Plin. Idealan plin

Ukapljeni prirodni plin ili skraćeno LNG, kako je to uobičajeno zvati u energetici (engleski odn. Ukapljeni prirodni plin, skr. LNG) je obični prirodni plin ohlađen na -162°C (tzv temperatura ukapljivanja) za skladištenje i transport u tekućem obliku. Ukapljeni plin se skladišti na točki vrelišta, koja se održava zahvaljujući LNG isparavanje. Ova metoda skladištenja LNG-a je zbog činjenice da za metan, glavna komponenta LNG-a, kritična temperatura je –83°C, što je mnogo niže od temperature okoline, i ne omogućuje skladištenje ukapljenog prirodnog plina u visokotlačnim spremnicima (za referencu: kritična temperatura za etan je +32°C, za propan +97°C). Za upotrebu, LNG se isparava do svog izvornog stanja bez prisutnosti zraka. U ( povratak plina u prvobitno stanje pare) iz jednog kubičnog metra ukapljenog plina nastaje oko 600 kubičnih metara običnog prirodnog plina.

temperatura LPG-a

Ekstremno niska temperatura LNG-a čini ga kriogena tekućina. Kao opće pravilo, tvari s temperaturom od -100°C (-48°F) ili čak niže se smatraju kriogeni i zahtijevaju posebne tehnologije za obradu. Usporedbe radi, najniža zabilježena temperatura na Zemlji je -89,2°C (Antarktik), a u naselju -77,8°C (selo Oymyakon, Yakutia). Kriogena temperatura ukapljenog prirodnog plina znači da kontakt s LNG-om može promijeniti svojstva materijala u kontaktu, koji će nakon toga postati krti i izgubiti svoju čvrstoću i funkcionalnost. Stoga se u LNG industriji koriste posebne tehnologije.

Kemijski sastav LNG-a

Sirova nafta i prirodni plin su fosilna goriva poznata kao "ugljikovodici" jer sadrže kemijske kombinacije atoma ugljika i vodika. Kemijski sastav prirodnog plina ovisi o tome gdje se plin proizvodi i prerađuje. Ukapljeni prirodni plin predstavlja smjesa metan, etan, propan i butan s malom količinom težih ugljikovodika i nekim nečistoćama, posebno dušikovim i sumpornim kompleksima, vodom, ugljičnim dioksidom i sumporovodikom, koji mogu postojati u napajanom plinu, ali moraju biti prethodno uklonjeni. Metan je najvažnija komponenta, obično, iako ne uvijek, više od 85% volumena.

LPG Gustoća

Budući da je LNG mješavina, gustoća ukapljenog prirodnog plina neznatno varira sa svojim stvarnim sastavom. Gustoća ukapljenog prirodnog plina, općenito je u rasponu od 430-470 kilograma po kubnom metru, a njegov volumen je približno 1/600 volumena plina u atmosferskim uvjetima. To ga čini oko trećinu lakšim od zraka. Još jedna posljedica ovih činjenica je da LNG ima nižu gustoću od vode, što mu omogućuje da pluta na površini u slučaju izlijevanja i vrlo brzo se vraća u paru.

Ostala svojstva LNG-a

Ukapljeni prirodni plin je bez mirisa, bez boje, nije korozivan, nije zapaljiv i nije otrovan. LNG se skladišti i transportira na ultra niskim temperaturama pri atmosferskom tlaku (bez visokih tlakova). Kada je izložen okolišu, LNG brzo isparava, ne ostavljajući tragove na vodi ili tlu.

U njegovom tekući oblik Ukapljeni prirodni plin nema sposobnost eksplodiranja ili paljenja. Na isparavanje prirodni se plin može zapaliti ako dođe u dodir s izvorom izgaranja i ako je koncentracija pare u zraku između 5 i 15 posto. Ako je koncentracija plinskih para manja od 5 posto, tada nema dovoljno pare za paljenje požara, a ako je veća od 15 posto, tada će doći do nedostatka kisika u okolišu.

Prednosti LNG-a

Gustoća plina se povećava stotinama puta, što povećava učinkovitost i praktičnost skladištenja, kao i transporta i potrošnje energije.
Ukapljeni prirodni plin - neotrovna kriogena tekućina, koji se čuva u toplinski izoliranoj posudi na temperaturi od –162°C. Velike količine LNG-a mogu se skladištiti pri atmosferskom tlaku.
Mogućnost interkontinentalnog prijevoza LNG-a specijalnim vozilima, kao i prijevoz željeznicom i cestovnim prijevozom u cisternama.
Ukapljeni prirodni plin omogućuje rasplinjavanje objekata udaljenih od magistralnih cjevovoda na velikim udaljenostima stvaranjem rezervi LNG-a izravno kod potrošača, izbjegavajući izgradnju skupih cjevovodnih sustava.

S gledišta potrošača, prednosti ukapljenog prirodnog plina na njegovoj osnovi sastoje se iu činjenici da LNG nije samo izvor plina koji se transportira plinovodima, već i izvor NGL (široka frakcija lakih ugljikovodika- etan, propan, butani i pentani), koji su dio LNG-a i ispuštaju se iz LNG-a tijekom regasifikacija. Ovi se ugljikovodici koriste kao petrokemijske sirovine i kao izvor ekološki prihvatljivog goriva za različite načine transporta (kao iu svakodnevnom životu). U bit će odabir razlomka s 2 + ili s 3 +. Mogućnost prijevoza NGL kao dio ukapljenog prirodnog plina, djeluje ne samo u korist potrošača, već i rješava probleme proizvođača u smislu transporta NGL iz plinskog polja.

