Gas. Ideaal gas

Vloeibaar natuurlijk gas of afgekort LNG, zoals het in de energiesector gebruikelijk is (Engels resp. Vloeibaar natuurlijk gas, afgekort. LNG) is gewoon aardgas gekoeld tot -162°C (de zg. vloeibaarmakingstemperatuur) voor opslag en transport in vloeibare vorm. Het vloeibaar gemaakte gas wordt opgeslagen op het kookpunt, dat behouden blijft door: LNG verdamping. Deze methode om LNG op te slaan is te danken aan het feit dat voor methaan, het hoofdbestanddeel van LNG, de kritische temperatuur is -83°C, wat veel lager is dan de omgevingstemperatuur, en maakt het niet mogelijk om vloeibaar aardgas in hogedruktanks op te slaan (ter referentie: de kritische temperatuur voor ethaan is +32°C, voor propaan +97°C). Voor gebruik wordt het LNG verdampt tot zijn oorspronkelijke staat zonder de aanwezigheid van lucht. Bij ( terugkeer van het gas naar zijn oorspronkelijke damptoestand) uit één kubieke meter vloeibaar gas wordt ongeveer 600 kubieke meter gewoon aardgas gevormd.

LPG-temperatuur

De extreem lage temperatuur van LNG maakt het cryogene vloeistof. Over het algemeen worden stoffen met een temperatuur van -100°C (-48°F) of zelfs lager in aanmerking genomen cryogeen en vereisen speciale technologieën voor verwerking. Ter vergelijking: de laagste geregistreerde temperatuur op aarde is -89,2 ° C (Antarctische wateren), en in de nederzetting -77,8 ° C (Oymyakon dorp, Yakutia). Door de cryogene temperatuur van vloeibaar aardgas kan contact met LNG de eigenschappen van materialen die ermee in aanraking komen veranderen, die vervolgens broos worden en hun sterkte en functionaliteit verliezen. Daarom worden speciale technologieën gebruikt in de LNG-industrie.

Chemische samenstelling van LNG

Ruwe olie en aardgas zijn fossiele brandstoffen die bekend staan als "koolwaterstoffen" omdat ze chemische combinaties van koolstof- en waterstofatomen bevatten. De chemische samenstelling van aardgas is afhankelijk van waar het gas wordt geproduceerd en verwerkt. Vloeibaar natuurlijk gas vertegenwoordigt mengsel methaan, ethaan, propaan en butaan met een kleine hoeveelheid zwaardere koolwaterstoffen en enkele onzuiverheden, in het bijzonder stikstof- en zwavelcomplexen, water, kooldioxide en waterstofsulfide, die in het voedingsgas kunnen voorkomen, maar eerst moeten worden verwijderd. methaan is het belangrijkste bestanddeel, meestal, maar niet altijd, meer dan 85 vol.%.

LPG-dichtheid

Aangezien LNG een mengsel is, dichtheid vloeibaar aardgas varieert enigszins met de werkelijke samenstelling. Dichtheid van vloeibaar aardgas, ligt over het algemeen in het bereik van 430-470 kilogram per kubieke meter, en het volume is ongeveer 1/600 van dat van het gas bij atmosferische omstandigheden. Dit maakt het ongeveer een derde lichter dan lucht. Een ander gevolg van deze feiten is dat LNG een lagere dichtheid heeft dan water, waardoor het bij een lekkage op het oppervlak kan drijven en vrij snel weer kan verdampen.

Andere eigenschappen van LNG

Vloeibaar aardgas is geurloos, kleurloos, niet corrosief, niet brandbaar en niet giftig. LNG wordt opgeslagen en vervoerd bij ultra-lage temperaturen bij atmosferische druk (geen hoge drukken). Bij blootstelling aan het milieu verdampt LNG snel en laat het geen sporen achter op water of bodem.

In zijn vloeibare vorm Vloeibaar aardgas heeft niet het vermogen om te exploderen of te ontbranden. Bij verdamping aardgas kan ontbranden als het in contact komt met een verbrandingsbron en als de dampconcentratie in de lucht tussen de 5 en 15 procent ligt. Als de concentratie van gasdampen minder dan 5 procent is, is er niet genoeg damp om een brand te starten, en als meer dan 15 procent is er een gebrek aan zuurstof in de omgeving.

