Как сжижать газы? Производство и использование сжиженного газа

Более 30 лет в СССР, затем в России сжиженные и сжатые газы применяются в народном хозяйстве. За это время пройден достаточно трудный путь по организации учета сжиженных газов, разработке технологий по их перекачке, измерению, хранению, транспортировке.

От сжигания до признания

Исторически сложилось, что потенциал газа как источника энергии был недооценен в нашей стране. Не видя экономически обоснованных сфер применения, нефтепромышленники старались избавиться от легких фракций углеводородов, сжигали их без пользы. В 1946 году выделение газовой промышленности в самостоятельную отрасль революционно изменило ситуацию. Объём добычи этого типа углеводородов резко увеличился, как и соотношение в топливном балансе России.

Когда ученые и инженеры научились сжижать газы, стало возможным строить газосжижающие предприятия и доставлять голубое топливо в отдаленные районы, не оборудованные газопроводом, и использовать в каждом доме, в качестве автомобильного топлива, на производстве, а также экспортировать его за твердую валюту.

Что такое сжиженные углеводородные газы

Они делятся на две группы:

Сжиженные углеводородные газы (СУГ) - представляют собой смесь химических соединений, состоящую в основном из водорода и углерода с различной структурой молекул, то есть смесь углеводородов различной молекулярной массы и различного строения.
Широкие фракции легких углеводородов (ШФЛУ) - включают большей частью смеси легких углеводородов гексановой (С6) и этановой (С2) фракций. Их типичный состав: этан 2-5 %, сжиженный газ фракций С4-С5 40-85%, гексановая фракция С6 15-30%, на пентановую фракцию приходится остаток.

Сжиженный газ: пропан, бутан

В газовом хозяйстве именно СУГ применяются в промышленном масштабе. Их основными компонентами являются пропан и бутан. Также в виде примесей в них содержатся более легкие углеводороды (метан и этан) и более тяжелые (пентан). Все перечисленные компоненты являются предельными углеводородами. В состав СУГ могут входить также непредельные углеводороды: этилен, пропилен, бутилен. Бутан-бутилены могут присутствовать в виде изомерных соединений (изобутана и изобутилена).

Технологии сжижения

Сжижать газы научились в начале XX века: в 1913 году за сжижение гелия вручена Нобелевская премия голландцу К. О. Хейке. Некоторые газы доводятся до жидкого состояния простым охлаждением без дополнительных условий. Однако большинство углеводородных «промышленных» газов (углекислый, этан, аммиак, бутан, пропан) сжижаются под давлением.

Производство сжиженного газа осуществляется на газосжижающих заводах, расположенных либо около месторождений углеводородов, либо на пути магистральных газопроводов около крупных транспортных узлов. Сжиженный (или сжатый) природный газ можно легко доставить автомобильным, железнодорожным или водным транспортом к конечному потребителю, где его можно хранить, после чего снова преобразовать в газообразное состояние и подавать в сеть газоснабжения.

Специальное оборудование

Для того чтобы сжижать газы, используются специальные установки. Они значительно уменьшают объём голубого топлива и повышают плотность энергии. С их помощью можно осуществлять различные способы переработки углеводородов в зависимости от последующего применения, свойств исходного сырья и условий окружающей среды.

Установки по сжижению и сжатию предназначены для обработки газа и имеют блочное (модульное) исполнение либо полностью контейнеризированы. Благодаря регазификационным станциям становится возможным обеспечение дешёвым природным топливом даже самых отдалённых регионов. Система регазификации также позволяет хранить природный газ и подавать его необходимое количество в зависимости от потребности (например, в периоды пикового потребления).

Большинство различных газов в сжиженном состоянии находят практическое применение:

Жидкий хлор используют для дезинфекции и отбеливания тканей, применяется как химическое оружие.
Кислород - в лечебных учреждениях для пациентов с проблемами дыхания.
Азот - в криохирургии, для замораживания органических тканей.
Водород - как реактивное топливо. В последнее время появились автомобили на водородных двигателях.
Аргон - в промышленности для резки металлов и плазменной сварки.

