Борис Смагин - Вблизи абсолютного нуля

Сначала сделаем из воздуха жидкость. А потом пусть один газ испаряется, уходит, а другой — конденсируется. За этими двумя физическими явлениями и скрывается сложный технологический процесс — разделение газов — ректификация.

Собственно говоря, ректификацией называется происходящее много раз испарение жидкости и ее конденсация.

Испарение и конденсация — процессы взаимообратные. Переходит вещество в газообразное состояние — испаряется. Собираются капли жидкости из бывшего газа — конденсация.

Когда жидкость испаряется, она охлаждается. Помните пористые кувшины, фреон — основу работы наших домашних холодильников?

При конденсации это тепло возвращается жидкости. Таков великий закон природы — закон сохранения энергии. Тепловая энергия, как и всякая другая, не может возникнуть ниоткуда и не может пропасть. Она переходит от одного тела к другому или становится энергией другого вида. На тепловых электростанциях превращается в электрическую, в автомобиле — в механическую.

Жидкий воздух содержит в основном два сконденсировавшихся газа — азот и кислород. Давайте пока что говорить только о них. Ведь остальных газов в воздухе около процента. И мы ими пренебрежем на некоторое время.

Воздух становится жидким при —191,8 °C. А по другим данным его температура кипения даже —193,7 °C. Выходит, воздух сжижается не сразу. Почему это так? А потому, что газы воздуха кипят при разных температурах. Азот при —195,8 °C. Кислород сжижается гораздо раньше. Ему хватает —183 °C.

Как раз поэтому и можно отделять сжиженные газы один от другого. Если бы они кипели при одинаковых температурах, дело обстояло бы гораздо хуже.

Представьте себе такую операцию.

Получили мы в холодильной машине жидкий воздух. И в эту холодную жидкость направили струю газообразного кислорода.

Что произойдет в этом случае? Температура кипения кислорода гораздо выше, чем у жидкого воздуха. Значит, кислород немедленно сконденсируется. И сразу же на сцене появится тепловая энергия. Ее называют скрытой теплотой конденсации. Эта энергия скрыта в веществе. Только в момент конденсации, когда газ охлаждается, скрытое тепло становится явным. Куда денется эта энергия? Ее воспримет жидкость — жидкий воздух. У азота температура кипения ниже, чем у кислорода. Значит, часть азота вскипит и превратится в газ.

Вместо газа кислорода появится газ азот. Зато в жидкости будет больше кислорода, чем вначале.

Понимаете теперь, в чем дело? Таким способом мы можем постепенно разделять газы. Вначале в жидком воздухе — на четыре части азота приходится одна часть кислорода. Так же, как и в природном воздухе, из которого мы получали жидкий. После каждой такой операции, после того как кислород газообразный посетит жидкость, в ней будет накапливаться жидкий кислород. А азота там станет все меньше и меньше.

Вот и основа ректификации. Это в самом деле испарение и конденсация. Только испаряется одно вещество — азот, а конденсируется другое — кислород.

Завод, с которым мы хотим познакомиться, — кислородный. На нем получают жидкий кислород. Одним производствам нужен кислород в виде жидкости, других интересует газ. Но из жидкости газ получить уже легко. Она ведь быстро испаряется.

На кислородных заводах ректификация идет в длинных колоннах, которые так и называются ректификационными. Внутри колонн — тарелки! Они и в самом деле напоминают обычную столовую посуду. В каждой из них — воздух, смесь жидкого кислорода и азота. Жидкость стекает из одной тарелки в другую, стекает сверху вниз. Навстречу поднимается струя газа. Там тоже смесь кислорода и азота.

В верхней тарелке — обычный жидкий воздух, полученный тут же, в холодильной машине. А снизу идет не менее обычный воздух — газообразный.

На каждой тарелке происходит своя доля конденсации и испарения. Конденсируется кислород, испаряется азот. После посещения тарелки жидкость обогащается кислородом. С другой стороны, поднимающийся вверх газ захватывает с собой все больше и больше азота.

В результате всех этих операций газы разделяются.

Из крана в нижней части колонны вытекает почти чистый кислород, а вверху специальные устройства отводят газообразный азот.

Так расходятся пути газов в разделительных ректификационных колоннах.

Большая кислородная установка — действительно целый завод! Прежде чем приступить к охлаждению воздуха, его надо очистить. Во-первых, там есть разные примеси — пыль, сажа, всяческие частички. Их не так уж мало — одна сотая грамма на каждый кубометр воздуха. Освободиться от этих примесей нетрудно. Для этого стоят фильтры. Скажем, пористые материалы. Воздух легко проходит через фильтр, а твердые частички застревают в нем.

Во-вторых, в любом сухом воздухе есть немного водяных паров. Они вредны для холодильных установок. Вода будет вымерзать, забивать аппаратуру — в общем, мешать работе установки.

Следовательно, прежде всего надо расправиться с ней, чтобы воздух, попадающий в установку, был абсолютно сухим.

Воду вымораживают или поглощают специальными химическими веществами.

Остается еще один враг, пожалуй более страшный, — углекислый газ. Замерзая, он сразу обращается в твердое вещество и может моментально забить все трубопроводы установки. Поэтому от углекислого газа освобождаются особенно тщательно. Его и вымораживают, и удаляют химически.

Но вот воздух очищен. Можно производить с ним дальнейшие манипуляции. Прежде всего его сжимают. Для этого имеются мощные компрессоры. Это машины, напоминающие обычные насосы — те самые, с помощью которых накачивают автомобильные и велосипедные камеры. Только компрессор посильнее, а принцип работы один и тот же. При каждом рабочем ходе компрессор захватывает очередную порцию воздуха и вталкивает в сосуд. Чем больше воздуха он добавит туда, тем большим станет и давление.

Зачем повышают давление, вы тоже, конечно, помните?

Для дросселирования да и для хорошей работы детандера надо использовать газы повышенного давления. Причем при дросселировании чем больше это давление, тем лучше, тем сильнее будет охлаждение.

Из компрессора сжатый воздух попадает прямо в холодильную машину. Мы знаем машину Линде, уже знакомились с ней. Посмотрим теперь на более современную установку, которую когда-то в лаборатории создал Петр Леонидович Капица. Ее холодильный цикл так и называется циклом Капицы.

Охлаждение воздуха происходит сразу в двух частях установки.

Тут есть и дроссель, есть и турбодетандер. Турбодетандер — небольшая турбина, которую должен вращать охлаждаемый газ. А дроссель — узкая щель. Газ под большим давлением прорывается сквозь эту щель, охлаждаясь на ходу.