Voordelen van LNG

De gasdichtheid neemt honderden keren toe, wat de efficiëntie en het gemak van opslag verhoogt, evenals het transport en het energieverbruik.
Vloeibaar natuurlijk gas - niet-giftige cryogene vloeistof, die wordt bewaard in een warmte-geïsoleerde container bij een temperatuur van –162 ° . Grote hoeveelheden LNG kunnen bij atmosferische druk worden opgeslagen.
Mogelijkheid tot intercontinentaal transport van LNG met speciale voertuigen, evenals transport per spoor en wegtransport in tanks.
Vloeibaar gemaakt aardgas maakt het mogelijk om installaties ver van hoofdleidingen over lange afstanden te vergassen door een LNG-reserve direct bij de consument aan te leggen, waardoor de aanleg van dure leidingsystemen wordt vermeden.

Vanuit het oogpunt van de consument liggen de voordelen van het daarop gebaseerde vloeibaar aardgas ook in het feit dat LNG niet alleen een bron is van gas dat via gaspijpleidingen wordt getransporteerd, maar ook een bron van NGL (brede fractie lichte koolwaterstoffen– ethaan, propaan, butanen en pentanen), die deel uitmaken van LNG en vrijkomen uit LNG tijdens hervergassing. Deze koolwaterstoffen worden gebruikt als petrochemische grondstof en als bron van milieuvriendelijke brandstof voor verschillende vervoerswijzen (evenals in het dagelijks leven). In zal de selectie van breuk Met 2 + of Met 3 + zijn. Mogelijkheid tot transport NGL als onderdeel van vloeibaar aardgas werkt het niet alleen in het voordeel van de consument, maar lost het ook de problemen van de producent op op het gebied van transport NGL uit het gasveld.

Vloeibaar aardgas is een veilige, milieuvriendelijke brandstof met hoge energieprestaties en octaangetal. LNG-prijs ten koste van de consument lager is dan de prijs van vloeibaar petroleumgas, stookolie en zelfs nog meer dieselbrandstof.

GAS. gasvormige toestand een toestand van materie genoemd waarin de krachten die tussen de moleculen werken extreem klein zijn en de afmetingen van de moleculen zelf verwaarloosbaar zijn in vergelijking met de openingen ertussen. Tussen botsingen door bewegen gasmoleculen in een rechte lijn, gelijkmatig en volledig willekeurig. Bij verhitting en ijle neigen alle gassen naar de grenstoestand van het zogenaamde ideaal, of perfect gas.

BIJ Ideaal gas de intermoleculaire krachten zijn nul en het volume van de moleculen zelf is oneindig klein vergeleken met het volume van de intermoleculaire ruimte. De toestand van een ideaal gas is die beperkende verdunde toestand van materie waarnaar alle natuurlijke lichamen neigen bij voldoende hoge temperaturen en voldoende lage drukken; dit is de bijzondere betekenis van de toestand van een ideaal gas, dat bovendien het gemakkelijkst vatbaar is voor onderzoek en daarom het meest volledig bestudeerd is. De stof die de interplanetaire ruimte in extreme verdunning vult, kan worden beschouwd als in de staat van een ideaal gas.

Gasdruk (p) wordt bepaald door de impact van gasmoleculen op de wanden van het vat. Volgens de kinetische theorie is de gemiddelde kinetische energie van gasmoleculen evenredig met de absolute temperatuur. In de kinetische theorie wordt aangetoond dat een ideaal gas strikt voldoet aan de volgende toestandsvergelijking, die drie toestandsparameters met elkaar in verband brengt: v, T en p, waarvan er twee onafhankelijk zijn, en de derde hun functie is:

Deze vergelijking ( De vergelijking van Clapeyron) bevat in expliciete vorm drie basiswetten van de toestand van een ideaal gas:

1) Wet van Boyle-Mariotte. Bij een constante temperatuur (T) is het product (p ∙ v) voor een bepaalde hoeveelheid ideaal gas een constante waarde (p ∙ v \u003d Const), d.w.z. het volume van een ideaal gas (v) is omgekeerd evenredig met zijn druk (p): isothermen van een ideaal gas in het coördinatensysteem (v, p) zijn gelijkzijdige hyperbolen waarvan de asymptoten de coördinaatassen zijn.