Также можно сжижать газы углеводородного класса, наиболее востребованные из которых - пропан и бутан (н-бутан, изобутан):

Пропан (C3H8) является веществом органического происхождения класса алканов. Получают из природного газа и при крекинге нефтепродуктов. Бесцветный газ без запаха, малорастворим в воде. Применяют как топливо, для синтеза полипропилена, производства растворителей, в пищевой промышленности (добавка E944).
Бутан (C4H10), класс алканов. Бесцветный горючий газ без запаха, легко сжижаемый. Получают из газового конденсата, нефтяного газа (до 12%), при крекинге нефтепродуктов. Используют как топливо, в химической промышленности, в холодильниках как хладоген, в пищевой промышленности (добавка E943).

Характеристики СУГ

Основное преимущество СУГ - возможность их существования при температуре окружающей среды и умеренных давлениях как в жидком, так и в газообразном состоянии. В жидком состоянии они легко перерабатываются, хранятся и транспортируются, в газообразном имеют лучшую характеристику сгорания.

Состояние углеводородных систем определяется совокупностью влияний различных факторов, поэтому для полной характеристики необходимо знать все параметры. К основным из них, поддающимся непосредственному измерению и влияющим на режимы течения, относятся: давление, температура, плотность, вязкость, концентрация компонентов, соотношение фаз.

Система находится в равновесном состоянии, если все параметры остаются неизменными. При таком состоянии в системе не происходит видимых качественных и количественных метаморфоз. Изменение хотя бы одного параметра нарушает равновесное состояние системы, вызывая тот или иной процесс.

Свойства

При хранении сжиженных газов и транспортировании их агрегатное состояние меняется: часть вещества испаряется, трансформируясь в газообразное состояние, часть конденсируется - переходит в жидкое. Это свойство сжиженных газов является одним из определяющих при проектировании систем хранения и распределения. При отборе из резервуаров кипящей жидкости и транспортировании ее по трубопроводу часть жидкости испаряется из-за потерь давления, образуется двухфазный поток, упругость паров которого зависит от температуры потока, которая ниже температуры в резервуаре. В случае прекращения движения двухфазной жидкости по трубопроводу давление во всех точках выравнивается и становится равным упругости паров.

Когда было установлено, что газ можно перевести в жидкое состояние, если его температура ниже критической, то, применяя все более низкие температуры, постепенно получили все газы в жидком состоянии. Последним в 1908 г. был получен жидкий гелий.

В машинах для сжижения газов используется охлаждение газа в процессе его адиабатического расширения. Предварительно газ сильно сжимается компрессором. Выделяющееся при этом тепло отводится водяным охлаждением. Когда затем газ в процессе адиабатического расширения сам выполняет работу (за счет своей внутренней энергии), его температура сильно понижается. Та часть машины, в которой газ расширяется, выполняя внешнюю работу (например, перемещая поршень), называется детандером .

Большой вклад в разработку методов сжижения газов внес советский физик П. Л. Капица. В одной из его машин с турбодетандером струя сжатого газа направляется на лопасти турбины; приводя ее во вращение, газ совершает работу и охлаждается.

Заметим, что, в отличие от идеального газа, при расширении сильно сжатого реального газа его температура понижается, если даже он и не совершает внешней работы, а просто вытекает через узкое сопло. Объясняется это следующим. У сильно сжатого газа множество молекул находится в пределах сфер взаимодействия с другими молекулами. При расширении газа расстояния между молекулами увеличиваются, и при этом совершается «внутренняя» работа против сил взаимодействия между молекулами за счет их кинетической энергии. В результате этого и падает температура. Этот метод охлаждения также используется при сжижении газов.

Когда температура газа падает ниже критической, он переходит в жидкое состояние. Сжиженный газ сливают и хранят в специальных сосудах Дьюара с двойными стенками, между которыми имеется высокий вакуум для уменьшения теплопроводности (рис. 8.11). Чтобы уменьшить нагревание жидкости лучеиспусканием, стенки сосуда Дьюара покрывают ртутной амальгамой (как у зеркал). (Подумайте, почему сосуд с сжиженным газом нельзя плотно закрывать).

Сжижение воздуха широко используется для разделения составляющих его газов. При кипении жидкого воздуха в первую очередь из него улетучиваются газы с более низкой температурой кипения (табл. 8.4). Азот выкипает раньше кислорода, поэтому через некоторое время в сосуде Дьюара остается почти чистый жидкий кислород. Его используют в металлургии, для взрывных работ, для сжигания топлива в ракетах и т. д.

