Gaas. Ideaalne gaas

Veeldatud maagaas või lühendatult LNG, nagu seda on kombeks energiatööstuses nimetada (inglise resp. Veeldatud maagaas, lühend LNG) on tavaline maagaas, mis on jahutatud temperatuurini -162°C (nn veeldamise temperatuur) vedelal kujul ladustamiseks ja transportimiseks. Veeldatud gaasi hoitakse keemistemperatuuril, mis säilib tänu LNG aurustumine. Selline LNG säilitamise meetod on tingitud asjaolust, et jaoks metaan, LNG põhikomponent, on kriitiline temperatuur –83°C, mis on palju madalam ümbritseva õhu temperatuurist ja ei võimalda hoida veeldatud maagaasi kõrgsurvepaakides (viide: etaani kriitiline temperatuur on +32°C, propaan +97°C). Kasutamiseks aurustatakse LNG algolekusse ilma õhuta. Kell ( gaasi tagastamine algsesse auruolekusse) ühest kuupmeetrist vedelgaasist moodustub umbes 600 kuupmeetrit tavalist maagaasi.

LPG temperatuur

LNG ülimadal temperatuur teeb seda krüogeenne vedelik. Üldreeglina võetakse arvesse aineid, mille temperatuur on -100°C (-48°F) või isegi madalam. krüogeenne ja töötlemiseks on vaja spetsiaalseid tehnoloogiaid. Võrdluseks, madalaim registreeritud temperatuur Maal on -89,2 °C (Antarktika) ja asulas -77,8 °C (Oymyakoni küla, Jakuutia). Veeldatud maagaasi krüogeenne temperatuur tähendab, et kokkupuude LNG-ga võib muuta kokkupuutuvate materjalide omadusi, mis seejärel muutuvad rabedaks ning kaotavad oma tugevuse ja funktsionaalsuse. Seetõttu kasutatakse LNG-tööstuses spetsiaalseid tehnoloogiaid.

LNG keemiline koostis

Toornafta ja maagaas on fossiilkütused, mida tuntakse kui "süsivesinikud" kuna need sisaldavad süsiniku- ja vesinikuaatomite keemilisi kombinatsioone. Maagaasi keemiline koostis sõltub sellest, kus gaasi toodetakse ja töödeldakse. Veeldatud maagaas esindab segu metaan, etaan, propaan ja butaan koos väikese koguse raskemate süsivesinike ja mõningate lisanditega, eelkõige lämmastiku- ja väävlikompleksidega, vesi, süsinikdioksiid ja vesiniksulfiid, mis võivad esineda toitegaasis, kuid need tuleb enne eemaldada. metaan on kõige olulisem komponent, tavaliselt, kuigi mitte alati, rohkem kui 85 mahuprotsenti.

LPG tihedus

Kuna LNG on segu, veeldatud maagaasi tihedus varieerub veidi vastavalt selle tegelikule koostisele. Veeldatud maagaasi tihedus, on tavaliselt vahemikus 430–470 kilogrammi kuupmeetri kohta ja selle maht on ligikaudu 1/600 gaasi mahust atmosfääritingimustes. See muudab selle õhust umbes kolmandiku kergemaks. Nende asjaolude teine tagajärg on see, et LNG tihedus on väiksem kui vee tihedus, mis võimaldab lekke korral pinnal hõljuda ja üsna kiiresti aurustuda.

LNG muud omadused

Veeldatud maagaas on lõhnatu, värvitu, mittesöövitav, mittesüttiv ja mittetoksiline. LNG-d ladustatakse ja transporditakse ülimadalatel temperatuuridel atmosfäärirõhul (kõrgeid rõhku pole). Keskkonnaga kokku puutudes aurustub LNG kiiresti, jätmata jälgi veele ega pinnasele.

Tema omas vedelal kujul Veeldatud maagaasil ei ole plahvatus- ega süttimisvõimet. Kell aurustumine maagaas võib süttida, kui see puutub kokku põlemisallikaga ja kui auru kontsentratsioon õhus on vahemikus 5–15 protsenti. Kui gaasiaurude kontsentratsioon on alla 5 protsendi, siis auru ei jätku tulekahju tekkeks ja kui üle 15 protsendi, siis tekib keskkonnas hapnikupuudus.

LNG eelised

Gaasi tihedus suureneb sadu kordi, mis suurendab nii ladustamise efektiivsust ja mugavust kui ka transporti ja energiakulu.
Veeldatud maagaas - mittetoksiline krüogeenne vedelik, mida hoitakse soojusisolatsiooniga anumas temperatuuril –162°C. Atmosfäärirõhul saab ladustada suuri koguseid LNG-d.
LNG mandritevahelise transpordi võimalus erisõidukitega, samuti vedu raudteel ja maanteel paakides.
Veeldatud maagaas võimaldab gaasistada magistraaltorustikust kaugemal asuvaid rajatisi pikkade vahemaade tagant, luues LNG varu otse tarbija juures, vältides kallite torujuhtmesüsteemide ehitamist.

Tarbija seisukohast seisnevad sellel põhineva veeldatud maagaasi eelised ka selles, et LNG ei ole mitte ainult gaasitoru kaudu transporditava gaasi allikas, vaid ka gaasi allikas. NGL (kergete süsivesinike lai fraktsioon- etaan, propaan, butaanid ja pentaanid), mis on osa veeldatud maagaasist ja vabanevad LNG-st taasgaasistamine. Neid süsivesinikke kasutatakse naftakeemia toorainena ja keskkonnasõbraliku kütuse allikana erinevatel transpordiliikidel (ja ka igapäevaelus). In valitakse murdarvuga 2 + või 3 +. Transpordi võimalus NGL osana veeldatud maagaasist ei toimi see mitte ainult tarbija kasuks, vaid lahendab ka tootja transpordiprobleeme NGL gaasiväljalt.