2). Bij een constante (p) neemt het volume van een bepaalde hoeveelheid ideaal gas lineair toe met de temperatuur:

(v 0 - volume bij temperatuur \u003d 0 ° C, α - uitzettingscoëfficiënt van een ideaal gas). Verandering (p) met temperatuur bij v = Const gehoorzaamt aan dezelfde wet:

(α) in vergelijking (3) - drukcoëfficiënt, numeriek gelijk aan de uitzettingscoëfficiënt (α) in vergelijking (2) = 1/273,1 = 0,00367 - een waarde onafhankelijk van de aard van het gas en dezelfde voor alle ideale gassen; p 0 - druk bij temperatuur \u003d 0 ° C. Invoering van absolute temperatuur in plaats van temperatuur

vinden we in plaats van vergelijkingen (2) en (3):

3) Wet van Avogadro. Vergelijking (1) laat zien dat gasconstante R \u003d p 0 ∙ v 0 / 273.1 is evenredig met het normale volume v 0 ingenomen door een bepaalde hoeveelheid gas onder normale omstandigheden (p 0 \u003d 1 Atm en t 0 \u003d 0 ° C \u003d 273.1 ° K), d.w.z. terug is evenredig met de gasdichtheid onder normale omstandigheden D 0 . Volgens de wet van Avogadro, met dezelfde (p) en (T), bevatten alle ideale gassen in gelijke volumes (bijvoorbeeld gelijk aan v 0) een gelijk aantal moleculen. Omgekeerd: een gelijk aantal moleculen (bijvoorbeeld 1 mol \u003d 1 gram molecuul) van elk gas in een ideale toestand neemt onder normale omstandigheden hetzelfde volume v 0 in, ongeacht de aard van het gas (1 mol van een stof bevat N 0 = 6.06∙10 23 individuele moleculen - het getal van Avogadro). Met grote nauwkeurigheid gevonden dat normaal molair volume elk ideaal gas (V 0) m is gelijk aan 22,412 liter / mol. Vanaf hier kunt u het aantal moleculen in 1 cm 3 van elk ideaal gas onder normale omstandigheden berekenen: n0 \u003d 6.06 ∙ 10 23 / 10 3 ∙ 22.416 \u003d 2.705 ∙ 10 19 cm 3 (Loshmit-getal). Met behulp van vergelijking (1) wordt de wet van Avogadro uitgedrukt in het feit dat de gasconstante R, berekend voor 1 mol van een willekeurig gas, hetzelfde zal zijn, ongeacht de aard van het gas. Dat. R is een universele constante met dimensie [ Functie]/[gewicht][temperatuur-] en drukt het uitzettingswerk uit van 1 mol van een ideaal gas wanneer het wordt verwarmd met 1 ° C bij p \u003d Const:

dit is de fysieke betekenis van R.

een numerieke waarde vinden

In andere eenheden zijn de R-waarden (per 1 mol):

Naast de geanalyseerde drie wetten, volgen uit de vergelijking (1) van de toestand van een ideaal gas in combinatie met de twee wetten van de thermodynamica ook de volgende basiswetten:

4) Wet van Joule. Een van de algemene vergelijkingen van de thermodynamica

geeft, samen met vergelijking (1), de volgende voorwaarden voor de interne energie U van een ideaal gas:

dat wil zeggen, U van een ideaal gas is een functie van alleen T (wet van Joule); tijdens isotherme expansie van een ideaal gas wordt alle geabsorbeerde warmte omgezet in externe arbeid, en tijdens isotherme compressie wordt alle verbruikte arbeid omgezet in warmte die vrijkomt.