В воздухе имеется небольшое количество аргона, гелия и других инертных газов. Поскольку температуры их кипения различны, то с помощью специального аппарата - ректификационной колонки - их можно раздельно выделить из жидкого воздуха.

Жидкие газы широко используются в промышленности и при научных исследованиях для глубокого охлаждения различных веществ. Многие свойства вещества при низких температурах сильно изменяются, например, свинец становится упругим, а резина - хрупкой. Для получения очень низких температур применяют жидкий водород или гелий, кипящий при пониженном давлении. В последнем случае можно поддерживать температуру около 1 К. Изучение свойств вещества при сверхнизких температурах привело к открытию сверхпроводимости.

Сжижение газов, переход вещества из газообразного состояния в жидкое. Сжижение газов достигается охлаждением их ниже критической температуры (Т к ) и последующей конденсацией в результате отвода теплоты парообразования (конденсации). Охлаждение газа ниже Т К необходимо для достижения области температур, при которых газ может сконденсироваться в жидкость (при Т > Т К жидкость существовать не может). Впервые газ (аммиак) был сжижен в 1792 (голландский физик М. ван Марум). Хлор был получен в жидком состоянии в 1823 (М. Фарадей ), кислород - в 1877 (швейцарский учёный Р. Пикте и французский учёный Л. П. Кальете), азот и окись углерода - в 1883 (З. Ф. Вроблевский и К. Ольшевский ), водород - в 1898 (Дж. Дьюар ), гелий - в 1908 (Х. Камерлинг-Оннес ).

Идеальный процесс Сжижение газов изображен на рис. 1 . Изобара 1-2 соответствует охлаждению газа до начала конденсации, изотерма 2-0 - конденсации газа. Площадь ниже 1-2-0 эквивалентна количеству теплоты, которое необходимо отвести от газа при его сжижении, а площадь внутри контура 1-2-0-3 (1-3 - изотермическое сжатие газа, 3-0 - адиабатическое его расширение) характеризует термодинамически минимальную работу L min , необходимую для Сжижение газов :

Для Сжижение газов в промышленных масштабах чаще всего применяются циклы с детандерами (рис. 3 ), т. к. расширение газов с производством внешней работы - наиболее эффективный метод охлаждения. В самом детандере жидкость обычно не получают, ибо технически проще проводить само сжижение в дополнительной дроссельной ступени. После сжатия в компрессоре (1-2 ) и предварительного охлаждения в теплообменнике (2-3 ) поток сжатого газа делится на 2 части: часть М отводится в детандер, где, расширяясь, производит внешнюю работу и охлаждается (3-7 ). Охлажденный газ подаётся в теплообменник, где понижает температуру оставшейся части сжатого газа 1 - М , которая затем дросселируется и сжижается. Теоретически расширение в детандере должно осуществляться при постоянной энтропии (3-6 ). Однако из-за потерь расширение протекает по линии 3-7 . Для увеличения термодинамической эффективности процесса Сжижение газов иногда применяют несколько детандеров, работающих на различных температурных уровнях.

Циклы с тепловыми насосами обычно используются (наряду с детандерными и дроссельными циклами) при Сжижение газов с помощью холодильно-газовых машин, которые позволяют получать температуры до 12 К, что достаточно для сжижения всех газов, кроме гелия (см. табл.). Для сжижения гелия к машине пристраивается дополнительная дроссельная ступень.

Подвергаемые сжижению газы должны очищаться от паров воды, масла и др. примесей (например, воздух - от углекислоты, водород - от воздуха), которые при охлаждении могут затвердеть и закупорить теплообменную аппаратуру. Поэтому узел очистки газа от посторонних примесей - необходимая часть установок Сжижение газов

О применении сжиженных газов см. в ст. Глубокое охлаждение .

Значения температуры кипения Т кип (при 760 мм. рт. ст. ), критической температуры Т К , минимальной L min и действительной L Д работ сжижения некоторых газов

Газ	Т кип , К	Т К , К	L min , квт ч/кг	L д , квт ч/кг
Азот Этилен	77,4	126,2	0,220	1,2-1,5

Лит.: Фастовский В. Г., Петровский Ю. В., Ровинский А. Е., Криогенная техника, 2 изд., М., 1974; Справочник по физико-техническим основам криогеники, 2 изд., М., 1973. См. также лит. при ст.