Veeldatud maagaas on ohutu, keskkonnasõbralik kütus kõrge energiatõhususe ja oktaanarvuga. LNG hind tarbijale kuluv hind on madalam kui vedelgaasi, kütteõli ja veelgi enam diislikütuse hind.

GAAS. gaasiline olek nimetatakse aine olekuks, milles molekulide vahel mõjuvad jõud on äärmiselt väikesed ja molekulide endi mõõtmed on tühised, võrreldes nende vahedega. Kokkupõrgete vahel liiguvad gaasimolekulid sirgjooneliselt, ühtlaselt ja täiesti juhuslikult. Kuumutamisel ja hõrenemisel kipuvad kõik gaasid nn ideaali piiravasse olekusse ehk ideaalne gaas.

AT ideaalne gaas molekulidevahelised jõud on null ja molekulide endi ruumala on molekulidevahelise ruumi mahuga võrreldes lõpmata väike. Ideaalse gaasi olek on aine piirav lahjendatud olek, mille poole püüavad kõik looduskehad piisavalt kõrgel temperatuuril ja piisavalt madalal rõhul; see on ideaalse gaasi oleku eriline tähtsus, mis on pealegi kõige kergemini uuritav ja seetõttu ka kõige põhjalikumalt uuritud. Planeetidevahelist ruumi äärmisel haruldusel täitvat ainet võib pidada ideaalseks gaasiks.

Gaasirõhk (p) määratakse gaasimolekulide mõjuga anuma seintele. Kineetilise teooria kohaselt on gaasimolekulide keskmine kineetiline energia võrdeline absoluutse temperatuuriga. Kineetilises teoorias on näidatud, et ideaalne gaas järgib rangelt järgmist olekuvõrrandit, mis seob kolme olekuparameetrit: v, T ja p, millest kaks on sõltumatud ja kolmas on nende funktsioon:

See võrrand ( Clapeyroni võrrand) sisaldab selgesõnaliselt ideaalse gaasi oleku kolme põhiseadust:

1) Boyle-Mariotte seadus. Konstantsel temperatuuril (T) on antud ideaalse gaasi koguse korrutis (p ∙ v) konstantne väärtus (p ∙ v \u003d Const), st ideaalse gaasi maht (v) on pöördvõrdeline selle ruumalaga. rõhk (p): ideaalse gaasi isotermid koordinaatsüsteemis (v, p) on võrdkülgsed hüperboolid, mille asümptootideks on koordinaatteljed.

2). Konstandi (p) korral suureneb antud koguse ideaalse gaasi maht lineaarselt temperatuuriga:

(v 0 - maht temperatuuril \u003d 0 ° C, α - ideaalse gaasi paisumistegur). Muutus (p) temperatuuril v = Const järgib sama seadust:

(α) võrrandis (3) - rõhutegur, arvuliselt võrdne paisumisteguriga (α) võrrandis (2) = 1/273,1 = 0,00367 - väärtus, mis ei sõltu gaasi olemusest ja on sama kõigi ideaalgaaside puhul; p 0 - rõhk temperatuuril \u003d 0 ° C. Temperatuuri asemel absoluutse temperatuuri kasutuselevõtt

leiame võrrandite (2) ja (3) asemel:

3) Avogadro seadus. Võrrand (1) näitab seda gaasikonstant R \u003d p 0 ∙ v 0 / 273,1 on võrdeline normaalmahuga v 0, mille hõivab antud gaasikogus tavatingimustes (p 0 \u003d 1 Atm ja t 0 \u003d 0 ° C \u003d 273,1 ° K), st tagasi on võrdeline gaasi tihedusega normaaltingimustes D 0 . Vastavalt Avogadro seadusele sisaldavad kõik ideaalsed gaasid samade (p) ja (T) korral võrdsetes kogustes (näiteks v 0-ga) võrdse arvu molekule. Vastupidi: ideaalses olekus mis tahes gaasi võrdne arv molekule (näiteks 1 mol \u003d 1 grammi molekul) hõivab normaalsetes tingimustes sama mahu v 0, olenemata gaasi olemusest (1 mool mis tahes ainet sisaldab N 0 = 6,06∙10 23 üksikut molekuli – Avogadro arv). Leiti suure täpsusega, et normaalne molaarmaht mis tahes ideaalne gaas (V 0) m võrdub 22,412 liitrit / mol. Siit saate arvutada molekulide arvu 1 cm 3 mis tahes ideaalses gaasis normaalsetes tingimustes: n0 \u003d 6,06 ∙ 10 23 / 10 3 ∙ 22,416 \u003d 2,705 ∙ 10 19 cm 3 (Loshmit number). Kasutades võrrandit (1), väljendub Avogadro seadus selles, et gaasikonstant R, mis arvutatakse 1 mooli mis tahes gaasi kohta, on sama, olenemata gaasi olemusest. See. R on universaalne konstant mõõtmega [ Töö]/[kaal][temperatuuri] ja väljendab 1 mooli ideaalse gaasi paisumist, kui seda kuumutatakse 1 ° C juures p \u003d Const:

see on R füüsiline tähendus.

leidke arvväärtus

Teistes ühikutes on R väärtused (1 mooli kohta):

Ideaalse gaasi oleku võrrandist (1) koos kahe termodünaamika seadusega tulenevad lisaks analüüsitud kolmele seadusele ka järgmised põhiseadused:

4) Joule'i seadus. Üks termodünaamika üldvõrranditest

annab koos võrrandiga (1) ideaalse gaasi siseenergia U jaoks järgmised tingimused:

st ideaalse gaasi U on ainult T funktsioon (Joule'i seadus); ideaalse gaasi isotermilisel paisumisel muundub kogu neeldunud soojus välistööks ja isotermilise kokkusurumise käigus kogu kulutatud töö eralduvaks soojuseks.

