Lichefierea. Ciclul Linde și ciclul Claude Criogenie 3

 

1. Introducere

Lichefiatorul furnizează frigul necesar producerii cantităților mari de lichide. Un lichefiator poate porni și se poate opri independent de ASU, dacă nu este integrat și nu conține un ciclu de aer. De exemplu, lichefiatorul se va opri dacă rezervoarele de depozitare lichide sunt pline, în timp ce ASU continuă producția de gaz constantă.

Lichefiatoarele de construcție mai recentă se bazează pe sistemul de recirculare a azotului. Următoarea descriere se referă la ciclul azotului pentru un lichefiator separat. Ciclul de aer integrat, ca în cazul GOK și procesului de pompare care produce lichid, nu este descris.

Ciclul Linde și ciclul Claude sunt ciclurile fundamentale folosite în unitățile de lichefiere; ele au fost inițial folosite pentru aer, însă se aplică pentru azot: toate lichefiatoarele folosesc o combinație a acestor două cicluri.

Prezentul material nu se ocupă de alte cicluri, cum ar fi Stirling sau Brayton. Aceste cicluri, în mod normal folosite pentru temperaturi extreme (Heliu), și ciclurile în cascadă, folosite uzual pentru gazul natural, nu au aplicații în gazele aerului. Principiul de baza al unui lichefiator este foarte similar cu cel al unei unități de refrigerare care se bazează pe ciclul Carnot. Totuși, o unitate de refrigerare are un ciclu închis, independent al agentului de răcire, în timp ce lichefiatorul nu are.

 

2. Lichefierea gazelor prin efect Joule-Thompson

Atracția intermoleculară stă la baza condensării tuturor gazelor. La temperaturi apropiate de temperatura de condensare interacțiunile sunt destul de puternice, astfel încât o expansiune produce o răcire a gazului. Dacă răcirea este suficientă o parte din gaz va condensa. Acest proces este denumit lichefierea Joule-Thomson.

Efectul Joule-Thomson

Din punct de vedere practic problema este simplă. Dacă într-o instalație ca cea din figura anterioară avem un gaz neideal la presiunea p1 și volumul V1 și acesta este împins și forțat să treacă printr-un orificiu îngust, ca de exemplu printr-un ventil de expansiune în volumul V2, și dacă toată instalație este izolată, astfel încât să nu existe schimb de căldură cu mediul înconjurător atunci temperatura gazului se modifică sau mai exact scade. Acest proces poartă denumirea de proces de laminare sau proces Joule-Thomson. Modificarea temperaturii apare datorită lucrului mecanic intern, realizat de molecule în timpul procesului de expansiune.

Acest proces are loc la entalpie constantă, deoarece, cum am menționat mai sus nu există schimb de căldură cu mediul înconjurător. Procesul de laminare este ireversibil, iar pentru aducerea gazului la starea inițială este nevoie de un consum de energie. Pentru un gaz ideal efectul de răcire este nul. La temperatura camerei, toate gazele, mai puțin hidrogenul, heliul și neonul răcesc prin expansiune în urma unui proces Joule-Thomson. Se pot scrie următoarele relații:

p1V1 - p2V2 = U2 - U1

de unde rezultă:

U1 + p1V1 = U2 + p2V2
 

iar fiecare din aceste sume se notează cu h și se numește entalpie și rezultă:  

h1 = h2

 

În consecință în acest proces entalpia a rămas constantă, iar procesul se numește adiabatic.

 

Cum energia internă U și entalpia nu depind de presiune rezultă că pentru un gaz ideal T1 = T2.