Ukapljeni prirodni plin je siguran, ekološki prihvatljivo gorivo s visokim energetskim svojstvima i oktanskim brojem. Cijena LNG-a po cijeni za potrošača nižoj od cijene ukapljenog naftnog plina, loživog ulja, a još više dizelskog goriva.

PLIN. plinovito stanje naziva se stanje tvari u kojem su sile koje djeluju između molekula iznimno male, a dimenzije samih molekula zanemarive u usporedbi s prazninama između njih. Između sudara molekule plina gibaju se pravocrtno, ravnomjerno i potpuno nasumično. Kod zagrijavanja i razrjeđivanja svi plinovi teže graničnom stanju tzv. ideala, odn savršen plin.

NA idealni plin međumolekularne sile su jednake nuli, a volumen samih molekula je infiniteziman u usporedbi s volumenom međumolekulskog prostora. Stanje idealnog plina je ono granično razrijeđeno stanje materije kojem teže sva tijela prirode pri dovoljno visokim temperaturama i dovoljno niskim tlakovima; to je posebno značenje stanja idealnog plina, koji je, osim toga, najlakše podložan istraživanju i stoga najpotpunije proučen. Tvar koja ispunjava međuplanetarni prostor u ekstremnoj razrijeđenosti može se smatrati u stanju idealnog plina.

Tlak plina (p) određen je udarom molekula plina o stijenke posude. Prema kinetičkoj teoriji, prosječna kinetička energija molekula plina proporcionalna je apsolutnoj temperaturi. U kinetičkoj teoriji pokazuje se da idealni plin striktno poštuje sljedeću jednadžbu stanja, koja povezuje tri parametra stanja: v, T i p, od kojih su dva neovisna, a treći je njihova funkcija:

Ova jednadžba ( Clapeyronova jednadžba) sadrži u eksplicitnom obliku tri osnovna zakona stanja idealnog plina:

1) Boyle-Mariotteov zakon. Pri konstantnoj temperaturi (T), produkt (p ∙ v) za danu količinu idealnog plina je konstantna vrijednost (p ∙ v \u003d Const), tj. volumen idealnog plina (v) obrnuto je proporcionalan njegovom tlak (p): izoterme idealnog plina u koordinatnom sustavu (v, p) su jednakostranične hiperbole čije su asimptote koordinatne osi.

2). Pri konstanti (p), volumen dane količine idealnog plina raste linearno s temperaturom:

(v 0 - volumen na temperaturi \u003d 0 ° C, α - koeficijent ekspanzije idealnog plina). Promjena (p) s temperaturom pri v = Const pokorava se istom zakonu:

(α) u jednadžbi (3) - koeficijent tlaka, numerički jednak koeficijentu ekspanzije (α) u jednadžbi (2) = 1/273,1 = 0,00367 - vrijednost neovisna o prirodi plina i ista za sve idealne plinove; p 0 - tlak pri temperaturi \u003d 0 ° C. Uvođenje apsolutne temperature umjesto temperature

nalazimo umjesto jednadžbi (2) i (3):

3) Avogadrov zakon. Jednadžba (1) pokazuje da plinska konstanta R \u003d p 0 ∙ v 0 / 273,1 proporcionalan je normalnom volumenu v 0 koji zauzima određena količina plina u normalnim uvjetima (p 0 = 1 Atm i t 0 = 0 ° C = 273,1 ° K), tj. natrag proporcionalna je gustoći plina u normalnim uvjetima D 0 . Prema Avogadrovom zakonu, s istim (p) i (T), svi idealni plinovi sadrže u jednakim volumenima (na primjer, jednako v 0) jednak broj molekula. Obrnuto: jednak broj molekula (na primjer, 1 mol \u003d 1 gram molekule) bilo kojeg plina u idealnom stanju zauzima isti volumen v 0 pod normalnim uvjetima, bez obzira na prirodu plina (1 mol bilo koje tvari sadrži N 0 = 6.06∙10 23 pojedinačne molekule – Avogadrov broj). S velikom je točnošću utvrdio da normalni molarni volumen bilo koji idealni plin (V 0) m jednak je 22,412 litara / mol. Odavde možete izračunati broj molekula u 1 cm 3 bilo kojeg idealnog plina u normalnim uvjetima: n0 \u003d 6,06 ∙ 10 23 / 10 3 ∙ 22,416 \u003d 2,705 ∙ 10 19 cm 3 (Loshmitov broj). Koristeći jednadžbu (1), Avogadrov zakon izražava se u činjenici da će plinska konstanta R kada se izračuna za 1 mol bilo kojeg plina biti ista, bez obzira na prirodu plina. Da. R je univerzalna konstanta s dimenzijom [ Raditi]/[težina][temperatura] i izražava rad ekspanzije 1 mola idealnog plina kada se zagrije za 1 ° C pri p \u003d Const:

ovo je fizičko značenje R.

pronaći numeričku vrijednost

U drugim jedinicama, R vrijednosti (po 1 molu) su:

Osim analizirana tri zakona, iz jednadžbe (1) stanja idealnog plina u sprezi s dva zakona termodinamike proizlaze i sljedeći osnovni zakoni:

4) Jouleov zakon. Jedna od općih jednadžbi termodinamike

daje, zajedno s jednadžbom (1), sljedeće uvjete za unutarnju energiju U idealnog plina:

tj. U idealnog plina je funkcija samo T (Jouleov zakon); tijekom izotermnog širenja idealnog plina sva apsorbirana toplina pretvara se u vanjski rad, a tijekom izotermne kompresije sav utrošeni rad pretvara se u oslobođenu toplinu.

