Kaskadowe urządzenia do skraplania gazów Damian Siupka-Mróz IMM sem.9
1. Kaskadowe skraplanie gazów: Metoda skraplania, wykorzystująca coraz niższe temperatury skraplania kolejnych gazów. Metodę tę stosuje się pod zmniejszonym ciśnieniem, kolejne skroplone i wrzące gazy obniżają temperaturę dla kolejnych skropleń w niższych temperaturach. Metodę tę opracowali Karol Olszewski i Zygmunt Wróblewski, którzy 5 kwietnia 1883 jako pierwsi w historii skroplili tlen, a kilka dni później 13 kwietnia, azot. W tym celu musieli oziębić gazy poniżej temperatury -164 C. Etapy skraplania: a) najpierw skraplamy gaz, który da się skroplić w temperaturze pokojowej stosując odpowiednio wysokie ciśnienie; b) skroplony gaz zmuszamy do gwałtownego wrzenia pod obniżonym ciśnieniem; temperatura skroplonego gazu obniża się; c) oziębionej cieczy używamy do oziębienia następnego gazu, który w tej niższej temperaturze może być skroplony.
Rysunek powyżej przedstawia schemat aparatury użytej przez Wróblewskiego i Olszewskiego do skroplenia składników powietrza. W 1882 roku francuski fizyk L. P. Cailletet osiągnął temperaturę -105 o C w kapilarze otoczonej wrzącym etylenem. Wróblewski i Olszewski przebudowali aparaturę Cailleteta. Znacznie obniżyli ciśnienie nad parującym etylenem (do 1/30 atm), co pozwoliło na uzyskanie temperatury -160 o C, a więc niższej od temperatury krytycznej tlenu (ok. -119 o C). Tym samym krakowscy naukowcy wygrali wyścig z czasem z Francuzami. Było wiele niedomówień w tej sprawie ale fakt pozostaje faktem, iż Wróblewski i Olszewski jako pierwsi widzieli tlen i azot w stanie ciekłym, z charakterystycznym dla tego stanu meniskiem. Sprawa skroplenia tzw. trwałych gazów miała olbrzymie znaczenie dla potwierdzenia budowanej wówczas teorii kinetyczno-molekularnej materii.
2. Skraplarki (chłodziarki) Joule a-thomsona. Skraplarki Joule-Thomsona nie posiadają części ruchomych i łatwo dają się miniaturyzować. Są one przede wszystkim używane do chłodzenia detektorów podczerwieni, elementów elektroniki oraz niewielkich próbek w badaniach materiałowych. Mogą być również stosowane w kriochirurgii. Ze względu na wysokie ciśnienie pracy, które powinno być możliwie bliskie ciśnieniu inwersji, skraplarki takie są przede wszystkim używane w obiegach otwartych. Schemat ideowy skraplarki (chłodziarki) J-T pracującej w układzie otwartym pokazano na rys. 1, natomiast na rys. 2 odwzorowano obieg skraplarki we współrzędnych: T s. Zasada działania skraplarki (chłodziarki) pracującej w obiegu otwartym jest następująca: źródłem gazu o wysokim ciśnieniu jest butla z gazem I (najczęściej jest to azot lub argon - w Polsce butle napełnia się do ciśnienia 15 MPa), następnie poprzez zawór II gaz trafia do rekuperacyjnego wymiennika ciepła III gdzie zostaje wstępnie oziębiony przez powracający z parowacza V gaz będący pod niskim ciśnieniem. Za wymiennikiem ciepła strumień czynnika o wysokim ciśnieniu zostaje zdławiony izentalpowo w zaworze JouleThomsona IV, gdzie następuje obniżenie jego temperatury i częściowe skroplenie (skropleniu ulega do kilku procent gazu), Następnie strumień skroplonego gazu trafia do parowacza V, gdzie wrze przy stałej temperaturze, a reszta nie skroplonego gazu trafia do wymiennika ciepła III. Z wymiennika ciepła gaz wydostaje się do atmosfery.