Model experimental de punere în evidență a efectului Joule-Thomson
Lichefierea gazelor prin efectul Joule-Thomson
Gazul T lichefiere1 [oC]
Bioxid de carbon -78,0
Xenon -108,0
Kripton -153,2
Metan -161,5
Oxigen -183,0
Argon -185,9
Azot -195,8
Neon -246,1
Hidrogen -252,9
Heliu -268,9
1 La presiune atmosferică

 

3. Ciclul Linde

Schema funcțională a unei instalații de lichefiere după modelul Linde (a) și ciclul teoretic în diagrama temperatură-entropie (b)
K
compresor;
SCR
schimbător de căldură regenerativ;
VL
ventil de laminare cu funcționare după principiul Joule-Thomson;
RL
rezervor de lichid.
Diagrama entalpiei la ciclul Linde

Primul experiment al germanului Carl von Linde legat de lichefierea aerului a avut loc cu succes în luna mai din anul 1895. Au fost necesare 15 ore de comprimare pentru a lichefia aerul, iar apoi acesta a putut colecta aproximativ 3 litri de aer lichid pe oră, care conținea 70% oxigen. Linde a folosit un schimbător de căldură regenerativ realizat din două conducte de fier ce aveau o lungime de 300 de metri, și diametrele 30 mm cel interior și 60 mm cel exterior. Compresorul utilizat de acesta era unul folosit la comprimarea bioxidului de carbon și a reușit să ridice presiunea aerului de la 22 de bari la 65 de bari. Linde a raportat că aerul lichid obținut era de o claritate cristalină și avea culoarea albăstruie. Această descriere timpurie a aerului lichid a fost atât corectă cât și definitivă. Ciclul Linde este un ciclu de bază, cel mai simplu ciclu de lichefiere și a rămas neschimbat timp de 100 de ani.

Gazul de adaos și vaporii necondensați de la ciclul anterior se amestecă în starea 1 și intră în compresorul K, unde sunt comprimați izotermic până la starea 2. Temperatura este ținută constantă în timpul comprimării prin cedarea căldurii q unui agent de răcire. Gazul de presiune ridicată este apoi răcit după comprimare în schimbătorul regenerativ SCR, de către vaporii necondensați, de la ciclul anterior, până la starea 3 și sunt apoi laminați prin ventilul de laminare VL prin efect Joule-Thomson până la starea 4, care este o stare de amestec lichid-vapori saturați. Vaporii râmași necondensați (starea 5) se reîntorc în ciclu, iar lichidul (starea 6) este colectat ca produs dorit și ciclul se repetă. Efectul de refrigerare pentru acest ciclul poate fi privit ca o eliminarea căldurii din gazul de amestec cu scopul de a-l transforma în lichid la starea 6.

 

4. Ciclul Claude

Ciclul Claude folosește o turbină de expansiune în circuitul de recirculare, care furnizează sistemului o cantitate de frig considerabilă. Turbina de expansiune produce frig în punctul în care schimbătorul de căldură are cea mai mare diferență de temperatură. Înainte de lichefiere, o parte din fluxul HP iese din schimbător și este expandat prin turbină. Aceasta minimalizează diferența de temperatură și îmbunătățește eficiența ciclului. Partea rămasă se lichefiază și iese sub formă de produs. Lucrul extern furnizat de această turbină de expansiune (expansiunea este reversibilă) conferă ciclului Claude un randament mult mai bun decât cel al ciclului Linde.

Instalație de lichefiere cu funcționare după ciclul Claude (a) și procesul termodinamic în diagramă T-s (b)
Diagrama entalpiei la ciclul Claude

Diagrama schimbului de căldură prezentată anterior, dezvăluie avantajele ciclului Claude:

  • o diferență limitată de temperatură a capătului rece, datorită variațiilor gazelor de înaltă presiune,
  • un flux redus în capătul rece, datorită evacuării turbinei și,
  • refrigerarea produsă de turbină.
Diferența de temperatură pe întregul schimbător este mult mai mică decât aceea a ciclului Linde. Aceasta înseamnă că frigul furnizat sistemului este utilizat destul de eficient.

 

5. Ciclul de turbină unic

Ciclul de turbină unic
Digrama TS a ciclului turbină dual la azot

 

6. Ciclul de turbină dual

Ciclul de turbină dual
Digrama TS a ciclului turbină dual

 

7. Rezervoare de stocare

Rezervoare de stocare
Rezervor oxigen, azot, argon
Rezervor bioxid de carbon

MULȚUMESC!

Prof. dr. ing. Alexandru ȘERBAN