5) Toplinski kapaciteti idealnog plina pri konstantnom volumenu c v i pri konstantnom tlaku c p su funkcije samo T. Termodinamika daje opće jednadžbe

ali za idealni plin (p) i (v) linearno ovise o (T), prema Gay-Lussacovom zakonu (4) i (5); stoga se desni dijelovi jednadžbi (9) pretvaraju u 0 i

Toplinski kapaciteti c p i c v nisu neovisni jedan o drugome, već su za idealni plin povezani jednostavnim uvjetom:

proizlaze iz plinskih zakona (R ima dimenziju toplinskog kapaciteta), tj. ako se c p i c v odnose na 1 mol idealnog plina, onda se međusobno razlikuju za 2 (točnije za 1,986) - cal / mol ∙ stupanj

U kinetičkoj teoriji prihvaća se, prema načelu jednolike raspodjele energije, da za svaki stupanj slobode molekule plina postoji energija k 0 ∙T / 2, a za 1 mol dolazi

(k 0 \u003d -R / N 0 je plinska konstanta izračunata za 1 molekulu - Boltzmannova konstanta). Broj stupnjeva slobode (i) je broj vrsta mehaničke energije koje su neovisne jedna o drugoj, a koje ima molekula plina. Zatim energija 1 mola

(približno, uz pretpostavku da je R = 2, c v = i, c p = i + 2).

U teoriji plina relacija c p /c v = γ igra važnu ulogu; iz jednadžbi (11) i (12):

U najjednostavnijem slučaju monoatomski plin(čija se molekula sastoji od 1 atoma, koji su plemeniti plinovi i pare mnogih metala) i je najmanji i jednak je 3: cjelokupna energija molekule svodi se na kinetičku energiju njezinih translacijskih gibanja, koja se mogu izvesti u tri neovisni međusobno okomiti pravci; zatim

a γ ima najveću moguću vrijednost: γ = 5/3 = 1.667. Za dvoatomni plinovi(H 2 , O 2 , N 2 , CO i drugi) mogu se smatrati I = 3 + 2 (dvije rotacije oko dvije međusobno okomite osi okomite na liniju koja povezuje oba atoma); tada je c v = 4,96 ≈ 5, cr = 6,95 ≈ 7 i γ = 7/5 = 1,40. Za troatomni plin(N 2 O, SO 2, H 2 S, N 2 O) i = 3+3 (rotacija oko tri međusobno okomite osi) i c v = 5,96 ≈ 6, cr = 7,95 ≈ 7 i γ = 4/ 3 = 1,33.

Daljnjim usložnjavanjem strukture molekule, tj. povećanjem i, c v i c p rastu, a γ = 1 + 2/i i teži 1. Tablica. 1 pokazuje da se sve rečeno dobro slaže s eksperimentalnim podacima, da je γ uvijek >1 i ≤1,667 i ne može biti = 1,50 (za i = 4).

Za monoatomske plinove, c v i c p, u skladu s teorijom, praktički se ne mijenjaju s temperaturom (na primjer, za Ar, vrijednosti c v i c p leže u rasponu od 2,98 do 3,00 između temperatura = 0 ° i 1000 °C). Promjene c v i c p s temperaturom objašnjene su kvantnom teorijom. Međutim, toplinski kapaciteti plinova koji su bliski idealnim praktički se ne mijenjaju u širokim temperaturnim rasponima. Obično se p i y određuju eksperimentalno, a c v se izračunava iz tih podataka.

pravi plinovi. Svi plinovi koji stvarno postoje su stvarni plinovi b. ili m. odstupaju od zakona idealnih plinova, ali što manje, to je viša temperatura i niži tlak. Da. zakoni idealnih plinova su ograničavajući za realne plinove. Pri običnim temperaturama odstupanje je najmanje za plinove čije su kritične temperature izrazito niske (tzv. konstantni plinovi: He, H 2 , N 2 , O 2 , zrak); za plinove s relativno visokom kritičnom temperaturom i za pare (plin na temperaturi nižoj od kritične naziva se para) odstupanja su vrlo značajna. Razlozi odstupanja realnih plinova od plinskih zakona su sljedeći: 1) da u njima djeluju međumolekularne sile; stoga se površinske molekule uvlače u plinove silama, čija se rezultanta, izračunata po jedinici površine i usmjerena okomito na nju, naziva molekularni (unutarnji) tlak K; 2) ne cijeli volumen plina (v), nego samo njegov dio (v-b) daje slobodu gibanju molekula; dio volumena (b), covolum, kao da ga zauzimaju same molekule. Kad bi plin bio idealan, njegov bi tlak bio veći od promatranog (p) za vrijednost K; stoga će jednadžba stanja za realni plin biti zapisana u obliku

U ovoj općoj jednadžbi K i b mogu ovisiti o T i v.

Van der Waals je pokazao da je u najjednostavnijem slučaju K \u003d a / v 2, a b konstantna vrijednost jednaka četiri puta volumenu samih molekula plina. Dakle, van der Waalsova jednadžba ima oblik:

a i b, van der Waalsove konstante, kao što iskustvo pokazuje, još uvijek ovise o T i v, pa je stoga jednadžba (15) samo prva aproksimacija; dobro reproducira kvalitativni oblik izotermi stvarnih plinova.

Na Sl. 1 prikazani su za CO 2 teorijske izoterme: dijelovi u obliku slova S ovih izotermi odgovaraju termodinamički metastabilna stanja.