5) De warmtecapaciteiten van een ideaal gas bij constant volume c v en bij constante druk c p zijn functies van alleen T. Thermodynamica geeft de algemene vergelijkingen

maar voor een ideaal gas zijn (p) en (v) lineair afhankelijk van (T), volgens de wet van Gay-Lussac (4) en (5); daarom veranderen de juiste delen van vergelijkingen (9) in 0 en

De warmtecapaciteiten c p en c v zijn niet onafhankelijk van elkaar, maar zijn gerelateerd aan een ideaal gas door een simpele voorwaarde:

voortkomend uit gaswetten (R heeft de dimensie van warmtecapaciteit), d.w.z. als c p en c v gerelateerd zijn aan 1 mol van een ideaal gas, dan verschillen ze van elkaar met 2 (meer precies, met 1,986) - cal / mol ∙ graden

In de kinetische theorie wordt aangenomen, volgens het principe van uniforme energieverdeling, dat er voor elke vrijheidsgraad van een gasmolecuul een energie k 0 ∙T / 2 is, en voor 1 mol is er

(k 0 \u003d -R / N 0 is de gasconstante berekend voor 1 molecuul - constante van Boltzmann). Het aantal vrijheidsgraden (i) is het aantal soorten mechanische energie die onafhankelijk van elkaar zijn, dat een gasmolecuul heeft. Dan is de energie van 1 mol

(ongeveer, uitgaande van R = 2, c v = i, c p = i + 2).

In de gastheorie speelt de relatie c p /c v = γ een belangrijke rol; uit vergelijkingen (11) en (12):

In het eenvoudigste geval monoatomisch gas(waarvan het molecuul uit 1 atoom bestaat, wat zijn de edelgassen en dampen van veel metalen) i is de kleinste en is gelijk aan 3: de volledige energie van het molecuul wordt gereduceerd tot de kinetische energie van zijn translatiebewegingen, die in drie onafhankelijke onderling loodrechte richtingen; dan

en γ heeft de grootst mogelijke waarde: γ = 5/3 = 1.667. Voor diatomische gassen(H 2 , O 2 , N 2 , CO en andere) kan worden beschouwd als I \u003d 3 + 2 (twee rotaties rond twee onderling loodrechte assen loodrecht op de lijn die beide atomen verbindt); dan is c v = 4,96 ≈ 5, cр = 6,95 ≈ 7 en γ = 7/5 = 1,40. Voor drie-atomig gas(Н 2 O, СO 2, H 2 S, N 2 O) i = 3+3 (rotatie rond drie onderling loodrechte assen) en c v = 5,96 ≈ 6, cр = 7,95 ≈ 7 en γ = 4/3 = 1,33.

Met verdere complicatie van de structuur van het molecuul, d.w.z. met een toename in i, c v en c p toename, en γ = 1 + 2/i en neigt naar 1. Tabel. 1 laat zien dat alles wat gezegd is in goede overeenstemming is met de experimentele gegevens, dat γ altijd >1 en ≤1.667 is en niet = 1,50 kan zijn (voor i = 4).

Voor monatomische gassen veranderen c v en c p, in overeenstemming met de theorie, praktisch niet met de temperatuur (bijvoorbeeld voor Ar liggen de waarden van c v en c p in het bereik van 2,98 tot 3,00 tussen temperaturen = 0 ° en 1000 °C). Veranderingen in c v en c p met temperatuur worden verklaard in de kwantumtheorie. De warmtecapaciteiten van gassen die bijna ideaal zijn, veranderen echter niet praktisch over brede temperatuurbereiken. Gewoonlijk worden p en y experimenteel bepaald en wordt c v berekend uit deze gegevens.

echte gassen. Alle gassen die werkelijk bestaan, zijn echte gassen b. of m. afwijken van de wetten van ideale gassen, maar hoe minder, hoe hoger de temperatuur en hoe lager de druk. Dat. de wetten van ideale gassen zijn beperkend voor echte gassen. Bij gewone temperaturen is de afwijking het kleinst voor gassen waarvan de kritische temperaturen extreem laag zijn (de zogenaamde constante gassen: He, H 2 , N 2 , O 2 , lucht); voor gassen met een relatief hoge kritische temperatuur en voor dampen (een gas met een temperatuur onder de kritische temperatuur heet stoom) zijn de afwijkingen zeer groot. De redenen voor afwijkingen van echte gassen van gaswetten zijn dat: 1) intermoleculaire krachten erin werken; daarom worden oppervlaktemoleculen door krachten in gassen getrokken, waarvan de resultante, berekend per oppervlakte-eenheid en er loodrecht op gericht, wordt genoemd moleculaire (interne) druk K; 2) niet het gehele gasvolume (v), maar slechts een deel ervan (v-b) geeft vrijheid voor de bewegingen van moleculen; deel van het volume (b), covolum, alsof het wordt ingenomen door de moleculen zelf. Als het gas ideaal zou zijn, zou de druk groter zijn dan de waargenomen (p) met de waarde van K; daarom zal de toestandsvergelijking voor een echt gas worden geschreven in de vorm

In deze algemene vergelijking kunnen K en b afhangen van T en v.

