Sıvılaşma nedir? Sıvılaşma nasıl gerçekleşir? Sıvılaştırma yöntemleri nelerdir? Sıvılaştırma ne amaçla yapılır, hakkında bilgi.
Sıvılaşma Nasıl Olur? Sıvılaştırma Yöntemleri Nelerdir?
Sıvılaşma; Bir maddenin gaz halden sıvı hale geçmesidir.
Sıvılaşma Nasıl Olur?
Her arı madde, belirli bir sıcaklıkta ve sabit bir basınç altında (sıvılaşmasının olası olduğu ortamlarda) sıvılaşır. Arı maddelerin her biri için, sıvılaşma basıncı ve sıcaklığı arasında özel bir bağıntı belirlenmiştir. Bu olay bir deneyle açıkça görülür. Bu deneyde, A buharı bulunan, tG sabit sıcaklığındaki bir silindirden yararlanılır; bu süindiri kapayan piston hareket ettirilerek A buharının hacmi azaltıldığında, basınç artar. Bu basınç, A buharının en yüksek (maksimal) basıncı (ya da gerilimi) veya t0 sıcaklığındaki doyum basıncı adı verilen belirli bir Ps değerine eriştiğinde ilk sıvı damlası ortaya çıkar: Böylece sıvılaşma başlamış olur.
Akışkanın hacmi azaltıldığında, artan bir sıvı miktarı oluşur, ancak, bu sıvı-buhar karışımı t0 sıcaklığında kaldığı sürece, basınç Ps’ye eşit kalır. Silindirde bulunan buhara doymuş buhar denir; oluşan sıvı ise doyuran ‘dır. Buharın sıvılaşması sırasında, yoğunlaşan akışkandan sürekli olarak ısı almak gerekir, çünkü, sıvılaşma ısı-verici bir değişimdir. Akışkanın hacmini yeterli oranda azaltarak, silindir tümüyle sıvıyla doldurulur.
Sıvılaşma tam olarak gerçekleşmiştir. Bu deneye, t0 sıcaklığından daha yüksek bir t sıcaklığında yeniden başlanırsa, olayın aynı biçimde geliştiği saptanmakla birlikte, sıvılaşma ps (t0) basıncından daha yüksek bir ps (t1) basıncında gerçekleşir. Bununla birlikte, böyle bir değişim, herhangi bir sıcaklıkta gerçekleşemez. Andrews’in çalışmalarından beri (1869), her maddenin, bir t0 kritik sıcaklığına sahip olduğu bilinmektedir (bu sıcaklığın üstüne çıkıldığında, basınç ne olursa olsun, gaz sıvılaşamaz). Bu tc kritik sıcaklığına bir p0 kritik basıncı denk düşer.
Sıvılaştırma Yöntemleri
1. Maddenin kritik sıcaklığı, eldeki doğal soğutma araçlarının (su ve hava) sıcaklığının üstündeyse, maddeyi sıkıştırmak ve sıvılaşması için, doğal araçlarla soğutulmuş bir değiştiricinin içine koymak yeterlidir. Sıvılaşabilen akışkanlı soğutucu makinelerde, amonyak ya da R 12 soğutucusu gibi soğutucu akışkanların yoğunlaşmasında (kondansasyon) bu yöntemden geniş biçimde yararlanılır.
Sıvı evrede, şişeler içinde basınç altında taşımak amacıyla karbonik anhidrit aynı biçimde sıvılaştırılır. Propan ve bütan da, taşımak için şişelere konmadan önce, bu biçimde sıvılaştırmaktadır.
2. Maddenin kritik sıcaklığı, ortamın sıcaklığının altında olursa, gazı, kritik sıcaklığının altında bir noktaya kadar soğutmak için, soğutucu bir makineden yararlanmak gerekir.
SIVILAŞABİLEN AKIŞKANLI SOĞUTUCU MAKİNE’de Sıvılaştırma
Sıvılaşacak gaz, soğutucu bir akışkana batırılmış bir değiştiricide yoğunlaşır (soğutucu akışkan, soğutucu makinenin buharlaştırıcısı içinde kaynar). Böylece, gaz, yoğunlaşma ısısını, buharlaşmakta olan soğutucu akışkana aktarır. Kuşkusuz, ısıl dönüşümü sağlamak için, soğutucu akışkanın buharlaşma sıcaklığının, sıvılaşacak akışkanın yoğunlaşma sıcaklığının altında olması gerekir. Bir akışkanın, başka bir akışkanın buharlaşmasının yol açtığı soğutucu etki sayesinde sıvılaşmasına dayanan böyle bir yöntem, düşük sıcaklıkta bir soğuğun üretilmesini sağlayan “zincirleme” soğutucu makinelerde kullanılır. Örnek olarak, Cezayir’deki Arzev doğal gaz sıvılaştırma santralını verebiliriz.