Na Sl. Slika 2 prikazuje eksperimentalne izoterme za CO 2 : dijelovi krivulja u obliku slova S zamijenjeni su ravnim dijelovima; desno od ovih dijelova, krivulje odgovaraju plinu (nezasićena para), lijevo - tekućinama, a sami ravni segmenti - ravnoteži pare i tekućine. Jednadžba (15), u potpunom skladu s iskustvom, pokazuje da s porastom temperature dimenzije ravnih segmenata na izotermama postaju sve manje i manje (slika 2) i, konačno, pri određenoj temperaturi jednakoj kritičnoj temperaturi, duljina ovog segmenta postaje 0. Na temperaturi većoj od Na kritičnoj temperaturi plin se ne može pretvoriti u tekućinu ni pri kakvom tlaku: tekućina prestaje postojati. Da. van der Waalsova jednadžba pokriva dva stanja - plinovito i tekuće - i služi kao osnova za doktrinu o kontinuitetu prijelaza između ta dva stanja. Kritične temperature za neke plinove imaju sljedeće vrijednosti: +360°C za H 2 O, +31°C za CO 2, -241°C za H 2 i -254°C za He.

Ukapljivanje plina. Svaki se plin može pretvoriti u tekućinu pri odgovarajućem tlaku, prethodno ga ohladiti ispod kritične temperature. Tlakovi potrebni za ukapljivanje CO 2 (u Atm) pri različitim temperaturama navedeni su u tablici. 2.

Jasno je da su ti pritisci pritisci zasićene pare tekućeg ugljičnog dioksida i što su niži što je niža temperatura.

Kako bi se prethodno ohladio plin za ukapljivanje, u tehničkim instalacijama koriste se Joule-Thomsonov učinak, koji se sastoji u činjenici da tijekom adijabatske ekspanzije (na primjer, s oštrim padom tlaka kada plin istječe iz rupe) , unutarnja energija plina raste za ΔU, a T se mijenja za ΔT, a termodinamički

U slučaju idealnih plinova ΔU = 0 i ΔT = 0 [jer je, prema jednadžbi (1), T∙dv/dT – v = 0].

Za stvarne plinove ΔT ≠ 0, tj. dolazi do hlađenja ili zagrijavanja, ovisno o tome je li T∙dv/dT – v ≠ 0 (Δp< 0). По уравнению Ван-дер-Ваальса,

(s dovoljnom aproksimacijom). Da. pri dovoljno visokim temperaturama svi se plinovi zagrijavaju tijekom adijabatskog širenja (ΔT > 0, jer a/R∙T< b), но с понижением температуры для каждого газа наступает točka inverzije T i određen uvjetom

ispod kojeg se plinovi počinju hladiti tijekom adijabatskog širenja (a/R∙T> b pri 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.

Relevantne države. Kritična temperatura T do, tlak p do i volumen v do m. b. izraženo u smislu van der Waalsovih konstanti a, b i R kako slijedi:

Ako uzmemo kritične vrijednosti za mjerne jedinice T, p i v, tada će umjesto T, p i v stanje karakterizirati zadane vrijednosti:

Ako uvedemo θ, π i ϕ u van der Waalsovu jednadžbu (15), tada se konstante a, b i R poništavaju i dobivamo smanjena jednadžba stanja, s brojčanim koeficijentima

koji ne sadrži količine koje ovise o prirodi tvari. Jednadžba (19) međutim pretpostavlja da je van der Waalsova jednadžba točna, pa su stoga odstupanja od nje često prilično značajna, posebno u slučaju pridruženih tvari. Doktrina odgovarajućih stanja (tzv. stanja koja odgovaraju istim θ, π i ϕ) omogućuje pronalaženje velikog broja univerzalnih ovisnosti sličnih jednadžbi (19).

Primjena plinova. Komprimirani i ukapljeni plinovi koriste se u tehnici gdje god su potrebne velike količine plina u malom volumenu; tako se CO 2 koristi za karbonizaciju vode, Cl 2 i fosgen - u vojnom kemijskom poslovanju, O 2 - u medicinske svrhe, komprimirani zrak - za pokretanje motora s unutarnjim izgaranjem. Ukapljeni plinovi (CO 2 i NH 3) od posebne su važnosti u hlađenju, u rashladnim strojevima (npr. za proizvodnju umjetnog leda). Za punjenje balona koriste se laki plinovi (H 2, plin za rasvjetu, nedavno He). Za punjenje žarulja sa žarnom niti od pola vata koriste se inertni plinovi (N 2 i plemeniti plinovi, osobito Ar). Posebno treba istaknuti korištenje plina za rasvjetu ili kao gorivo: rasvjeta, energija, vodeni plinovi i drugo.

Tekućine mogu postojati samo na temperaturama ispod kritične. Stoga, da bi se plin ukapio, prvo ga je potrebno ohladiti ispod kritične temperature, a zatim podvrgnuti kompresiji. Kao što se može vidjeti iz tablice XIII, plinovi kao što su kisik, dušik, vodik i posebno helij zahtijevaju vrlo niske temperature da bi se ukapili.

Tablica XIII (vidi sken) Kritične točke i vrelišta (pri atmosferskom tlaku) za neke plinove

Jedna od prvih industrijskih metoda za ukapljivanje plinova (Lindeova metoda, 1895.) koristila je Joule-Thomsonov učinak.