5) Ideaalse gaasi soojusmahtuvused konstantsel ruumalal c v ja konstantsel rõhul c p on ainult T funktsioonid. Termodünaamika annab üldvõrrandid

kuid ideaalse gaasi puhul (p) ja (v) sõltuvad lineaarselt (T) vastavalt Gay-Lussaci seadusele (4) ja (5); seetõttu muutuvad võrrandite (9) parempoolsed osad 0-ks ja

Soojusvõimsused c p ja c v ei ole üksteisest sõltumatud, vaid on ideaalse gaasi jaoks seotud lihtsa tingimusega:

tulenevad gaasiseadustest (R-l on soojusmahtuvuse mõõde), st kui c p ja c v on seotud 1 mooli ideaalse gaasiga, siis erinevad nad üksteisest 2 võrra (täpsemalt 1,986 võrra) - cal / mol ∙ deg.

Kineetilises teoorias on energia ühtlase jaotuse põhimõtte kohaselt aktsepteeritud, et gaasimolekuli iga vabadusastme jaoks on energia k 0 ∙T / 2 ja 1 mooli kohta

(k 0 \u003d -R / N 0 on 1 molekuli jaoks arvutatud gaasikonstant - Boltzmanni konstant). Vabadusastmete arv (i) on gaasimolekuli üksteisest sõltumatute mehaaniliste energialiikide arv. Siis 1 mooli energia

(ligikaudne, eeldades, et R = 2, c v = i, c p = i + 2).

Gaasi teoorias mängib olulist rolli seos c p /c v = γ; võrranditest (11) ja (12):

Kõige lihtsamal juhul monoatomiline gaas(mille molekul koosneb 1 aatomist, millised on paljude metallide väärisgaasid ja aurud) i on väikseim ja võrdub 3: kogu molekuli energia taandatakse tema translatsiooniliigutuste kineetiliseks energiaks, mida saab sooritada kolmes iseseisvad üksteisega risti olevad suunad; siis

ja γ on suurima võimaliku väärtusega: γ = 5/3 = 1,667. Sest kaheaatomilised gaasid(H 2, O 2, N 2, CO ja teised) võib pidada I \u003d 3 + 2 (kaks pööret ümber kahe vastastikku risti asetseva telje, mis on risti mõlemat aatomit ühendava joonega); siis c v = 4,96 ≈ 5, cр = 6,95 ≈ 7 ja γ = 7/5 = 1,40. Sest kolmeaatomiline gaas(Н 2 O, СO 2, H 2 S, N 2 O) i = 3+3 (pöörlemine ümber kolme vastastikku risti asetseva telje) ja c v = 5,96 ≈ 6, cр = 7,95 ≈ 7 ja γ = 4/ 3 = 1,33.

Molekuli struktuuri edasise komplitseerimisega, st i suurenemisega c v ja c p suurenevad ning γ = 1 + 2/i ja kipub 1. Tabel. 1 näitab, et kõik öeldu on hästi kooskõlas katseandmetega, et γ on alati >1 ja ≤1,667 ning ei saa olla = 1,50 (i = 4 puhul).

Üheaatomiliste gaaside puhul ei muutu c v ja c p vastavalt teooriale praktiliselt temperatuuriga (näiteks Ar puhul on c v ja c p väärtused vahemikus 2,98 kuni 3,00 temperatuuride = 0 ° ja 1000 vahel °C). C v ja c p muutusi temperatuuriga on seletatud kvantteoorias. Ideaalilähedased gaaside soojusmahtuvus aga laias temperatuurivahemikus praktiliselt ei muutu. Tavaliselt määratakse p ja y katseliselt ning c v arvutatakse nende andmete põhjal.

tõelised gaasid. Kõik gaasid, mis tegelikult eksisteerivad, on tõelised gaasid b. või m., kalduvad kõrvale ideaalgaaside seadustest, kuid mida vähem, seda kõrgem on temperatuur ja madalam rõhk. See. ideaalsete gaaside seadused on reaalsete gaaside jaoks piiravad. Tavalistel temperatuuridel on hälve kõige väiksem gaaside puhul, mille kriitilised temperatuurid on ülimadalad (nn konstantsed gaasid: He, H 2 , N 2, O 2, õhk); suhteliselt kõrge kriitilise temperatuuriga gaaside ja aurude puhul (gaasi, mille temperatuur on alla kriitilise temperatuuri, nimetatakse auruks) on kõrvalekalded väga olulised. Reaalsete gaaside gaasiseadustest kõrvalekaldumise põhjused on järgmised: 1) neis toimivad molekulidevahelised jõud; seetõttu tõmbavad pinnamolekulid gaasidesse jõudude toimel, mille pinnaühiku kohta arvutatud ja sellega risti suunatud resultant on nn. molekulaarne (sisemine) rõhk K; 2) mitte kogu gaasi maht (v), vaid ainult osa sellest (v-b) annab vabaduse molekulide liikumiseks; osa mahust (b), covolum, nagu oleksid molekulide endi poolt hõivatud. Kui gaas oleks ideaalne, oleks selle rõhk suurem kui vaadeldav (p) K väärtuse võrra; seetõttu kirjutatakse reaalse gaasi olekuvõrrand kujul

Selles üldvõrrandis võivad K ja b sõltuda T-st ja v-st.

Van der Waals näitas, et kõige lihtsamal juhul on K \u003d a / v 2 ja b konstantne väärtus, mis võrdub gaasimolekulide endi neljakordse mahuga. Seega on van der Waalsi võrrand järgmine:

a ja b, nagu kogemus näitab, sõltuvad van der Waalsi konstandid ikkagi T-st ja v-st ning seetõttu on võrrand (15) vaid esimene lähendus; see reprodutseerib hästi reaalsete gaaside isotermide kvalitatiivset kuju.

Joonisel fig. 1 on näidatud CO 2 teoreetiliste isotermide jaoks: nende isotermide S-kujulised osad vastavad termodünaamiliselt metastabiilsed olekud.