Van der Waals toonde aan dat in het eenvoudigste geval K \u003d a / v 2, en b een constante waarde is die gelijk is aan vier keer het volume van de gasmoleculen zelf. De van der Waals-vergelijking heeft dus de vorm:

a en b, de van der Waals-constanten zijn, zoals de ervaring leert, nog steeds afhankelijk van T en v, en daarom is vergelijking (15) slechts een eerste benadering; het reproduceert goed de kwalitatieve vorm van de isothermen van echte gassen.

In FIG. 1 worden getoond voor CO 2 theoretische isothermen: S-vormige delen van deze isothermen komen overeen met thermodynamisch metastabiele toestanden.

In FIG. Figuur 2 toont de experimentele isothermen voor CO 2 : de S-vormige delen van de curven zijn vervangen door rechte delen; rechts van deze delen komen de curven overeen met gas (onverzadigde damp), links - met vloeistoffen en de rechte segmenten zelf - met het evenwicht van damp en vloeistof. Vergelijking (15), in volledige overeenstemming met de ervaring, laat zien dat met toenemende temperatuur de afmetingen van de rechte segmenten op de isothermen kleiner en kleiner worden (Fig. 2) en, ten slotte, bij een bepaalde temperatuur gelijk aan de kritische temperatuur, de lengte van dit segment wordt 0. Bij een temperatuur hoger dan Bij een kritische temperatuur kan een gas bij geen enkele druk in vloeistof veranderen: de vloeistof houdt op te bestaan. Dat. de van der Waals-vergelijking omvat twee toestanden - gasvormig en vloeibaar - en dient als basis voor de doctrine van de continuïteit van de overgang tussen deze twee toestanden. Kritische temperaturen voor sommige gassen hebben de volgende waarden: +360°C voor H 2 O, +31°C voor CO 2, -241°C voor H 2 en -254°C voor He.

Gas vloeibaar maken. Elk gas kan bij de juiste druk in een vloeistof worden veranderd, nadat het eerder is afgekoeld tot onder de kritische temperatuur. De drukken die nodig zijn voor het vloeibaar maken van CO 2 (in Atm) bij verschillende temperaturen worden gegeven in de tabel. 2.

Het is duidelijk dat deze drukken de drukken zijn van verzadigde damp van vloeibaar kooldioxide en hoe lager hoe lager de temperatuur.

Om het gas voor vloeibaarmaking voor te koelen, gebruiken ze in technische installaties het Joule-Thomson-effect, dat erin bestaat dat tijdens adiabatische expansie (bijvoorbeeld met een sterke drukval wanneer het gas uit het gat stroomt) , de interne energie van het gas neemt toe met ΔU, en T verandert met ΔT, en thermodynamisch

In het geval van ideale gassen, ΔU = 0 en ΔT = 0 [omdat, volgens vergelijking (1), T∙dv/dT – v = 0].

Voor echte gassen is ΔТ ≠ 0, d.w.z. er vindt koeling of verwarming plaats, afhankelijk van of T∙dv/dT – v ≠ 0 (Δp< 0). По уравнению Ван-дер-Ваальса,

(bij voldoende benadering). Dat. bij voldoende hoge temperaturen warmen alle gassen op tijdens adiabatische expansie (ΔТ > 0, omdat a/R∙T< b), но с понижением температуры для каждого газа наступает inversiepuntТ ik bepaald door de conditie

waaronder gassen beginnen af te koelen tijdens adiabatische expansie (a/R∙T> b bij 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.