Shema Linde stroja prikazana je na slici 6.21. Komprimiran kompresorom K i, kao rezultat toga, donekle zagrijan, plin prolazi kroz hladnjak X, gdje predaje toplinu tekućoj vodi i hladi se na prvobitnu temperaturu. Plin zatim prolazi kroz zavojnicu do prigušnog ventila (pipna) i širi se u prijemnik B uz pad tlaka od oko stotina atmosfera na jednu atmosferu. Neposredno nakon pokretanja postrojenja, pad temperature nije dovoljan za ukapljivanje plina. Lagano ohlađeni plin šalje se natrag u kompresor preko zavojnice. Obje zavojnice su u bliskom toplinskom kontaktu (obično je jedna zavojnica umetnuta u drugu) u protustrujnom izmjenjivaču topline. U izmjenjivaču topline, plin koji ide u kompresor na niža temperatura hladi nadolazeći tok plina. Očito je da će u drugom ciklusu plin prići ventilu A na nižoj temperaturi od

to je bilo tijekom njegovog prvog prolaska, a nakon prigušivanja temperatura će pasti još više. Sa svakim ciklusom, kao rezultat prigušenja i djelovanja izmjenjivača topline, temperatura plina će se sve više smanjivati i na kraju će pasti toliko da dio plina nakon ekspanzije prelazi u tekućinu i nakuplja se u prijemniku B , odakle se tekućina može ispustiti u Dewarovu posudu kroz ventil

Opisani princip protustrujne izmjene topline koristi se u svim strojevima za ukapljivanje plinova, iako izvedba takvih izmjenjivača topline može biti vrlo raznolika.

Druga industrijska metoda za ukapljivanje plinova (Claudeova metoda, 1902.) temelji se na dodatnom hlađenju plina kada djeluje. Komprimirani plin nakon ventila (sl. 6.21) šalje se u klipni stroj (ekspander), gdje on, šireći se, vrši rad pokretanja klipa zahvaljujući kinetičkoj energiji molekula (ekspander nije prikazan na slici ). Kao rezultat toga, učinak snižavanja temperature plina postaje značajniji nego u stroju Linde. Ovu je metodu poboljšao sovjetski znanstvenik P. L. Kapitsa (1934), koji je umjesto klipnog ekspandera koristio malu turbinu (turbo ekspander) pokretanu ohlađenim plinom (rotor ekspandera je malih dimenzija, a njegova težina se mjeri u samo stotinama od grama).

Trenutno se za ukapljivanje plinova u većini slučajeva koriste strojevi s ekspanzijom u ekspanderima. Kod ukapljivanja helija za predhlađenje u strojevima s turbo ekspanderima, umjesto vodika koristi se dušik, što značajno povećava produktivnost i ekonomsku učinkovitost uređaja. Osim toga, uz istu produktivnost, strojevi s turbo-ekspanderima su nekoliko puta manji od strojeva koji rade prema Linde shemi.

Uputa

Izgleda kao prirodno ukapljeno plin(LNG) je bezbojna tekućina, bez mirisa, 75-90% sastava i ima vrlo važna svojstva: u tekućem stanju nije zapaljiv, nije agresivan, što je izuzetno važno prilikom transporta. Proces ukapljivanja LNG-a ima karakter, gdje svaki novi stupanj znači kompresiju od 5-12 puta, nakon čega slijedi hlađenje i prelazak na sljedeći stupanj. LNG postaje tekući nakon završetka posljednjeg stupnja kompresije.

Ako se plin treba transportirati na vrlo velike udaljenosti, tada je mnogo isplativije koristiti posebne posude - nosače plina. Od mjesta plina do najbližeg pogodnog mjesta na morskoj obali povlači se plinovod, a na obali se gradi terminal. Tamo se plin visoko komprimira i hladi, pretvarajući ga u tekuće stanje, te pumpa u izotermne spremnike tankera (na temperaturama reda veličine -150 °C).

Ovaj način transporta ima niz prednosti u odnosu na cjevovodni transport. Prvo, jedan takav u jednom letu može nositi ogromnu količinu plina, jer je gustoća tvari u tekućem stanju mnogo veća. Drugo, glavni troškovi nisu za prijevoz, već za utovar i istovar proizvoda. Treće, skladištenje i transport ukapljenog plina mnogo je sigurnije od komprimiranog plina. Nema sumnje da će udio prirodnog plina transportiranog u ukapljenom obliku stalno rasti u usporedbi s opskrbom plinovodom.

Ukapljeno prirodno plin tražen u raznim područjima ljudske djelatnosti - u industriji, u cestovnom prometu, u medicini, u poljoprivredi, u znanosti itd. Ukapljeni plin Pobijedili smo zbog pogodnosti njihove upotrebe i transporta, kao i ekološke prihvatljivosti i niske cijene.

Uputa

Prije ukapljivanja ugljikovodika plin a prethodno ga je potrebno očistiti i odstraniti vodenu paru. Karbonski plin uklonjen pomoću trostupanjskog sustava molekularnog filtera. Pročišćen na ovaj način plin u malim količinama koristi se kao regeneracija. Nadoknadivo plin spaljivati ili koristiti za proizvodnju energije u generatorima.

Sušenje se odvija uz pomoć 3 molekularna filtera. Jedan filter upija vodenu paru. Drugi se suši plin, koji ide dalje i prolazi kroz treći filter. Za snižavanje temperature plin prošao kroz hladnjak vode.

Dušična metoda uključuje proizvodnju ukapljenog ugljikovodika plin i od bilo kojeg plin novi izvori. Prednosti ove metode uključuju jednostavnost tehnologije, razinu sigurnosti, fleksibilnost, jednostavnost i niske troškove rada. Ograničenja ove metode su potreba za izvorom energije i visoki kapitalni troškovi.

Uz mješovitu metodu za proizvodnju ukapljenog plin i mješavina dušika i koristi se kao rashladno sredstvo. primiti plin također iz bilo kojeg izvora. Ovu metodu karakterizira fleksibilan proizvodni ciklus i niski varijabilni proizvodni troškovi. U usporedbi s procesom ukapljivanja dušika, ovdje su kapitalni troškovi značajniji. Potreban je i izvor električne energije.

