Kaskadowe urządzenia do skraplania gazów

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 -105oC 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 oC,
a więc niższej od temperatury krytycznej tlenu (ok. -119 oC). 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.