферном давлении температура кипения жидкого воздуха составляет примерно −194,5 °C (78,65 К).

Основные физические принципы, используемые для охлаждения:

• Эффект Джоуля — Томсона: при расширении реального газа через дроссель (вентиль, капилляр) без совершения внешней работы его температура изменяется. Для воздуха при комнатной температуре и давлениях выше 40–50 атмосфер эффект положителен — газ охлаждается.
• Адиабатическое расширение с совершением внешней работы: газ, расширяясь в детандере (турбине или поршневой машине), совершает работу и охлаждается значительно сильнее, чем при дросселировании.
• Теплообмен: охлаждённый газ используется для предварительного охлаждения поступающего сжатого воздуха в рекуперативных теплообменниках.

Технологические циклы

Цикл Линде (дроссельный)

В простейшем цикле Линде атмосферный воздух сжимается компрессором до 200–250 атмосфер, затем охлаждается в водяном холодильнике и поступает в рекуперативный теплообменник, где охлаждается встречным потоком холодного газа, возвращающегося из сепаратора. После теплообменника сжатый воздух проходит через дроссельный вентиль, где резко расширяется до давления 1–2 атмосферы. При расширении часть воздуха конденсируется, образуя жидкую фазу. Несконденсировавшийся газ возвращается в теплообменник, охлаждая новый поток. Цикл Линде прост, но энергоэффективность его невысока (теоретический КПД около 10–15 %).

Цикл Клода (с детандером)

В цикле Клода сжатый воздух разделяется на два потока. Один поток охлаждается в теплообменнике и дросселируется, другой — расширяется в детандере, совершая механическую работу и охлаждаясь до более низкой температуры. Оба потока смешиваются и направляются в сепаратор. Использование детандера позволяет снизить энергозатраты на 30–50 % по сравнению с циклом Линде. Современные крупные установки сжижения используют турбодетандеры.

Каскадные циклы

Для повышения эффективности применяются каскадные схемы, в которых используются несколько хладагентов с разными температурами кипения (например, пропан, этилен, метан, азот). Каждый хладагент работает в своём температурном диапазоне, последовательно охлаждая воздух. Такие установки сложнее, но имеют более высокий КПД (до 50–60 %).

Применение

Разделение воздуха на компоненты

Основное промышленное применение сжижения воздуха — его последующая ректификация (разделение) на чистые газы: азот, кислород, аргон, а также редкие газы (неон, криптон, ксенон). Процесс осуществляется в ректификационных колоннах, где жидкий воздух постепенно нагревается, и компоненты с разными температурами кипения разделяются. Крупные воздухоразделительные установки (ВРУ) производят тысячи тонн газов в сутки.

Хранение и транспортировка

Жидкий воздух хранится в криогенных резервуарах (сосуды Дьюара, цистерны) при температуре около −196 °C. Транспортировка осуществляется в специальных автоцистернах или железнодорожных цистернах с вакуумной изоляцией. В жидком состоянии объём воздуха уменьшается примерно в 700 раз по сравнению с газообразным, что делает его удобным для хранения и перевозки.

Использование в качестве хладагента

Жидкий воздух применяется как хладагент в научных исследованиях, для охлаждения сверхпроводящих магнитов, в криогенной технике. Однако из-за опасности конденсации кислорода из воздуха (обогащение кислородом может привести к пожароопасности) в промышленности чаще используют жидкий азот.

Другие применения

• Взрывные работы (жидкий воздух, смешанный с горючими материалами, использовался как взрывчатое вещество в XIX — начале XX века).
• Медицина (криохирургия, хотя чаще используется жидкий азот).
• Производство синтетического топлива (в экспериментальных установках).

Безопасность и опасности

Жидкий воздух представляет значительную опасность при неправильном обращении:

• Криогенные ожоги: контакт с жидкостью или незащищёнными частями оборудования вызывает обморожение тканей.
• Взрывоопасность: при испарении жидкого воздуха в замкнутом пространстве может образоваться взрывоопасная смесь паров с воздухом. Кроме того, при длительном хранении жидкого воздуха происходит фракционирование — кислород (температура кипения −183 °C) испаряется медленнее, чем азот (−196 °C), что приводит к обогащению остатка кислородом. Такой обогащённый кислородом жидкий воздух может вызвать бурное горение или взрыв при контакте с органическими веществами.
• Асфиксия: испаряющийся азот вытесняет кислород из воздуха, что может привести к удушью в плохо вентилируемых помещениях.

Современное состояние

Современные установки сжижения воздуха достигли высокой степени автоматизации и энергоэффективности. Крупнейшие производители криогенного оборудования: Linde (Германия), Air Liquide (Франция), Praxair (США, входит в Linde), Cryogenmash (Россия, входит в ГК «Росатом»). В России действуют несколько крупных воздухоразделительных заводов, в том числе в Балашихе, Череповце, Липецке, Новокузнецке. Разрабатываются технологии сжижения воздуха для накопления энергии (Cryogenic Energy Storage, CES), где жидкий воздух используется как аккумулятор энергии для выравнивания нагрузки в энергосистемах.

Источники

• Фастовский В. Г., Ровинский А. Е., Петровский Ю. В. Криогенная техника. — М.: Энергия, 1974.
• Баранов А. В. Разделение воздуха методом глубокого охлаждения. — М.: Машиностроение, 1981.
• Timmerhaus K. D., Flynn T. M. Cryogenic Process Engineering. — Springer, 1989.
• Данные официальных сайтов компаний Linde, Air Liquide, Cryogenmash (по состоянию на 2024 год).
• Энциклопедия «Кругосвет» (статья «Сжижение газов»).