Izvori:

Što je ukapljivanje plina?
Ukapljeni plin: prijem, skladištenje i transport
što je ukapljeni plin

Prirodni plin se vadi iz utrobe Zemlje. Ovaj mineral sastoji se od mješavine plinovitih ugljikovodika, koji nastaje kao rezultat raspadanja organske tvari u sedimentnim stijenama zemljine kore.

Koji su sastojci prirodnog plina

80-98% prirodnog plina sastoji se od (CH4). Fizikalno-kemijska svojstva metana određuju karakteristike prirodnog plina. Uz metan, prirodni plin sadrži spojeve istog strukturnog tipa - etan (C2H6), propan (C3H8) i butan (C4H10). U nekim slučajevima, u malim količinama, od 0,5 do 1%, prirodni plin sadrži: (S5N12), (S6N14), heptan (S7N16), (S8N18) i nonan (S9N20).

Prirodni plin također uključuje spojeve sumporovodika (H2S), ugljičnog dioksida (CO2), dušika (N2), helija (He), vodene pare. Sastav prirodnog plina ovisi o karakteristikama polja na kojima se proizvodi. Prirodni plin proizveden u nalazištima čistog plina sastoji se uglavnom od metana.

Karakteristike sastojaka prirodnog plina

Svi kemijski spojevi koji čine prirodni plin imaju niz svojstava koja su korisna u raznim industrijama iu svakodnevnom životu.

Metan je zapaljivi plin bez boje i mirisa koji je lakši od zraka. Koristi se u industriji i svakodnevnom životu kao gorivo. Etan je zapaljivi plin bez boje i mirisa koji je malo teži od zraka. U osnovi, etilen se dobiva iz. Propan je otrovan plin bez boje i mirisa. Butan mu je blizak po svojstvima. Propan se koristi, na primjer, u zavarivačkim radovima, u preradi metalnog otpada. Upaljači i plinske boce s tekućim i butanskim punjenjem. Butan se koristi u hlađenju.

Pentan, heksan, heptan, oktan i nonan -. Pentan je prisutan u malim količinama u motornim gorivima. Heksan se također koristi u ekstrakciji biljnih ulja. Heptan, heksan, oktan i nonan su dobra organska otapala.

Sumporovodik je otrovni bezbojni teški plin, pokvarena jaja. Taj plin već u malim koncentracijama uzrokuje paralizu olfaktornog živca. Ali zbog činjenice da vodikov sulfid ima dobra antiseptička svojstva, koristi se u malim dozama u medicini za sumporovodikove kupke.

Ugljični dioksid je nezapaljiv plin bez boje i mirisa, kiselog okusa. Ugljični dioksid se koristi u prehrambenoj industriji: u proizvodnji gaziranih pića za zasićenje ugljičnim dioksidom, za zamrzavanje hrane, hlađenje tereta tijekom transporta itd.

Dušik je bezopasan plin bez boje, mirisa i okusa. Koristi se u proizvodnji mineralnih gnojiva, koristi se u medicini itd.

Helij je jedan od najlakših plinova. Bez boje je i bez mirisa, nezapaljiv, neotrovan. Helij se koristi u raznim industrijama - za hlađenje nuklearnih reaktora, punjenje stratosferskih balona.

Eksperimentalna činjenica o hlađenju tvari tijekom isparavanja poznata je već dugo i čak se koristi u praksi (na primjer, korištenje poroznih posuda za očuvanje svježine vode). Ali prvo znanstveno istraživanje ovog pitanja poduzeo je Gian Francesco Cigna i opisao ga je u djelu iz 1760. "De frigore ex evaporation" ("O hladnoći zbog isparavanja").

Cigna je dokazao da što je brže isparavanje, to je hlađenje intenzivnije, a Meran je pokazao da ako pušete na mokri balon termometra, pad temperature će biti veći nego u istom eksperimentu sa suhim balonom termometra. Antoine Beaumet (1728-1804) otkrio je da isparavanje sumpornog etera hladi više nego isparavanje vode. Na temelju tih činjenica Tiberio Cavallo je 1800. godine izradio hladnjak, a Wollaston je 1810. godine izgradio svoj poznati kriofor koji se i danas koristi. Na temelju ovog uređaja 1820. godine nastao je Danielov higrometar. Rashladni stroj postao je praktično primjenjiv tek nakon 1859. godine, odnosno nakon što je Fernand Carré (1824.-1894.) objavio svoju metodu dobivanja leda isparavanjem etera, koji je kasnije zamijenjen amonijakom. Godine 1871. Carl Linde (1842.-1934.) opisao je rashladni stroj koji je stvorio u kojem se hlađenje postiže ekspanzijom plina. Godine 1896. kombinirao je ovaj stroj s protustrujnim izmjenjivačem topline opisanim u tečajevima fizike, što mu je omogućilo dobivanje tekućeg vodika. Eksperimentalni rezultati koje su do tada postigli fizičari počeli su se uvoditi u industriju.

Problem ukapljivanja plina ima višestoljetnu povijest koja seže u drugu polovicu 18. stoljeća. Sve je započelo ukapljivanjem amonijaka jednostavnim hlađenjem, koje je proizveo van Marum, sumpornim anhidridom Monge i Clouet, klorom Northmore (1805.) i ukapljivanjem amonijaka metodom kompresije koju je predložio Baccelli (1812.).

Charles Cagnard de Latour (1777.-1859.) i Michael Faraday (1791.-1867.) istodobno su i neovisno jedan o drugome dali odlučujući doprinos rješenju ovog problema.