Relevante staten. Kritische temperatuur T tot, druk p tot en volume v tot m. b. uitgedrukt in termen van de van der Waals-constanten a, b en R als volgt:

Als we kritische waarden nemen voor respectievelijk de meeteenheden T, p en v, dan wordt de toestand in plaats van T, p en v gekenmerkt door gegeven waarden:

Als we θ, π en ϕ introduceren in de van der Waals-vergelijking (15), dan heffen de constanten a, b en R elkaar op, en krijgen we gereduceerde toestandsvergelijking, met numerieke coëfficiënten

die geen hoeveelheden bevat die afhankelijk zijn van de aard van de stof. Vergelijking (19) gaat er echter van uit dat de van der Waals-vergelijking correct is, en daarom zijn afwijkingen ervan vaak behoorlijk significant, vooral in het geval van geassocieerde stoffen. De doctrine van de overeenkomstige toestanden (de zogenaamde toestanden die overeenkomen met dezelfde θ, π en ϕ) maakt het mogelijk om een groot aantal universele afhankelijkheden te vinden die vergelijkbaar zijn met vergelijking (19).

Toepassing van gassen. Gecomprimeerde en vloeibaar gemaakte gassen worden in de technologie gebruikt waar grote hoeveelheden gas in een klein volume nodig zijn; dus CO 2 wordt gebruikt voor het carboniseren van water, Cl 2 en fosgeen - in de militaire chemische industrie, O 2 - voor medische doeleinden, perslucht - voor het starten van verbrandingsmotoren. Vloeibare gassen (CO 2 en NH 3) zijn van bijzonder belang in de koeling, in koelmachines (bijvoorbeeld voor de productie van kunstijs). Lichtgassen (H 2, verlichtingsgas, recent He) worden gebruikt om ballonnen te vullen. Inerte gassen (N2 en edelgassen, vooral Ar) worden gebruikt om halfwatt-gloeilampen te vullen. Van bijzonder belang is het gebruik van gas voor verlichting of als brandstof: verlichting, stroom, watergassen en andere.

Vloeistoffen kunnen alleen bestaan bij temperaturen onder de kritische. Om een gas vloeibaar te maken, moet het daarom eerst worden afgekoeld tot onder de kritische temperatuur en vervolgens worden gecomprimeerd. Zoals blijkt uit tabel XIII, hebben gassen zoals zuurstof, stikstof, waterstof en in het bijzonder helium zeer lage temperaturen nodig om vloeibaar te worden.

Tabel XIII (zie scan) Kritieke en kookpunten (bij atmosferische druk) voor sommige gassen

Een van de eerste industriële methoden om gassen vloeibaar te maken (de Linde-methode, 1895) maakte gebruik van het Joule-Thomson-effect.

Het schema van de Linde-machine is weergegeven in figuur 6.21. Gecomprimeerd door de compressor K en daardoor enigszins verwarmd, passeert het gas de koeler X, waar het warmte afgeeft aan stromend water en afkoelt tot zijn oorspronkelijke temperatuur. Het gas gaat dan door de spoel naar een smoorklep (kraan) en expandeert in ontvanger B met een drukval van ongeveer honderden atmosfeer tot één atmosfeer. Direct na het opstarten van de installatie is de temperatuurdaling niet voldoende om het gas vloeibaar te maken. Het licht afgekoelde gas wordt via een spiraal teruggestuurd naar de compressor. Beide spiralen staan in nauw thermisch contact (meestal wordt de ene spiraal in de andere gestoken) in een tegenstroomwarmtewisselaar. In de warmtewisselaar gaat het gas naar de compressor bij een lagere temperatuur koelt de aankomende gasstroom. Het is duidelijk dat in de tweede cyclus het gas klep A zal naderen met een lagere temperatuur dan

dit was tijdens de eerste passage, en na het smoren zal de temperatuur nog meer dalen. Bij elke cyclus zal als gevolg van smoren en de werking van de warmtewisselaar de temperatuur van het gas meer en meer dalen en uiteindelijk zo sterk dalen dat een deel van het gas na expansie vloeibaar wordt en zich ophoopt in ontvanger B , van waaruit de vloeistof via een klep in het Dewarvat kan worden afgevoerd

Het beschreven principe van tegenstroomwarmtewisseling wordt gebruikt in alle machines voor het vloeibaar maken van gassen, hoewel het ontwerp van dergelijke warmtewisselaars zeer divers kan zijn.