Joonisel fig. Joonisel 2 on näidatud CO 2 eksperimentaalsed isotermid: kõverate S-kujulised osad on asendatud sirgete osadega; Nendest osadest paremal vastavad kõverad gaasile (küllastumata aur), vasakule - vedelikele ja sirged segmendid ise - auru ja vedeliku tasakaalule. Võrrand (15) näitab täielikus kooskõlas kogemusega, et temperatuuri tõustes muutuvad isotermidel sirgete segmentide mõõtmed järjest väiksemaks (joonis 2) ja lõpuks, teatud temperatuuril, mis on võrdne kriitilise temperatuuriga, väheneb selle segmendi pikkus muutub 0. Temperatuuril, mis on suurem kui Kriitilisel temperatuuril ei saa gaas muutuda vedelikuks ühelgi rõhul: vedelik lakkab olemast. See. van der Waalsi võrrand hõlmab kahte olekut – gaasilist ja vedelat – ning on aluseks nende kahe oleku vahelise ülemineku järjepidevuse õpetusele. Mõnede gaaside kriitilistel temperatuuridel on järgmised väärtused: +360°C H 2 O, +31°C CO 2, -241°C H 2 ja -254°C He puhul.

Gaasi veeldamine. Iga gaasi saab õige rõhuga muuta vedelikuks, kui see on eelnevalt jahutatud alla kriitilise temperatuuri. CO 2 veeldamiseks vajalikud rõhud (Atm) erinevatel temperatuuridel on toodud tabelis. 2.

On selge, et need rõhud on vedela süsinikdioksiidi küllastunud auru rõhud ja mida madalam, seda madalam on temperatuur.

Gaasi eeljahutamiseks veeldamiseks kasutavad nad tehnilistes paigaldistes Joule-Thomsoni efekti, mis seisneb selles, et adiabaatilise paisumise ajal (näiteks järsu rõhu langusega, kui gaas aukust välja voolab) , suureneb gaasi siseenergia ΔU võrra ja T muutub ΔT võrra ning termodünaamiliselt

Ideaalsete gaaside puhul on ΔU = 0 ja ΔT = 0 [sest võrrandi (1) kohaselt T∙dv/dT – v = 0].

Päris gaaside puhul ΔТ ≠ 0, st toimub jahutamine või soojendamine, olenevalt sellest, kas T∙dv/dT – v ≠ 0 (Δp< 0). По уравнению Ван-дер-Ваальса,

(piisava ligikaudsusega). See. piisavalt kõrgetel temperatuuridel kuumenevad kõik gaasid adiabaatilise paisumise käigus (ΔТ > 0, sest a/R∙T< b), но с понижением температуры для каждого газа наступает inversioonipunktТ i määrab tingimus

millest madalamal hakkavad gaasid adiabaatilise paisumise käigus jahtuma (a/R∙T> b temperatuuril T< Т i). Для всех газов, кроме Н 2 и Не, Т i лежит выше обычных температур (так, для воздуха Т i соответствует +360°С), и потому газы могут быть сжижены по принципу Линде , без предварительного охлаждения. Для Н 2 инверсионная точка Т i - 80,5°С, а для Не - даже 15°К; поэтому Н 2 и Не для сжижения д. б. предварительно охлаждены ниже этих температур.

Asjakohased olekud. Kriitiline temperatuur T kuni, rõhk p kuni ja maht v kuni m. b. väljendatakse van der Waalsi konstantide a, b ja R kaudu järgmiselt:

Kui võtta kriitilisteks väärtusteks vastavalt mõõtühikud T, p ja v, siis T, p ja v asemel iseloomustatakse olekut antud väärtused:

Kui sisestada van der Waalsi võrrandisse (15) θ, π ja ϕ, siis konstandid a, b ja R tühistavad ja saame redutseeritud olekuvõrrand, numbriliste koefitsientidega

mis ei sisalda aine olemusest sõltuvaid koguseid. Võrrand (19) eeldab aga, et van der Waalsi võrrand on õige ja seetõttu on kõrvalekalded sellest sageli üsna olulised, eriti seotud ainete puhul. Vastavate olekute (samadele θ-le, π-le ja ϕ-le vastavad nn olekud) õpetus võimaldab leida suurel hulgal võrrandiga (19) sarnaseid universaalseid sõltuvusi.

Gaaside pealekandmine. Suru- ja veeldatud gaase kasutatakse tehnikas kõikjal, kus on vaja väikeses mahus suures koguses gaasi; seega kasutatakse CO 2 vee karboniseerimiseks, Cl 2 ja fosgeeni - sõjalise keemiaäris, O 2 - meditsiiniliseks otstarbeks, suruõhku - sisepõlemismootorite käivitamiseks. Veeldatud gaasid (CO 2 ja NH 3) on eriti olulised külmutusseadmetes, külmutusmasinates (näiteks tehisjää tootmiseks). Õhupallide täitmiseks kasutatakse kergeid gaase (H 2, valgustusgaas, hiljuti He). Poolvatiste hõõglampide täitmiseks kasutatakse inertgaase (N 2 ja väärisgaase, eriti Ar). Erilist tähelepanu väärib gaasi kasutamine valgustuseks või kütusena: valgustus, võimsus, veegaasid ja muud.

Vedelikud võivad eksisteerida ainult kriitilisest madalamal temperatuuril. Seetõttu tuleb gaasi veeldamiseks kõigepealt jahutada alla kriitilise temperatuuri ja seejärel suruda. Nagu on näha tabelist XIII, vajavad gaasid, nagu hapnik, lämmastik, vesinik ja eriti heelium, vedeldamiseks väga madalat temperatuuri.

Tabel XIII (vt skaneerimine) Mõnede gaaside kriitilised ja keemispunktid (atmosfäärirõhul).

