ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Ван дер Стер и Кёлер Установка для получения жидкого азота с газовой холодильной машиной Филипс из "Вопросы глубокого охлаждения Сборник статей " Создание газовой холодильной машины позволило сконструировать простую и экономичную установку для получения жидкого азота. Описанная в статье установка разработана лабораториями фирмы Филипс в Эйндховене (Голландия) и в настоящее время выпущена в продажу. [c.43] Применение жидких азота и воздуха в лабораториях и промышленности за последние годы значительно расширилось. Сжиженные азот и воздух, температуры кипения которых соответственно —196 и —194°С, в основном используются как охлаждающие жидкости. Они, например, находят применение в вакуумной технике (поглощение остаточных газов при низких температурах), при исследованиях свойств твердых тел, для точной сборки деталей и для замораживания химически равновесных состояний с целью их изучения. [c.43] Небольшие количества жидкого воздуха можно просто и дешево получать с помощью газовой холодильной машины. Однако при работе с жидким воздухом необходимы известные предосторожности, так как его соприкосновение с горючими веществами нежелательно. Удобнее пользоваться жидким азотом, особенно если температуру охлаждаемого тела требуется поддерживать постоянной. Разумеется, жидкий азот можно получать непосредственно в газовой холодильной машине, конденсируя азот из баллонов. Но в тех случаях, когда необходимо непрерывное ожижение азота, это потребовало бы слишком большого количества баллонов. [c.43] На фиг. 1 схематически изображены А — газовая холодильная машина Б — ректификационная колонна В — теплообменник, являющийся также выморажнвателем влаги и углекислоты. [c.44] В систему поступает воздух 1, а удаляются жидкий азот 2 и газообразный кислород, загрязненный азотом 3. В теплообменнике В воздух охлаждается уходящим из колонны кислородом, а также осушается за счет вымерзания примесей. В кубе колонны воздух окончательно охлаждается, и из него вымерзают остатки паров воды и углекислоты. Затем воздух поступает в колонну. Пары практически чистого азота 4 из верхней части колонны конденсируются в холодильной машине А. Часть конденсата, представляющего конечный продукт 2, сливается из установки, а оставшаяся часть возвращается в колонну в качестве флегмы 5. Охлаждение воздуха в кубе колонны вызывает испарение жидкого кислорода, пары которого частично возвращаются в колонну, а частично удаляются через теплообменник В. [c.44] Следует отметить, что, хотя в колонну подается жидкий азот сверху, а газообразный кислород снизу, из установки выходят жидкий азот и газообразный кислород. Если бы потребовалось отбирать жидкий кислород из куба, то его теплоту испарения было бы невозможно использовать для охлаждения поступающего воздуха, что привело бы к уменьшению количества отводимого жидкого азота. Это сразу станет очевидным, если учесть, что холодопроизводительность установки постоянна. [c.44] В пусковой период установка должна быть охлаждена до рабочей температуры, т. е. до (—196) — (—183)°С. В это время воздух поступает в холодильную машину непосредственно через отдельный вымораживатель влаги и углекислоты. Пропускание воздуха через еще не охлажденные теплообменник и куб могло бы привести к забивке установки. Охлаждение колонны производится стекающим в нее из машины жидким воздухом. [c.44] В установке, работающей по схеме, представленной на фиг. 1, флегмовое число г, равное в данном случае отношению количества стекающей по колонне жидкости к количеству сливаемого из установки азота, не может быть выбрано произвольным. Для определения флегмового числа составим тепловой баланс колонны и теплообменника. На приведенной схеме (фиг. 2) буквами А, Б, В по-прежнему обозначены холодильная машина, ректификационная колонна и теплообменник-вымо-раживатель. Воздух [1а и 16) при комнатной температуре поступает в установку. Кислород 2 при той же температуре ) и жидкий азот 6 выходят из установки. [c.45] Количества кислорода и азота в поступающем воздухе и продуктах разделения, очевидно, равны между собой. Поступающий 16 и уходящий кислород 2 содержат одинаковое количество тепла и при составлении теплового баланса могут не учитываться. Азот 1а поступает в установку при комнатной температуре, а уходит из колонны в виде пара 3 при температуре —196° С, что соответствует отнятию у него 6390 дж на 1 моль азота. Пары азота 4, покидающие колонну Б, возвращаются в нее в качестве флегмы 5, образуя замкнутый контур. [c.45] Температура азота при его циркуляции в этом контуре не изменяется. Однако в результате конденсации этого азота в холодильной машине и его испарения в колонне из колонны уходят 5600 дж на 1 моль флегмы 2). Так как одному молю сливаемого азота соответствует