Введение

Газы- агрегатное состояние вещества, в котором его частицы не связаны или весьма слабо связаны силами взаимодействия и движутся свободно, заполняя весь предоставленный им объём. Газы обладают рядом характерных свойств. В отличие от твёрдых тел и жидкостей, объём газа существенно зависит от давления и температуры.

Любой газ можно превратить в жидкость простым сжатием, если температура газа ниже критической.Те вещества, которые мы привыкли считать газами, просто имеют очень низкие критические температуры, то есть температуры, после достижения которых, газ приобретает свойства жидкости, и поэтому при температуре, близкой к комнатной, не могут находиться в жидком состоянии. Наоборот, у веществ, причисляемых нами к жидкостям, критические температуры велики.

Меня заинтересовал вопрос о том, какие свойства имеет сжиженный газ, в каких сферах он применяется ? Тема работы актуальна на сегодняшний день, так как сжиженные газы востребованы во многих областях медицины, науки и техники. В связи с этим я и поставил перед собой следующие цели и задачи:

Цель: -рассмотрение природы явления и свойств сжиженных газов

Задачи :

* Изучить материал об сжиженных газах

* Определить свойства сжиженных газов

ñ История

Опытный факт охлаждения вещества при испарении был известен издавна и даже практически использовался (например, применение пористых сосудов для сохранения свежести воды). Но первое научное исследование этого вопроса предпринял Джан Франческо Чинья и описал в работе 1760 г. «De frigore ex evaporationе» («О холоде вследствие испарения»).

Проблема сжижения газов имеет вековую историю, берущую свое начало во второй половине XVIII столетия. Началось все с сжижения аммиака простым охлаждением, которое произвел ван Марум, серного ангидрида - Монж и Клуэ, хлора - Нортмор (1805 г.) и сжижения аммиака компрессионным методом, предложенным Баччелли (1812 г.).

Определяющий вклад в решение этой проблемы одновременно и независимо внесли Шарль Каньяр де Латур (1777-1859) и Майкл Фарадей (1791-1867).

Что такое сжиженный газ и его свойства

Сжижение газов - это обращение газов в жидкое состояние. Может быть произведено сжатием газа (повышением давления) и одновременным его охлаждением.

Всякий газ может быть переведён в жидкое состояние, но необходимым условием для этого является предварительное охлаждение газа до температуры ниже «критической». Углекислый газ, например, можно сжижать при комнатной температуре, поскольку его критическая температура равна 31,1 0 С. То же, можно сказать и о таких газах, как аммиак и хлор.

Но есть и такие газы, которые при комнатной температуре нельзя перевести в жидкое состояние. К таким газам относятся воздух, водород и гелий, у которых критические температуры значительно ниже комнатной. Для сжижения таких газов их необходимо предварительно охладить до температуры несколько ниже критической, после чего повышением давления газ может быть переведён в жидкое состояние.

Использование сжиженных газов

Сжиженные газы находят широкое применение в технике. Азот идёт для получения аммиака и азотных солей, употребляемых в сельском хозяйстве для удобрения почвы. Аргон, неон и другие инертные газы используются для наполнения электрических ламп накаливания, а также газосветных ламп. Наибольшее применение имеет кислород. В смеси с ацетиленом или водородом он даёт пламя очень высокой температуры, применяемое для резки и сварки металлов. Вдувание кислорода (кислородное дутьё) ускоряет металлургические процессы. Доставляемый из аптек в подушках кислород действует как обезболивающее. Особенно важным является применение жидкого кислорода в качестве окислителя для двигателей космических ракет.

Жидкий водород используется как топливо в космических ракетах. Например, для заправки американской ракеты «Сатурн – 5» требуется 90т жидкого водорода.

Жидкий аммиак нашёл широкое применение в холодильниках – огромных складах, где хранятся скоропортящиеся продукты. Охлаждение, возникающее при испарении сжиженных газов, используют в рефрижераторах при перевозке скоропортящихся продуктов.