Üks esimesi tööstuslikke meetodeid gaaside veeldamiseks (Linde meetod, 1895) kasutas Joule-Thomsoni efekti.

Linde masina skeem on näidatud joonisel 6.21. Kompressori K poolt kokkusurutuna ja selle tulemusena mõnevõrra kuumutatud gaas läbib jahutit X, kus see eraldab soojust voolavale veele ja jahtub algtemperatuurini. Seejärel liigub gaas läbi spiraali drosselklapi (kraani) juurde ja paisub vastuvõtjasse B rõhulangusega umbes sadu atmosfääre ühele atmosfäärile. Vahetult pärast seadme käivitamist ei piisa temperatuuri langusest gaasi veeldamiseks. Veidi jahtunud gaas suunatakse spiraali kaudu tagasi kompressorisse.Mõlemad spiraalid on tihedas termilises kontaktis (tavaliselt sisestatakse üks mähis teise) vastuvoolusoojusvahetis Soojusvahetis kompressorisse suunduv gaas madalam temperatuur jahutab vastutulevat gaasivoolu. Ilmselgelt läheneb gaas teises tsüklis klapile A madalamal temperatuuril kui

see oli selle esimesel läbimisel ja pärast drosselit langeb temperatuur veelgi. Iga tsükliga gaasi temperatuur drossel ja soojusvaheti toimel langeb üha enam ja lõpuks langeb nii palju, et osa gaasist muutub pärast paisumist vedelikuks ja koguneb vastuvõtjasse B. , kust saab vedeliku läbi klapi Dewari anumasse tühjendada

Kirjeldatud vastuvoolu soojusvahetuse põhimõtet kasutatakse kõigis gaaside veeldamiseks mõeldud masinates, kuigi selliste soojusvahetite konstruktsioon võib olla äärmiselt mitmekesine.

Teine tööstuslik meetod gaaside veeldamiseks (Claude'i meetod, 1902) põhineb gaasi täiendaval jahutamisel, kui see töötab. Klapijärgne kokkusurutud gaas (joon. 6.21) suunatakse kolbmasinasse (paisutaja), kus see paisudes teeb molekulide kineetilise energia toimel kolvi liigutamise tööd (joonisel laiendajat pole näidatud). ). Selle tulemusena muutub gaasi temperatuuri langetamise mõju olulisemaks kui Linde masinal. Seda meetodit täiustas nõukogude teadlane P. L. Kapitsa (1934), kes kasutas kolbpaisutaja asemel väikest turbiini (turbopaisutaja), mida käitab jahutatud gaas (paisutaja rootor on väikese suurusega ja selle massi mõõdetakse vaid sadades grammides).

Praegu kasutatakse gaaside veeldamiseks enamikul juhtudel ekspanderites paisumisega masinaid. Heeliumi vedeldamisel eeljahutuseks turbopaisutajatega masinates kasutatakse vesiniku asemel lämmastikku, mis tõstab oluliselt seadme tootlikkust ja majanduslikku efektiivsust. Lisaks on sama tootlikkuse juures turbolaiendiga masinad mitu korda väiksemad kui Linde skeemi järgi töötavad masinad.

Juhend

Näeb välja nagu vedeldatud looduslik gaas(LNG) on värvitu ja lõhnatu vedelik, mille koostis on 75-90% ja millel on väga olulised omadused: vedelas olekus ei ole see põlev ega ka agressiivne, mis on transportimisel äärmiselt oluline. LNG vedeldamise protsessil on oma iseloom, kus iga uus etapp tähendab 5-12-kordset kokkusurumist, millele järgneb jahutamine ja edasiminek järgmisse etappi. LNG muutub vedelaks pärast kokkusurumise viimast etappi.

Kui gaasi on vaja transportida väga pikki vahemaid, siis on palju tulusam kasutada spetsiaalseid laevu - gaasikandjaid. Gaasi kohast lähimasse sobivasse kohta mererannikul tõmmatakse torujuhe, rannikule ehitatakse terminali. Seal surutakse gaas tugevalt kokku ja jahutatakse, muutes selle vedelaks ning pumbatakse tankerite isotermilistesse mahutitesse (temperatuuril -150 ° C).

Sellel transpordimeetodil on torutranspordi ees mitmeid eeliseid. Esiteks võib üks neist ühe lennuga kanda tohutul hulgal gaasi, sest vedelas olekus on aine tihedus palju suurem. Teiseks ei ole peamised kulud mitte transpordile, vaid toote peale- ja mahalaadimisele. Kolmandaks on vedelgaasi ladustamine ja transportimine palju turvalisem kui surugaas. Pole kahtlust, et veeldatud kujul transporditava maagaasi osakaal torustikuga võrreldes pidevalt suureneb.

Veeldatud looduslik gaas nõutud erinevates inimtegevuse valdkondades - tööstuses, maanteetranspordis, meditsiinis, põllumajanduses, teaduses jne. Vedeldatud gaas Võitsime tänu nende kasutus- ja transpordimugavusele ning keskkonnasõbralikkusele ja odavusele.

Juhend

Enne süsivesiniku veeldamist gaas ja see tuleb esmalt puhastada ja eemaldada veeaur. Süsinik gaas eemaldatakse kolmeastmelise molekulaarfiltrisüsteemi abil. Sel viisil puhastatud gaas väikestes kogustes kasutatakse seda regenereerimiseks. Taastav gaas kas põletatakse või kasutatakse generaatorites elektri tootmiseks.

Kuivatamine toimub 3 molekulaarfiltri abil. Üks filter neelab veeauru. Teine kuivab gaas, mis läheb kaugemale ja läbib kolmanda filtri. Temperatuuri alandamiseks gaas läbinud vesijahuti.