U nizu radova objavljenih 1822. i 1823., Cañard de Latour opisao je pokuse koje je proveo kako bi utvrdio postojanje za tekućinu (kako se intuitivno osjeća) određenog ograničavajućeg širenja, izvan kojeg, bez obzira na primijenjeni pritisak, svi od toga prelazi u stanje pare. U tu je svrhu de Latour stavio kamenu kuglu u kotao napunjen alkoholom do jedne trećine i počeo postupno zagrijavati kotao. Prema buci koju je proizvodila kuglica koja se okreće u kotlu, de Latour je zaključio da je na određenoj temperaturi sav alkohol ispario. Pokusi su ponovljeni s malim cijevima; iz cijevi je odstranjen zrak, a zatim su do 2/5 ispunjene ispitivanom tekućinom (alkohol, eter, benzin) i zagrijane na plamenu. Kako se temperatura povećavala, tekućina je postajala sve pokretljivija, a granica između tekućine i pare sve nejasnija, dok na određenoj temperaturi nije potpuno nestala i činilo se da se cijela tekućina pretvorila u paru. Spajanjem ovih cijevi na mjerač tlaka s komprimiranim zrakom, Cañard de Latour uspio je izmjeriti tlak uspostavljen u cijevi u trenutku kada nestane sučelje između tekućine i pare i odgovarajuću temperaturu. Suprotno uvriježenom mišljenju, Cañard de Latour ne samo da nije odredio kritičnu temperaturu za vodu u tim pokusima, on nije uspio čak ni potpuno ispariti vodu, jer su cijevi uvijek pucale prije nego što je postignut željeni učinak.

Konkretniji rezultat sadržan je u pokusima Faradaya, izvedenim 1823. godine sa savijenim staklenim cijevima, čiji je duži krak bio zatvoren. U ovaj krak Faraday je stavio tvar koja je, kada se zagrije, trebala dati plin koji se proučava, zatim je zatvorio drugi, kratki krak cijevi i uronio cijev u rashladnu smjesu. Ako se nakon toga tvar zagrije u dugom kraku cijevi, tada nastaje plin čiji tlak postupno raste, au mnogim slučajevima u kratkoj cijevi Faraday je ukapio plin. Tako je Faraday zagrijavanjem natrijevog bikarbonata dobio tekuću ugljičnu kiselinu; na isti je način dobivao tekući sumporovodik, klorovodik, sumporni anhidrid itd.

Pokusi de Latoura i Faradaya pokazali su da se plin može ukapiti podvrgavanjem visokom tlaku. Mnogi su fizičari počeli raditi u tom smjeru, posebice Johann Natterer (1821.-1901.). Međutim, neki plinovi (vodik, kisik, dušik) nisu se mogli ukapljiti na ovaj način. Godine 1850. Vertelo je podvrgao kisik tlaku od 780 atm, ali nije mogao postići ukapljivanje. To je natjeralo Vertela da se pridruži mišljenju Faradaya, koji je, uvjeren da će prije ili kasnije biti moguće dobiti čvrsti vodik, vjerovao da sam pritisak nije dovoljan za ukapljivanje određenih plinova, tada nazvanih "trajnim" ili "neukrotivim".

Iste 1845., kada je Faraday izrazio ovo razmatranje, Regnault je, uočivši da pri niskim temperaturama ugljični dioksid ima neuobičajenu kompresibilnost, a kada se približi 100 °C počinje slijediti Boyleov zakon, iznio je pretpostavku da za svaki plin postoji određena temperaturni raspon gdje se pokorava Boyleovom zakonu. Godine 1860. Regnault je razvio i modificirao ovu ideju Dmitrija Ivanoviča Mendeljejeva (1834.-1907.), prema kojoj za sve tekućine mora postojati "apsolutna točka vrelišta", iznad koje može postojati samo u plinovitom stanju, bez obzira na tlak.

Proučavanje ovog pitanja nastavio je 1863. u novom obliku Thomas Andrews (1813-1885). Godine 1863. Andrews je uveo ugljični dioksid u kapilarnu cijev, zaključavajući volumen plina sa stupcem žive. Uz pomoć vijka proizvoljno je postavljao tlak pod kojim se nalazi plin, postupno mijenjajući temperaturu. Postigavši djelomično ukapljivanje plina pukim povećanjem tlaka i zatim polaganim zagrijavanjem cijevi, Andrews je uočio iste pojave koje je Cañard de Latour istraživao 30 godina prije njega. Kada je temperatura ugljičnog dioksida dosegla 30,92°C, sučelje između tekućine i plina je nestalo, a tekući ugljikov dioksid se više nije mogao dobiti nikakvim pritiskom. U svom detaljnom radu iz 1869. Andrews je predložio da se temperatura od 30,92°C nazove "kritičnom točkom" za ugljični dioksid. Istom metodom odredio je kritične točke za klorovodik, amonijak, sumporni eter i dušikov oksid. Predložio je zadržati izraz "para" za plinovite tvari na temperaturi ispod kritične točke, a primijeniti izraz "plin" na tvari na temperaturi iznad kritične točke. Ovo Andrewsovo gledište potvrdili su već spomenuti Nattererovi pokusi, koje je on izveo od 1844. do 1855., u kojima su trajni plinovi bili podvrgnuti tlaku do 2790 atm, bez ukapljivanja, te brojni slični pokusi koje je 1870. započeo Emil Amaga (1841.- 1915.), u kojoj su postizani pritisci do 3000 atm.