г молей флегмы, то из колонны уходит 5600 г дж на 1 моль продукта. При тепловом равновесии количество поступившего тепла (6390 дж) должно равняться количеству ушедшего тепла (5600 г дж). Отсюда находим, что флегмовое число г равно 1,14. Это значительно больше, чем минимальное флегмовое число Го, равное в данном случае 0,8. [c.45] Эта величина равна теплоте конденсации 1 моля азота. [c.45] Тепловой баланс установки. [c.45] Для маленькой установки, подобной описываемой, особенно важна простота управления. Установка управляется вручную только в пусковой период, в дальнейшем она работает автоматически. В процессе работы необходимо регулировать потоки воздуха и кислорода, а также разделение потока жидкого азота на продукт и флегму. Давление конденсации паров азота в установке несколько ниже атмосферного, поэтому приняты меры, обеспечивающие засасывание воздуха в колонну только через входное отверстие. Количество засасываемого воздуха устанавливается автоматически без специальных регулирующих устройств в зависимости от давления конденсации. Имеющиеся в установке регулирующие устройства изображены на фиг. 3 наряду с колонной I и кубом 2. Для большей наглядности многие детали опущены. [c.46] Описанный способ регулирования оказался вполне приемлемым даже при значительных колебаниях производительности холодильной машины, влажности воздуха и количества отложений в теплообменнике. [c.48] Разделение жидкого азота на продукт и флегму. В действительности холодильная машина расположена не над колонной, как можно предположить по фиг. 1, а рядом с ней. Поэтому флегму приходится перекачивать в верхнюю часть колонны, используя принцип эрлифта. Для этого служит и-образная трубка (5, 7, 8 на фиг. 3), частично заполненная жидким азотом в одном из колен трубки 8 жидкость пронизана пузырьками пара. Поэтому удельный вес содержимого этой трубки уменьшается, что заставляет уровень жидкости подниматься. Пузырьки пара получаются за счет испарения части перекачиваемой жидкости. С этой целью к нижней части трубки 8, жидкость в которой должна подниматься, подводится тепло ) посредством прикрепленной к ней одним концом медной полоски 11 (другой конец этой полоски омывается водой). [c.48] Работает эта система следующим образом. Пары из колонны поступают в холодильную машину по верхней части трубки 5 и по трубке 6. Сконденсировавшийся в холодильной машине азот стекает по трубке 6 в нижнюю часть трубки 5. Уровень жидкости в этой трубке определяется высотой трубки 8 и концентрацией пузырьков в ней. При определенной концентрации пузырьков уровень жидкости в трубке 5 совпадает с отверстием 9. Если эта концентрация увеличивается, уровень жидкости в трубке 5 опускается ниже отверстия 9, и весь жидкий азот поступает в колонну в качестве флегмы. При уменьшении концентрации пузырьков пара часть конденсата сливается из установки через отверстие 9 и сифон 10. [c.48] В кубе ниже острия пальца. Если количество флегмы больше необходимого для нормальной работы колонны, уровень кубовой жидкости поднимается до тех пор, пока не коснется пальца, после чего температура точки 12 и теплоприток к трубке 8 уменьшатся. Благодаря этому количество перекачиваемой насосом флегмы уменьшится до равновесного значения. Форма пальца выбрана такой, что регулирование не сопровождается возникновением колебаний около положения равновесия. Разумеется, между пальцем и крышкой куба предусмотрена надежная теплоизоляция. [c.49] Значительным преимушеством такого метода перекачки флегмы является отсутствие в системе движущихся частей, что делает его применение в описанной системе регулирования особенно удобным. [c.49] Пусковой период. Как уже упоминалось, во время пускового периода воздух поступает непосредственно в газовую холодильную машину. Вход воздуха в колонну и выход кислорода из колонны (отверстия а на фиг. 3) в это время закрыты. Сжиженный воздух по трубке 6 стекает в колонну. По той же трубке 6 испарившийся воздух возвращается в холодильную машину, где вновь ожижается и т. д. Таким образом, в охлаждении установки участвует весьма небольшое количество воздуха, что позволяет ограничиться небольшим вымораживателем влаги и углекислоты, установленным непосредственно на холодильной машине. Во время пускового периода в кубе постепенно скапливается жидкость. После того как ее уровень достигнет пальца 13, количество перекачиваемой насосом флегмы уменьшится. При этом уровень жидкости в трубке 5, за которым можно наблюдать по указателю уровня, повысится. Установку можно переключать на нормальный режим работы. Пусковой период заканчивается регулировкой вентиля 4 по показаниям приборов, измеряющих количество всасываемого воздуха и уходящего кислорода. Продолжительность пускового периода около полутора часов. [c.49] Вернуться к основной статье