Lämmastiku meetod hõlmab veeldatud süsivesinike tootmist gaas ja mis tahes gaas uued allikad. Selle meetodi eelised hõlmavad tehnoloogia lihtsust, ohutuse taset, paindlikkust, lihtsust ja madalaid kulusid. Selle meetodi piirangud on vajadus toiteallika järele ja suured kapitalikulud.

Segameetodiga veeldatud tootmiseks gaas ja lämmastiku segu ning seda kasutatakse külmutusagensina. saada gaas ka mis tahes allikast. Sellel meetodil on paindlik tootmistsükkel ja madalad muutuvad tootmiskulud. Võrreldes lämmastiku veeldamise protsessiga on siin suuremad kapitalikulud. Vaja on ka elektriallikat.

Allikad:

Mis on gaasi veeldamine?
Vedelgaas: vastuvõtt, ladustamine ja transport
mis on vedelgaas

Maagaasi ammutatakse Maa soolestikust. See mineraal koosneb gaasiliste süsivesinike segust, mis tekib maakoore settekivimites orgaanilise aine lagunemise tulemusena.

Millised on maagaasi koostisosad

80-98% maagaasist koosneb (CH4). Metaani füüsikalis-keemilised omadused määravad maagaasi omadused. Maagaas sisaldab koos metaaniga sama struktuuritüüpi ühendeid - etaani (C2H6), propaani (C3H8) ja butaani (C4H10). Mõnel juhul sisaldab maagaas väikestes kogustes, 0,5–1%,: (С5Н12), (С6Н14), heptaani (С7Н16), (С8Н18) ja nonaani (С9Н20).

Maagaas hõlmab ka vesiniksulfiidi (H2S), süsinikdioksiidi (CO2), lämmastiku (N2), heeliumi (He), veeauru ühendeid. Maagaasi koostis oleneb väljade omadustest, kus seda toodetakse. Puhtal gaasiväljadel toodetud maagaas koosneb peamiselt metaanist.

Maagaasi koostisosade omadused

Kõigil maagaasi moodustavatel keemilistel ühenditel on mitmeid omadusi, mis on kasulikud erinevates tööstusharudes ja igapäevaelus.

Metaan on värvitu, lõhnatu, tuleohtlik gaas, mis on õhust kergem. Seda kasutatakse tööstuses ja igapäevaelus kütusena. Etaan on värvitu, lõhnatu, põlev gaas, mis on õhust veidi raskem. Põhimõtteliselt saadakse etüleeni. Propaan on mürgine, värvitu ja lõhnatu gaas. Butaan on talle omaduste poolest lähedane. Propaani kasutatakse näiteks keevitustöödel, vanametalli töötlemisel. Veeldatud ja butaaniga täidetud tulemasinad ja gaasiballoonid. Butaani kasutatakse külmutusseadmetes.

Pentaan, heksaan, heptaan, oktaan ja nonaan -. Pentaani leidub mootorikütustes väikestes kogustes. Heksaani kasutatakse ka taimeõlide ekstraheerimiseks. Heptaan, heksaan, oktaan ja nonaan on head orgaanilised lahustid.

Vesiniksulfiid on mürgine värvitu raske gaas, mädamunad. See gaas põhjustab isegi väikestes kontsentratsioonides haistmisnärvi halvatust. Kuid kuna vesiniksulfiidil on head antiseptilised omadused, kasutatakse seda väikestes annustes meditsiinis vesiniksulfiidivannide jaoks.

Süsinikdioksiid on mittesüttiv, värvitu ja lõhnatu hapu maitsega gaas. Süsinikdioksiidi kasutatakse toiduainetööstuses: gaseeritud jookide tootmisel nende süsihappegaasiga küllastamiseks, toiduainete külmutamiseks, veose jahutamiseks transportimisel jne.

Lämmastik on kahjutu värvitu, lõhnatu ja maitsetu gaas. Seda kasutatakse mineraalväetiste tootmisel, kasutatakse meditsiinis jne.

Heelium on üks kergemaid gaase. See on värvitu ja lõhnatu, mittesüttiv, mittetoksiline. Heeliumi kasutatakse erinevates tööstusharudes – tuumareaktorite jahutamiseks, stratosfääri õhupallide täitmiseks.

Eksperimentaalne fakt aine jahutamisest aurustumise ajal on tuntud juba ammu ja seda on isegi praktikas kasutatud (näiteks poorsete anumate kasutamine vee värskuse säilitamiseks). Kuid selle probleemi esimese teadusliku uurimuse viis läbi Gian Francesco Cigna ja seda kirjeldas 1760. aasta teos "De frigore ex evaporation" ("Aurustumisest tingitud külmast").

Cigna tõestas, et mida kiirem on aurustumine, seda intensiivsem on jahutamine, ja Meran näitas, et kui puhuda termomeetri märjale pirnile, on temperatuuri langus suurem kui samas katses termomeetri kuiva pirniga. Antoine Beaumet (1728-1804) leidis, et vääveleetri aurustamine jahutab rohkem kui vee aurustamine. Nendele faktidele tuginedes lõi Tiberio Cavallo 1800. aastal külmiku ja Wollaston 1810. aastal oma kuulsa krüofoori, mida kasutatakse siiani. Danieli hügromeeter loodi selle seadme põhjal 1820. aastal. Külmutusmasin sai praktiliselt kasutusele võetud alles pärast 1859. aastat, st pärast seda, kui Fernand Carré (1824-1894) avaldas oma meetodi jää saamiseks eetri aurustamisega, mis hiljem asendati ammoniaagiga. 1871. aastal kirjeldas Carl Linde (1842-1934) enda loodud külmutusmasinat, milles jahutamine saavutati gaasi paisutamise teel. 1896. aastal kombineeris ta selle masina füüsikakursustel kirjeldatud vastuvoolusoojusvahetiga ja see võimaldas tal saada vedelat vesinikku. Füüsikute selleks ajaks saavutatud katsetulemusi hakati tööstuses kasutusele võtma.