Газы, применяемые в промышленности, медицине и т. п., легче перевозить, когда они находятся в сжиженном состоянии, так как при этом в том же объёме заключается большее количество вещества.

Трубка Фарадея

Английский физик - экспериментатор , химик .

Открыл электромагнитную индукцию, лежащую в основе современного промышленного производства электричества и многих его применений. Создал первую модель электродвигателя . Среди других его открытий- первый трансформатор , химическое действие тока, законы электролиза , действие магнитного поля на свет . Первым предсказал электромагнитные волны. Фарадей ввёл в научный обиход термины ион, катод , анод , электролит , диэлектрик, диамагнетизм, парамагнетизм др.

Фарадей - основоположник учения об электромагнитном поле, которое затем математически оформил и развил Максвелл .

В то время, Фарадей был только скромным лаборантом у Гемфри Дэви.

Гемфри Дэви - английский химик, физик и геолог, один из основателей электрохимии . Известен открытием многих химических элементов, а также покровительством Фарадею на начальном этапе его научной деятельности.

По его поручению он изучал хлоргидрат, кристаллическое соединение, образующееся при взаимодействии при низких температурах воды и хлора. Чтобы проверить, как ведет себя это соединение при нагреве, Фарадей поместил несколько кристаллов гидрата хлора в закрытое колено изогнутой V -образной трубки, после чего другое колено запаял. Далее он нагрел кристаллы, при этом свободное колено оставалось холодным. Кристаллы расплавились и дали зеленовато-желтые пары, пары сконденсировались в холодном колене с образованием маслянистой жидкости, которая оказалась жидким хлором.

1) изогнутая и запаянная трубка

2) вещество или смесь, которые выделяет при нагревании необходимый газ

3) охлаждаемое колено, где собирается сжиженный газ

4) вода или охлаждающая смесь

Фарадей открыл новый метод сжижения газов: не обязательно было получать газы в одном сосуде и закачивать их в другой сосуд, где будет производиться сжижение. Газы удобно переводить в жидкое состояние в том же сосуде, где они образуются. Таким способом на протяжении 1823 года Фарадею удалось перевести в жидкое состояние сероводород, сернистый газ, углекислый газ, закись азота.

Выводы
Любой газ можно превратить в жидкость простым сжатием
Сжижение газов- сложный процесс, который включает в себя множество сжатий
Сжижение может быть произведено сжатием газа и одновременным его охлаждением
Сжиженные газы находят широкое применение
Сжиженные газы применяются не только в технике, медицине и сельском хозяйстве, но и в науке.

Список используемой литературы

h ttp://ru.wikipedia.org/wiki/Сжижение_газов

Инструкция

На вид сжиженный природный газ (СПГ) - это бесцветная жидкость без и запаха, на 75-90% состоящая и обладающая очень важными свойствами: в жидком состоянии он не горюч, не и не агрессивен, что крайне важно при транспортировке. Процесс сжижения СПГ имеет характер, где каждая новая ступень означает сжатие в 5-12 раз, после чего следует охлаждение и переход на следующую ступень. СПГ становится жидким по завершению последней стадии сжатия.

Если же газ необходимо транспортировать на очень большие расстояния, то гораздо выгоднее использовать специальные суда – танкеры-газовозы. От места газа до ближайшего подходящего места на морском побережье протягивают трубопровод, а на берегу строят терминал. Там газ сильно сжимают и охлаждают, переводя в жидкое состояние, и закачивают в изотермические емкости танкеров (при температурах порядка -150оС).

Этот способ транспортировки имеет ряд преимуществ перед трубопроводным. Во-первых, один подобный за один рейс может перевезти громадное количество газа, ведь плотность вещества, находящегося в жидком состоянии, гораздо выше. Во-вторых, основные расходы приходятся не на транспортировку, а на погрузку-разгрузку продукта. В-третьих, хранение и перевозка сжиженного газа гораздо безопаснее, чем сжатого. Можно не сомневаться, что доля природного газа, транспортируемого в сжиженном виде, будет неуклонно возрастать по сравнению с газопроводными поставками.

Сжиженный природный газ востребован в различных областях деятельности человека - в промышленности, в автомобильном транспорте, в медицине, в сельском хозяйстве, в науке и пр. Немалую популярность сжиженные газ ы завоевали за счет удобства их использования и транспортировки, а также экологической чистоты и невысокой стоимости.

