Вблизи абсолютного нуля

Фабрика кислорода

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.

Многим кажется странным, зачем в одной установке иметь и детандер и дроссель. Оказалось, что получать жидкий газ в детандере не очень удобно. Там стоит поршень или турбина. Жидкость будет мешать им работать. Значит, охладить газ в детандере хорошо, а вот доводить до жидкого состояния лучше где-нибудь в другом месте. Другое дело — дроссельная установка. После дроссельного вентиля жидкий воздух никому уже не мешает.

Итак, цикл Капицы. Воздух под небольшим давлением попадает в установку. Это тоже преимущество установки Капицы — не надо сильно повышать давление газа.

На пути воздуха из компрессора в холодильную установку стоит… холодильник! Да, да, именно холодильник.

Как уже отмечалось, и при дросселировании и в детандере газ лучше отдает тепло, если он предварительно охлажден. Поэтому там стоят холодильные установки, в которых циркулирует жидкий аммиак — он сжижается при температуре минус 33,4 °C.

Предварительно охлажденный воздух не сразу попадает в детандер или на дроссельную установку. На его пути стоит теплообменник. Здесь воздух охлаждается встречным потоком холодного воздуха, который появляется после турбодетандера.

Охладили порцию воздуха. И тут ее разделяют на две части.

Одна, основная, мчится к турбодетандеру. Другая — на дроссельную установку. По пути воздух проходит еще один теплообменник и охлаждается очень сильно. Теперь уже после дроссельного вентиля появляются капельки жидкости.

В турбодетандере жидкость не образуется. Там только сильно охлаждают воздух, чтобы затем пустить его в оба теплообменника. И он делает свое дело.

Дальше жидкий воздух начинает свое неторопливое путешествие по разделительным тарелкам. Одна тарелка за другой — так и спускается газ, пока не обернется голубоватым кислородом.

А где его используют, вы уже знаете. Вот азот пока что для нас фигура темная. А между тем сосуды с жидким азотом можно встретить довольно часто.