Gaasi veeldamise probleemil on sajanditepikkune ajalugu, mis ulatub 18. sajandi teisele poolele. Kõik sai alguse ammoniaagi vedeldamisest lihtjahutusega, mille valmistas van Marum, väävelanhüdriidi Monge ja Clouet, kloori Northmore (1805) ja ammoniaagi vedeldamisest Baccelli (1812) pakutud kompressioonimeetodil.

Charles Cagnard de Latour (1777-1859) ja Michael Faraday (1791-1867) andsid üheaegselt ja iseseisvalt otsustava panuse selle probleemi lahendamisesse.

Aastatel 1822 ja 1823 avaldatud artiklites kirjeldas Cañard de Latour tema tehtud katseid, et teha kindlaks vedeliku olemasolu (nagu seda intuitiivselt tajutakse) teatud piirav paisumine, mille ületamisel, sõltumata rakendatavast rõhust, sellest läheb auru olekusse. Selleks pani de Latour kivikuuli kolmandiku ulatuses piiritusega täidetud katlasse ja hakkas tasapisi pada kuumutama. Paja sees pöörleva palli tekitatud mürast jõudis de Latour järeldusele, et teatud temperatuuril aurustus kogu alkohol. Katseid korrati väikeste torudega; torudest eemaldati õhk, seejärel täideti need 2/5 ulatuses uuritava vedelikuga (alkohol, eeter, bensiin) ja kuumutati leegis. Temperatuuri tõustes muutus vedelik üha liikuvamaks ning vedeliku ja auru vaheline liides muutus üha ebaselgemaks, kuni teatud temperatuuril kadus see täielikult ja kogu vedelik tundus olevat muutunud auruks. Ühendades need torud suruõhuga manomeetriga, suutis Cañard de Latour mõõta torus tekkinud rõhku hetkel, mil vedeliku ja auru liides kaob, ja vastavat temperatuuri. Vastupidiselt levinud arvamusele ei määranud Cañard de Latour nendes katsetes mitte ainult vee kriitilist temperatuuri, vaid ei suutnud isegi vett täielikult aurustada, sest torud purunesid alati enne soovitud efekti saavutamist.

Konkreetsema tulemuse andsid Faraday katsed, mis viidi läbi 1823. aastal painutatud klaastorudega, mille pikem õlg suleti. Sellesse käsivarre asetas Faraday aine, mis kuumutamisel pidi uuritavat gaasi andma, sulges seejärel toru teise, lühikese õla ja kastis toru jahutussegusse. Kui pärast seda ainet kuumutatakse toru pikas harus, siis moodustub gaas, mille rõhk järk-järgult tõuseb, ja paljudel juhtudel vedeldas Faraday gaasi lühikeses torus. Nii sai Faraday naatriumvesinikkarbonaadi kuumutamisel vedela süsihappe; samamoodi sai ta vedelat vesiniksulfiidi, vesinikkloriidi, väävelanhüdriidi jne.

De Latouri ja Faraday katsed näitasid, et gaasi saab veeldada, kui seda kõrge rõhu all hoida. Paljud füüsikud hakkasid selles suunas töötama, eriti Johann Natterer (1821-1901). Mõningaid gaase (vesinik, hapnik, lämmastik) ei saanud aga sel viisil veeldada. 1850. aastal allutas Vertelo hapniku rõhule 780 atm, kuid ei suutnud veeldamist saavutada. See sundis Vertelot ühinema Faraday arvamusega, kes, olles kindel, et varem või hiljem on võimalik saada tahket vesinikku, uskus, et rõhust üksi ei piisa teatud gaaside veeldamiseks, mida siis nimetati "püsivaks" või "alustamatuks".

Samal 1845. aastal, kui Faraday seda seisukohta väljendas, tegi Regnault, märgates, et madalatel temperatuuridel on süsinikdioksiidil anomaalne kokkusurutavus ja 100 °C lähenedes hakkab järgima Boyle'i seadust, eeldades, et iga gaasi jaoks on kindel temperatuurivahemik, kus see järgib Boyle'i seadust. 1860. aastal töötas Regnault välja ja muutis seda Dmitri Ivanovitš Mendelejevi (1834–1907) ideed, mille kohaselt peab kõigil vedelikel olema "absoluutne keemispunkt", millest kõrgemal võib see eksisteerida ainult gaasilises olekus, sõltumata rõhust.

Selle küsimuse uurimist jätkas 1863. aastal uuel kujul Thomas Andrews (1813-1885). 1863. aastal viis Andrews kapillaartorusse süsihappegaasi, lukustades gaasi mahu elavhõbedasambaga. Kruvi abil seadis ta meelevaldselt rõhu, mille all gaas asus, muutes samal ajal järk-järgult temperatuuri. Olles saavutanud gaasi osalise veeldamise pelgalt rõhu suurendamise ja seejärel toru aeglaselt kuumutamisega, täheldas Andrews samu nähtusi, mida Cañard de Latour oli uurinud 30 aastat enne teda. Kui süsihappegaasi temperatuur jõudis 30,92 °C-ni, kadus vedeliku ja gaasi vaheline liides ning vedelat süsinikdioksiidi ei saanud enam ühegi rõhuga kätte. Oma 1869. aasta üksikasjalikus töös tegi Andrews ettepaneku nimetada temperatuuri 30,92 °C süsinikdioksiidi "kriitiliseks punktiks". Sama meetodiga määras ta kriitilised punktid vesinikkloriidi, ammoniaagi, väävelhappe eetri ja lämmastikoksiidi jaoks. Ta tegi ettepaneku säilitada mõiste "aur" gaasiliste ainete puhul, mille temperatuur on kriitilisest punktist madalamal temperatuuril, ja kasutada terminit "gaas" ainete puhul, mille temperatuur on üle kriitilise punkti. Seda Andrewsi seisukohta kinnitasid juba mainitud Nattereri katsed, mille ta viis läbi aastatel 1844–1855, kus püsigaasidele allutati rõhk kuni 2790 atm, ilma vedeldamata, ja arvukad sarnased katsed, mida Emil 1870. aastal alustas. Amaga (1841- 1915), milles saavutati rõhud kuni 3000 atm.

