lavtemperaturteknik (Fremstilling af flydende luftarter)

Lavtemperaturteknik (Fremstilling af flydende luftarter), Ned til en temperatur på ca. −160 °C er det muligt at anvende den fra sædvanlige køleanlæg kendte dampkompressionsproces i flertrinsanlæg med kaskadekobling. Sådanne anlæg benyttes bl.a. til fordråbning af naturgas. En anden type anlæg køler ned til naturgassens normalkogepunkt i ét trin, men med et kølemiddel, som er en blanding af et antal kulbrinter og nitrogen. De forskellige komponenter kondenserer ud ved hver sin temperatur, og man opnår derved en glidende fordampningstemperatur, som svarer til nedkølingskurven for naturgassen.

Til separation og fordråbning af luftarter benytter man sig af den køling, der fremkommer, når luftarten efter kompression til et højt tryk og en forkøling ekspanderer til atmosfæretrykket (Joule-Thomson-effekten). I sin enkleste form blev denne proces først realiseret af Carl von Linde i 1895 til fordråbning af luft, og den kendes som Linde- eller Linde-Hampson-processen. Efter kompression til 200 bar strømmer luften gennem en varmeveksler i modstrøm med den del af luften, der er kølet, men ikke fordråbet ved drøvling (drosling, tryksænkning uden udvinding af arbejde) i den såkaldte Joule-Thomson-ventil. Som følge af det høje tryk, som ligger over det kritiske tryk (se fasediagram), sker der lige fra begyndelsen en temperatursænkning ved drøvlingen, og anlægget er derfor i stand til successivt at sænke temperaturen foran Joule-Thomson-ventilen, indtil den har nået en værdi, hvor en (beskeden) del af gassen vil blive fordråbet. Udbyttet af processen kan forbedres på forskellige måder, fx ved forkøling af luften med et sædvanligt køleanlæg eller ved kun at komprimere en del af luften til det høje tryk og benytte højtryksluften alene til forkøling af luften ved mellemtrykket.

En noget afvigende proces blev i 1902 realiseret af Georges Claude (1870-1960) og kaldes Claude-processen. I stedet for at sende hele luftstrømmen gennem Joule-Thomson-ventilen lod Claude en delstrøm ekspandere i en ekspansionsmaskine (i virkeligheden, hvad der svarer til en lille dampmaskine) og benyttede den derved afkølede luft til forkøling. Gennem en kontrolleret ekspansion, ved hvilken der kan udvindes arbejde, opnår man en langt større temperatursænkning end ved drøvling, hvor den samlede energi ikke ændres ved tryksænkningen. Som følge af denne større temperatursænkning kan Claude-processen gennemføres med et tryk på kun 20 bar mod Linde-processens 200 bar.

En ulempe ved Claudes proces er dog, at ekspanderen må arbejde ved så lav en temperatur, at der sker en dråbedannelse ved slutningen af ekspansionen; smøring og tætning af maskinen giver derfor problemer. Disse vanskeligheder undgås ved den såkaldte Heylandt-proces, hvor trykket atter er hævet til 200 bar, og ekspansionen sker fra omgivelsernes temperatur og derfor slutter langt fra en tilstand, hvor der vil dannes væske.

Ved fordråbning af hydrogen, som i dag bruges i store mængder til rumfart, møder man det problem, at der først ved en temperatur på −70 °C vil ske en temperatursænkning ved drøvling. Forkøling er derfor nødvendig ved både Linde- og Heylandt-processerne.