Een andere industriële methode om gassen vloeibaar te maken (de Claude-methode, 1902) is gebaseerd op het extra koelen van het gas als het werkt. Het gecomprimeerde gas na de klep (Fig. 6.21) wordt naar de pistonmachine (expander) gestuurd, waar het, uitzettend, het werk doet om de zuiger te verplaatsen vanwege de kinetische energie van de moleculen (de expander wordt niet getoond in de figuur ). Hierdoor wordt het effect van het verlagen van de temperatuur van het gas groter dan bij de Linde-machine. Deze methode werd verbeterd door de Sovjetwetenschapper P.L. Kapitsa (1934), die in plaats van een zuigerexpander een kleine turbine (turboexpander) gebruikte die werd aangedreven door een gekoeld gas (de expanderrotor is klein van formaat en het gewicht ervan wordt gemeten in slechts honderden gram).

Momenteel worden voor het vloeibaar maken van gassen in de meeste gevallen machines met expansie in expanders gebruikt. Bij het vloeibaar maken van helium voor voorkoeling in machines met turbo-expanders, wordt stikstof gebruikt in plaats van waterstof, wat de productiviteit en economische efficiëntie van het apparaat aanzienlijk verhoogt. Bovendien zijn machines met turbo-expanders met dezelfde productiviteit meerdere malen kleiner dan machines die werken volgens het Linde-schema.

Instructie

Ziet eruit als vloeibaar gemaakt natuurlijk gas-(LNG) is een kleurloze vloeistof, geurloos, 75-90% samengesteld en heeft zeer belangrijke eigenschappen: in vloeibare toestand is het niet brandbaar, niet agressief, wat uitermate belangrijk is tijdens transport. Het vloeibaarmakingsproces van LNG heeft een karakter, waarbij elke nieuwe fase 5-12 keer compressie betekent, gevolgd door afkoeling en verplaatsing naar de volgende fase. LNG wordt vloeibaar na voltooiing van de laatste compressiefase.

Als gas over zeer lange afstanden moet worden vervoerd, is het veel voordeliger om speciale schepen in te zetten: gastankers. Van de plaats van gas naar de dichtstbijzijnde geschikte plaats aan de zeekust wordt een pijpleiding getrokken en aan de kust een terminal gebouwd. Daar wordt het gas sterk gecomprimeerd en gekoeld, verandert het in een vloeibare toestand en wordt het in isothermische tanks van tankers gepompt (bij temperaturen in de orde van grootte van -150 ° C).

Deze wijze van transport heeft een aantal voordelen ten opzichte van transport via pijpleidingen. Ten eerste kan een van deze in één vlucht een enorme hoeveelheid gas vervoeren, omdat de dichtheid van een stof in vloeibare toestand veel hoger is. Ten tweede zijn de belangrijkste kosten niet voor het transport, maar voor het laden en lossen van het product. Ten derde is opslag en transport van vloeibaar gas veel veiliger dan gecomprimeerd gas. Het lijdt geen twijfel dat het aandeel aardgas dat in vloeibare vorm wordt vervoerd gestaag zal toenemen in vergelijking met de aanvoer via pijpleidingen.

Vloeibaar natuurlijk gas- veel gevraagd op verschillende gebieden van menselijke activiteit - in de industrie, in het wegvervoer, in de geneeskunde, in de landbouw, in de wetenschap, enz. Vloeibaar gemaakt gas- We hebben gewonnen vanwege het gemak van hun gebruik en transport, evenals vanwege hun milieuvriendelijkheid en lage kosten.

Instructie

Voordat koolwaterstof vloeibaar wordt gemaakt: gas- en het moet eerst worden schoongemaakt en waterdamp worden verwijderd. Koolzuur gas- verwijderd met behulp van een drietraps moleculair filtersysteem. Op deze manier gezuiverd gas- in kleine hoeveelheden wordt het gebruikt als regeneratie. herstelbaar gas- ofwel verbrand ofwel gebruikt om stroom op te wekken in generatoren.