Kõik need negatiivsed katsetulemused kinnitasid Andrewsi hüpoteesi, et püsigaasid on ained, mille kriitiline temperatuur on madalam kui sel hetkel saavutatud väärtused, nii et nende vedeldamist saab läbi viia eelneva sügavjahutusega, võib-olla koos järgnevaga. kokkusurumine. Seda hüpoteesi kinnitasid 1877. aastal hiilgavalt Louis Calet (1832-1913) ja Raoul Pictet (1846-1929), kes üksteisest sõltumatult suutsid pärast tugevat eeljahutamist hapnikku, vesinikku, lämmastikku ja õhku veeldada. Calhete ja Pictet' tööd jätkasid ka teised füüsikud, kuid alles juba mainitud Linde külmutusmasina tulek muutis vedeldamismeetodid praktiliselt kättesaadavaks, võimaldades saada suurtes kogustes veeldatud gaase ja neid laialdaselt rakendada teaduses. teadusuuringutes ja tööstuses.

GAASIDE ERISOOJUSMAHVUS

Erisoojusmahtuvuse määramise meetodeid oli gaasiliste ainete puhul raske rakendada gaaside ja aurude väikese erikaalu tõttu. Seetõttu kuulutas Pariisi Teaduste Akadeemia 19. sajandi alguses välja konkursi parima meetodi gaasi erisoojuse mõõtmiseks. Auhinna pälvisid Francois Delaroche (? - 1813?) ja Jacques Berard (1789-1869), kes tegid ettepaneku panna kalorimeetrisse mähis, millest teadaoleval temperatuuril läbiks gaas kindla rõhuga. See meetod ei olnud tegelikult uus; selle pakkus välja Lavoisier 20 aastat varem. Olgu kuidas on, aga Delaroche'i ja Berardi saadud tulemusi esitleti füüsikakursustel pool sajandit. Nende teadlaste eelis seisneb ennekõike selles, et tähelepanu juhiti vajadusele eristada konstantsel rõhul ja konstantsel mahul erisoojusvõimsusi. Viimast väärtust on väga raske mõõta, kuna gaasi soojusmahtuvus on madal võrreldes seda sisaldava reservuaari soojusmahutavusega.

Kuid paar aastat enne Delaroche'i ja Berardi teoste ilmumist hakati uurima kummalist nähtust, mille märkis Erasmus Darwin (1731-1802) aastal 1788 ja seejärel aastal 1802 Dalton, mis seisneb selles, et õhk põhjustab selle soojenemist ja paisumine viib jahtumiseni. Selle nähtuse uurimise alguseks peetakse tavaliselt Gay-Lussaci (1807) kogemust, mida Joule kordas 1845. aastal. Gay-Lussac ühendas kaks silindrit toruga, täpselt nagu Guericke; üks silindritest oli õhuga täidetud ja teine tühi; täidetud silindrist võis õhk vabalt voolata tühja ballooni. Selle tulemusena leiti esimese silindri temperatuuri langus ja teise silindri temperatuuri tõus. Selline õhu termiline käitumine pani meid uskuma, et erisoojus konstantsel rõhul peab olema suurem kui konstantse ruumala korral, olenemata sellest, millist soojuse olemuse teooriat me järgime. Tõepoolest, kui paisuv gaas jahtub, siis, lastes sellel kuumutamise ajal paisuda, on vaja anda sellele lisasoojust, et kompenseerida paisumisega kaasnevat jahtumist.

Nendele eksperimentaalsetele faktidele tuginedes tuli Laplace 1816. aastal geniaalsele ideele, et üldtuntud lahknevus kogemusest saadud helikiiruse väärtuse ja selle Newtoni seadusest saadud teoreetilise väärtuse vahel on seletatav muutusega. temperatuuril, mida õhukihid kogevad vahelduvate kokkusurumiste ja hõrenemiste korral. Nende teoreetiliste eelduste põhjal parandas Laplace Newtoni valemit, lisades sellesse koefitsiendi, mis võrdub õhu konstantse rõhu ja konstantse ruumala soojusmahtude suhtega. Heli kiiruse õhus katselise väärtuse ja Newtoni valemist saadud teoreetilise väärtuse võrdlemine võimaldas leida erisoojusmahtude suhet. Sel kaudsel viisil õnnestus füüsikutel saada esimesed andmed selle suhte väärtuse kohta ja seega, kuna erisoojuse väärtus konstantsel rõhul oli teada, hinnata õhu erisoojust konstantsel ruumalal. Mõni aasta hiljem (1819) suutsid Nicolas Clément (1779-1841) ja Charles Desorme (1777-?) otseselt määrata soojusmahtuvuse suhte, mis katsevigade piires langes kokku Laplace'i leitud omaga.

1829. aastal määras Dulong peene ja põhjaliku uurimistöö tulemusena erinevate gaaside soojusmahtuvuste suhte, mille jaoks ta tekitas torus heli erinevate gaaside voolude abil. Need katsed viisid ta järeldusele, et gaasides ja aurudes tekib võrdsetel tingimustel (maht, rõhk, temperatuur) sama palju soojust sama suhtelise kokkusurumise või paisumise korral.

Pange tähele, et Dulongi meetodit täiustas oluliselt 1866. aastal Kundt (1839-1894), kes võttis kasutusele spetsiaalse toru (seda toru nimetatakse nüüd Kundti toruks). Kundti meetodit peetakse siiani üheks parimaks meetodiks erisoojusvõimsuste suhte määramisel.

Koostanud Saveljeva F.N.