3. Proces dławienia. Procesem, dzięki któremu uzyskuje się obniżenie temperatury czynnika w chłodziarce Joule a-thomsona jest dławienie. Dławieniem nazywa się taki proces, który realizuje się w przepływającym płynie wskutek nagłej zmiany przekroju przewodu. Zaburzenie jakie powstaje w płynie w miejscu przewężenia przekroju powoduje niestatyczność procesu i tym samym nieokreśloność parametrów i funkcji stanu przepływającego płynu. Jeśli przewód, w którym zachodzi dławienie jest adiabatycznie izolowany wtedy proces jest izoenergetyczny. 4. Skraplanie gazu ziemnego Skroplenie gazu ziemnego wymaga odebrania od niego ciepła w całym zakresie temperatur od temperatury otoczenia do około 100 K. W zależności od składu skraplanego gazu ziemnego ilość odebranego ciepła wynosi od 600 do 650 kj/m3 (dla czystego metanu wynosi ona 912,7 kj/kg, co odpowiada 654 kj/m3). Ponieważ gaz ziemny po oczyszczeniu pozostaje mieszaniną węglowodorów z domieszkami innych gazów, jego skraplanie odbywa się przy zmiennej temperaturze. Zakresy temperatur, w których odbywa się przemiana fazowa gazu ziemnego są tym większe im niższe jest ciśnienie skraplania i mogą dochodzić do kilkudziesięciu K. Przykładową zależność skumulowanego ciepła odebranego od gazu w trakcie jego schładzania i skraplania pokazano na rysunku 1. Rys.1 Przykładowe przebiegi izobar gazu ziemnego w obszarze jedno- i dwufazowym Uzmiennienie temperatury skraplania gazu ziemnego powoduje, że przy jego skraplaniu należy rozwijać niewiele zmieniającą się moc chłodniczą w całym zakresie temperatur, od temperatury otoczenia do 111 K, a w przypadku przechłodzenia cieczy do około 100 K (rys.2).
Rys.2 Skumulowane ciepło odebrane od gazu ziemnego w trakcie jego skraplania Im wyższe jest ciśnienie skraplania, tym mniej wyraźny jest obszar skraplania. W najprostszy sposób gaz ziemny może zostać skroplony w jednostopniowej chłodziarce Joule-Thomsona lub Braytona przedstawionych na rysunku 3. Czynnikiem roboczym chłodziarek może być metan lub azot. Gaz ziemny przepływa przez wymiennik ciepła, gdzie ulega ochłodzeniu od temperatury otoczenia i następnie skropleniu. Wymiennik ciepła jest równocześnie rekuperatorem chłodziarki i stanowi podstawowy element skraplarki gazu. Wadą układu przedstawionego na tym rysunku jest duża różnica temperatur pomiędzy parującym metanem lub azotem, a ochładzanym gazem ziemnym, decydująca o niskiej efektywności termodynamicznej procesu. Poprawę efektywności można uzyskać przez zastąpienie czystego gazu mieszaniną azotu, metanu i etanu. Skraplanie gazu ziemnego może odbywać się w układach kaskadowych z użyciem trzech czystych czynników: propanu, etylenu i propanu - rysunek 5. W układach takich moc chłodnicza jest wytwarzana na trzech poziomach temperatury i występują znacznie mniejsze różnice temperatur pomiędzy skraplanym gazem i parującymi czynnikami chłodniczymi niż w przypadku układu jednostopniowego przedstawionego na rysunku 3.
Rys.3 Jednostopniowy układ skraplania gazu ziemnego Skraplanie gazu ziemnego może odbywać się również w układzie przedstawionym na rysunku 4. Rys.4 Skraplanie gazu ziemnego z wykorzystaniem separatorów cieczy W układzie tym zastosowana została jedna sprężarka, której czynnikiem roboczym jest na przykład mieszanina azotu, metanu, etanu, propanu i izopentanu, natomiast dzięki zastosowaniu separatorów cieczy unika się zamarzania wyżej wrzących czynników w niskich temperaturach, w szczególności przy temperaturze kondensacji metanu.