Her gün, Hassi R’Mel yataklarından çıkarılan milyonlarca metreküp gaz bu santralda sıvılaştırılır. % 90 kadar metan, propan ve daha ağır başka hidrokarbonları içeren bu gaz yavaş yavaş soğutulur ve sonunda, en sonuncusu metanın buharlaştırılması aracılığıyla yaklaşık -150°C’ta tutulan, bir dizi ısı değiştiricisinde yoğunlaştırılır. Soğutucu devre, birbirine zincirleme bağlı üç makineden oluşur. İlk makine, soğutucu akışkan olarak propandan yararlanır (bu, suyla soğutulan bir makinede sıvılaştırılır); doğal gaz önsoğutucu buharlaştırıcılarına ve ikinci makinenin soğutucu akışkanı olan etileni yoğunlaştırarak buharlaştığı bir değiştiriciye sokulur. Bu etilen, daha sonra, buharlaşarak, doğal gazın soğutulmasının sürdürülmesine ve üçüncü makinenin soğutucu akışkanı olan metanın sıvılaştırılmasının sağlanmasına yarar. Son olarak da, doğal gazın tümüyle sıvılaşmasını sağlayan metan buharlaşır.
GAZ GENLEŞMELİ SOĞUTUCU MAKİNE’de Sıvılaştırma
Gazın sıvılaşması için gereken soğutucu etki, gazın genleşmesiyle sağlanır. Bu, şu biçimlerde gerçekleşebilir:-Bir dış işe gerek olmaksızın, genleşme bir vana ya da bir delik aracılığıyla oluşur; özelliklerini inceleyen bilginlerin adına dayanarak bu olaya joule-Thomson genleşmesi adı verilir. Böyle bir genleşmeye, soğumanın eşlik edebilmesi için, basınç altındaki gazın, genleşmeden önce, yeterince düşük bir sıcaklıkta bulunması gerekir. joule-Thomson etkisi enversiyonu denen bir sıcaklığın altında olmalıdır, çünkü, bunun üstünde dış iş olmaksızın gaz genleşmesine bir ısınma eşlik eder).
Bu koşul, özellikle, çok düşük enversiyon sıcaklıkları olan helyum ve hidrojen söz konusu olduğunda, güçlü bir önsoğutma gerektirir. joule-Thomson genleşmesinin yol açtığı ısıl etki, ilk kez, Linde tarafından havanın sanayi alanında sıvılaştırılmasında kullanılmıştır (1895); dış iş sağlandığında, genleşme sıkıştırılmış gazlı bir motorda ya da bir mekanik genleştiricide sağlanır. Bu olaya, bir önceki genleşmedekine oranla çok daha önemli bir soğutucu etki eşlik eder, ama bu, bazı teknoloji sorunlarına yol açan düşük sıcaklıklı mekanik bir tesisatın işlemesini zorunlu kılar. Claude adı, havanın sıklaştırılması için dış işli genleştirmenin ilk kullanımıyla birlikte anılır (1902).
Uygulama Alanları
Akışkanların depolanması ve taşınması, sıvılaştırmanın en önemli uygulama alanlarıdır. Sıvı haldeki bir madde, gaz halindeyken kendine gerekenden daha küçük bir hacim kapladığı için, maddeyi sıvı halde depolamak ve taşımak daha kolaydır. Kritik noktası ortam sıcaklığının üstünde olan akışkanlar için, depolama, olağan sıcaklıkta bu sıcaklığa denk olan doygunluk basıncındaki şişelerde gerçekleştirilir (propan, bütan, amonyak, karbon dioksit gazı, vb.). Düşük kritik sıcaklığa sahip akışkanlar (kriyojenik akışkanlar, metan, oksijen, azot, hidrojen, helyum, vb.) için sıvı halde depolama, Dewar kaplarında kullanılanlar gibi, içinde hava olmayan, çok yalıtkan çift kenarlı şişe ve depolarda atmosfer basıncı altında gerçekleştirilir. Gerçekten de, bu akışkanların olağan kaynama sıcaklıkları çok düşük olabilir: Azot için 77 K; hidrojen için 20,4 K; helyum için 4,2 K (Kelvin ile Celsius derecesi arasında 0°C = 0K + 273,15 biçimde bir bağıntı bulunduğunu burada belirtelim). Sıvılaştırılmış doğal gazın denizde taşınması, söz konusu depolarla donanmış özel gemilerle gerçekleştirilir.
Sıvı hidrojen, fiziksel araştırmalarda, uzay araştırmalarında (kimyasal itmeli füze yakıtı, atom-füzelerinin itme akışkanı), nükleer araştırmalarda ve damıtma aracılığıyla hidrojen ve döteryumun ayrılmasında kullanılmaktadır. Sıvı helyum, fiziksel araştırmalarda kullanılan çok düşük sıcaklıkların elde edilmesini sağlar. Helyumun kaynama basıncını düşürerek 0,8 ve 1 K arasında sıcaklıklara erişmek olasıdır. Helyumun ender izotopu helyum 3’ten (3He) yararlanarak 0,3 K’lik bir sıcaklık elde edilebilir. Bu izotopun (3He), aynı maddenin bir başka sıvı izotopu (helyum 4) içinde seyreltilme olayları, kelvinin yüzde birkaç birimine erişilmesini sağlar. Özellikle sıvı helyum alanında ortaya çıkan aşırı iletkenlik (bir iletkenin elektrik direncinin yok olması), bu akışkanın önemli sanayi uygulamalarının tahmin edilmesine yardımcı olur.