Svi ovi negativni eksperimentalni rezultati potvrdili su Andrewsovu hipotezu da su trajni plinovi tvari za koje je kritična temperatura niža od vrijednosti koje su u tom trenutku dosegnute, tako da se njihovo ukapljivanje može provesti prethodnim dubokim hlađenjem, po mogućnosti s naknadnim kompresija. Ovu su hipotezu 1877. briljantno potvrdili Louis Calet (1832.-1913.) i Raoul Pictet (1846.-1929.), koji su neovisno jedan o drugom uspjeli ukapljiti kisik, vodik, dušik i zrak nakon jakog prethodnog hlađenja. Radove Calhetea i Picteta nastavili su i drugi fizičari, ali tek je pojava rashladnog stroja Linde, koji smo već spomenuli, učinila metode ukapljivanja praktično dostupnima, omogućivši dobivanje ukapljenih plinova u velikim količinama i njihovu široku primjenu u znanosti. istraživanja i u industriji.

SPECIFIČNI TOPLINSKI KAPACITET PLINOVA

Metode za određivanje specifičnog toplinskog kapaciteta bilo je teško primijeniti na plinovite tvari zbog male specifične težine plinova i para. Stoga je početkom 19. stoljeća Pariška akademija znanosti raspisala natječaj za najbolju metodu mjerenja specifične topline plina. Nagrada je dodijeljena Francoisu Delarocheu (? - 1813.?) i Jacquesu Berardu (1789.-1869.), koji su predložili da se u kalorimetar postavi zavojnica kroz koju bi, pri poznatoj temperaturi, prolazio plin pri fiksnom tlaku. Ova metoda zapravo nije bila nova; to je 20 godina ranije predložio Lavoisier. Bilo kako bilo, rezultati koje su dobili Delaroche i Berard prezentirani su na tečajevima fizike pola stoljeća. Zasluga ovih znanstvenika prije svega je u tome što je skrenuta pozornost na potrebu razlikovanja specifičnih toplinskih kapaciteta pri stalnom tlaku i pri stalnom volumenu. Potonju je vrijednost vrlo teško izmjeriti zbog niskog toplinskog kapaciteta plina u usporedbi s toplinskim kapacitetom rezervoara koji ga sadrži.

Ali nekoliko godina prije pojave djela Delarochea i Berarda, započelo je istraživanje neobičnog fenomena, koji je primijetio Erasmus Darwin (1731.-1802.) 1788., a zatim 1802. Dalton, a koji se sastoji u činjenici da kompresija zraka uzrokuje njegovo zagrijavanje, a širenje dovodi do hlađenja. Početkom proučavanja ovog fenomena obično se smatra Gay-Lussacovo iskustvo (1807.), koje je ponovio Joule 1845. Gay-Lussac je spojio dva cilindra s cijevi, kao što je to učinio Guericke; jedan od cilindara bio je napunjen zrakom, a drugi je bio prazan; iz napunjenog cilindra zrak je mogao slobodno strujati u prazan. Kao rezultat toga, utvrđeno je smanjenje temperature prvog cilindra i povećanje temperature drugog. Ovakvo toplinsko ponašanje zraka dovelo nas je do toga da vjerujemo da specifična toplina pri konstantnom tlaku mora biti veća nego pri konstantnom volumenu, bez obzira kojoj se teoriji o prirodi topline pridržavamo. Doista, ako se ekspandirajući plin hladi, tada mu je dopuštanjem da se ekspandira prilikom zagrijavanja potrebno dodati dodatnu toplinu kako bi se kompenziralo hlađenje koje prati ekspanziju.

Na temelju tih eksperimentalnih činjenica, Laplace je 1816. godine došao na briljantnu ideju da se dobro poznata razlika između vrijednosti brzine zvuka, dobivene iz iskustva, i njezine teorijske vrijednosti, dobivene iz Newtonovog zakona, može objasniti promjenom u temperaturi koju doživljavaju slojevi zraka pri izmjeničnim kompresijama i razrjeđivanjima. Na temelju tih teorijskih postavki Laplace je korigirao Newtonovu formulu uvodeći u nju koeficijent jednak omjeru specifičnih toplinskih kapaciteta pri stalnom tlaku i pri stalnom volumenu za zrak. Usporedba eksperimentalne vrijednosti brzine zvuka u zraku i teorijske vrijednosti dobivene iz Newtonove formule omogućila je pronalaženje omjera specifičnih toplinskih kapaciteta. Na taj neizravan način fizičari su uspjeli doći do prvih podataka o vrijednosti tog omjera i tako, budući da je bila poznata vrijednost specifične topline pri konstantnom tlaku, procijeniti specifičnu toplinu zraka pri konstantnom volumenu. Nekoliko godina kasnije (1819.), Nicolas Clément (1779.-1841.) i Charles Desormes (1777.-?) uspjeli su izravno odrediti omjer toplinskih kapaciteta, koji se, unutar eksperimentalnih pogrešaka, poklapao s onim koji je pronašao Laplace.

Godine 1829., kao rezultat suptilnog i mukotrpnog istraživanja, Dulong je odredio omjer toplinskih kapaciteta za različite plinove, za koje je izazvao zvuk u cijevi pomoću strujanja različitih plinova. Ovim pokusima došao je do zaključka da se u plinovima i parama pod jednakim uvjetima (volumen, tlak, temperatura) stvara ista količina topline uz jednako relativno kompresiju ili ekspanziju.

Imajte na umu da je Dulongovu metodu 1866. znatno poboljšao Kundt (1839-1894), koji je uveo posebnu cijev (ta se cijev danas naziva Kundtova cijev). Kundtova metoda i danas se smatra jednom od najboljih metoda za određivanje omjera specifičnih toplinskih kapaciteta.

Sastavila Savelyeva F.N.