在慕尼黑机场,可看到林德集团关于液氮和液氧的广告。林德(carl von linde
1842-1934)是德国制冷工程师,低温实验学家,在慕尼黑工业大学任教时,1895年他利用焦耳-汤姆逊效应和逆流换热原理发明了空气液化装置,从而使大规模生产液态气体成为可能。
气体液化是气态变为液态,是对外界放热过程。实现液化有两种手段,一是降低温度,二是压缩体积。气体通过液化后,体积会变成原来的几千分之一,便于储藏和运输。
现在著名跨国液化公司有法国液化空气集团和德国林德集团。主要液化气体有天然气甲烷,氢气,和稀有气体氦,氖,氩,氪,氙等。这是一种低污染,高利润行业。两者均有五万多名员工,业务遍及70多个国家,销售额在上百亿欧元以上。
气体液化可用等焓膨胀或等熵膨胀,不断地从气体中取走热量,而使其降温,当气体降低到冷凝温度以下时,就开始液化。
热力学量焓H=U PV,这里U是气体内能,P是气体压力,V是气体体积。
一个体系从状态1到状态2的过程中,若其焓值不变,则称之为等焓过程。林德所利用的焦耳汤姆逊效应,又称为节流效应,是指流体经过节流膨胀过程,前后的焓值不变,其在工业上的重要用途是让流体经过节流阀经行节流膨胀,内能降低,以获得低温和液化气体。
熵是指气体分子的混乱程度,熵的增量为dS=(dQ/T),热力学中的等熵过程,指的是过程中没有发生熵变,熵值保持恒定的过程,可逆绝热过程就是一种等熵过程。在等熵过程中,气体在膨胀机中绝热膨胀对外做功,但由于与外界没有热量的交换,膨胀所做的功以内能减少为补偿,于是温度就下降,达到制冷的目的。
与等焓膨胀相比,等熵膨胀在降压的同时,还对外做了功,因此内能损失更大,所以温度降低的更多,所以制冷效果更好。
天然气,主要成分是甲烷,被公认为是地球上最干净的能源,无色,无味,无毒,且无腐蚀性。液化天然气,是天然气经过压缩,冷却至其沸点-161,5摄氏度(111,65K)变为液体,其体积约为同量天然气体积的1/625.因此储存和运输都更为方便。通常液化天然气储存在111,65K,0,1兆帕左右的低温储存罐内。
氦气最主要来源不是空气,而是天然气。天然气中氦含量最高可达7,5%,是空气含量的一万五千倍。由于氦原子间的相互作用的范德华力和原子质量都很小,很难液化,在极低温下,气态氦才能转变为液态氦。氦熔点0.95K,沸点4.365K.
氢气是通过电解水制造,液氢是一种高能,低温液体燃料,它是一种无色,无味,透明的低温液体,沸点20.35K,冰点为13.55K.
通过空气的液化和分馏,可获得液氧(90.2K),液氮(77.3K),和液态稀有气体,液氖(熔点24.5K,沸点27.3K),液氩(熔点84.0K,沸点87.5K),液氪(熔点116.6K,沸点120.3K),液氙(熔点161.2K,沸点166.1K).
二氧化碳工业制法为高温煅烧石灰石,CaCO3-CaO
CO2,在常压下,由于二氧化碳的固化温度大于液化温度,因此仅通过降温,只能获得固态二氧化碳(干冰),但是如果在高压下,二氧化碳的液化温度会大于固化温度,因此可以获得液态二氧化碳。
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