Инструкция

Перед сжижением углеводородного газ а его необходимо предварительно очистить и удалить водяной пар. Углекислый газ удаляют, используя систему трехступенчатых молекулярных фильтров. Очищенный таким образом газ в небольших количествах используется в качестве регенерационного. Восстанавливаемый газ либо сжигается, либо применяется для получения в генераторах мощности.

Просушивание происходит с помощью 3-х молекулярных фильтров. Один фильтр поглощает водяной пар. Другой сушит газ , который далее и проходит через третий фильтр. Для понижения температуры газ пропускается через водяной охладитель.

Азотный способ подразумевает производство сжиженного углеводородного газ а из любых газ овых источников. К преимуществам этого метода можно отнести простоту технологии, уровень безопасности, гибкость , легкость и малозатратность эксплуатации. Ограничения этого метода - необходимость источника электроэнергии и высоких капитальных затрат.

При смешанном способе производства сжиженного газ а в качестве хладагента используют смесь азота и . Получают газ также из любых источников. Этот метод отличается гибкостью производственного цикла и небольшими переменными затратами на производство. Если сравнивать с азотным способом сжижения, здесь капитальные затраты более существенны. Также необходим источник электроэнергии.

Источники:

Что такое сжижение газов?
Сжиженный газ: получение, хранение и транспортировка
что такое сжиженный газ

Природный газ добывается из недр Земли. Это полезное ископаемое состоит из смеси газообразных углеводородов, которая образуется в результате разложения органических веществ в осадочных породах земной коры.

Какие вещества входят в состав природного газа

На 80-98% природный газ состоит (CH4). Именно физико-химические свойства метана определяют характеристики природного газа. Наряду с метаном в составе природного газа присутствуют соединения такого же структурного типа – этан (C2H6), пропан (C3H8) и бутан (C4H10). В некоторых случаях в небольших количествах, от 0,5 до 1%, в природном газе обнаруживаются: (С5Н12), (С6Н14), гептан (С7Н16), (С8Н18) и нонан (С9Н20).

Также природный газ включает в себя соединения сероводорода (H2S), углекислого газа (CO2), азот (N2), гелий (He), водяные пары. Состав природного газа зависит от характеристик месторождений, где он добывается. Природный газ, добываемый в чисто газовых месторождениях, состоит в основном из метана.

Характеристики составляющих природного газа

Все химические соединения, входящие в состав природного газа, обладают рядом свойств, полезных в различных сферах промышленности и в быту.

Метан – горючий газ без цвета и запаха, он легче воздуха. Используется в промышленности и быту в качестве горючего. Этан – горючий газ без цвета и запаха, он немного тяжелее воздуха. В основном, из получают этилен. Пропан – ядовитый газ без цвета и запаха. Ему по свойствам близок бутан. Пропан используется, например, при сварочных работах, при переработке металлолома. Сжиженным и бутаном заправляют зажигалки и газовые баллоны. Бутан используют в холодильных установках.

Пентан, гексан, гептан, октан и нонан – . Пентан в небольших количествах входят в состав моторных топлив. Гексан также используется при экстрагировании растительных масел. Гептан, гексан, октан и нонан являются хорошими органическими растворителями.

Сероводород – ядовитый бесцветный тяжелый газ, тухлых яиц. Этот газ даже в маленькой концентрации вызывает паралич обонятельного нерва. Но в силу того, что сероводород обладает хорошими антисептическими свойствами, его в малых дозах применяют в медицине для сероводородных ванн.

Углекислый газ – негорючий бесцветный газ без запаха с кислым вкусом. Углекислый газ используют в пищевой промышленности: в производстве газированных напитков для насыщения их углекислотой, для заморозки продуктов, для охлаждения грузов при транспортировке и т.п.

Азот – безвредный бесцветный газ, без вкуса и запаха. Применяют его в производстве минеральных удобрений, используют в медицине и т.п.

Гелий – один из самых легких газов. Он не имеет цвета и запаха, не горит, не токсичен. Гелий используют в различных областях промышленности – , для охлаждения атомных реакторов, наполнения стратостатов.