Het drogen gebeurt met behulp van 3 moleculaire filters. Eén filter absorbeert waterdamp. Een ander droogt gas-, die verder gaat en door het derde filter gaat. Om de temperatuur te verlagen: gas- door een waterkoeler geleid.

De stikstofmethode omvat de productie van vloeibaar gemaakte koolwaterstof gas- en van wie dan ook gas- nieuwe bronnen. De voordelen van deze methode zijn onder meer de eenvoud van technologie, het niveau van veiligheid, flexibiliteit, gemak en lage gebruikskosten. De beperkingen van deze methode zijn de noodzaak van een stroombron en hoge kapitaalkosten.

Met een gemengde methode voor de productie van vloeibaar gemaakt gas- en een mengsel van stikstof en wordt gebruikt als koelmiddel. te ontvangen gas- ook uit welke bron dan ook. Deze methode kenmerkt zich door een flexibele productiecyclus en lage variabele productiekosten. Vergeleken met het proces van het vloeibaar maken van stikstof zijn de kapitaalkosten hier groter. Er is ook een bron van elektriciteit nodig.

bronnen:

Wat is gasliquefactie?
Vloeibaar gas: ontvangst, opslag en transport
wat is vloeibaar gas?

Aardgas wordt gewonnen uit de ingewanden van de aarde. Dit mineraal bestaat uit een mengsel van gasvormige koolwaterstoffen, dat ontstaat door de afbraak van organisch materiaal in sedimentgesteenten van de aardkorst.

Wat zijn de ingrediënten in aardgas

80-98% aardgas bestaat uit (CH4). Het zijn de fysisch-chemische eigenschappen van methaan die de eigenschappen van aardgas bepalen. Naast methaan bevat aardgas verbindingen van hetzelfde structurele type - ethaan (C2H6), propaan (C3H8) en butaan (C4H10). In sommige gevallen, in kleine hoeveelheden, van 0,5 tot 1%, bevat aardgas: (С5Н12), (С6Н14), heptaan (С7Н16), (С8Н18) en nonaan (С9Н20).

Aardgas omvat ook verbindingen van waterstofsulfide (H2S), koolstofdioxide (CO2), stikstof (N2), helium (He), waterdamp. De samenstelling van aardgas is afhankelijk van de eigenschappen van de velden waar het wordt geproduceerd. Aardgas geproduceerd in zuivere gasvelden bestaat voornamelijk uit methaan.

Kenmerken van aardgasbestanddelen

Alle chemische verbindingen waaruit aardgas bestaat, hebben een aantal eigenschappen die nuttig zijn in verschillende industrieën en in het dagelijks leven.

Methaan is een kleurloos, geurloos, ontvlambaar gas dat lichter is dan lucht. Het wordt gebruikt in de industrie en het dagelijks leven als brandstof. Ethaan is een kleurloos, geurloos, brandbaar gas dat iets zwaarder is dan lucht. In principe wordt etheen verkregen uit. Propaan is een giftig, kleurloos en geurloos gas. Butaan staat dicht bij hem in eigenschappen. Propaan wordt bijvoorbeeld gebruikt bij laswerkzaamheden, bij de verwerking van schroot. Vloeibare en butaanvulaanstekers en gasflessen. Butaan wordt gebruikt in de koeling.

Pentaan, hexaan, heptaan, octaan en nonaan -. Pentaan is in kleine hoeveelheden aanwezig in motorbrandstoffen. Hexaan wordt ook gebruikt bij de extractie van plantaardige oliën. Heptaan, hexaan, octaan en nonaan zijn goede organische oplosmiddelen.

Waterstofsulfide is een giftig kleurloos zwaar gas, rotte eieren. Dit gas veroorzaakt, zelfs in kleine concentraties, verlamming van de reukzenuw. Maar vanwege het feit dat waterstofsulfide goede antiseptische eigenschappen heeft, wordt het in kleine doses in de geneeskunde gebruikt voor waterstofsulfidebaden.

Kooldioxide is een onbrandbaar, kleurloos, geurloos gas met een zure smaak. Kooldioxide wordt gebruikt in de voedingsindustrie: bij de productie van koolzuurhoudende dranken om ze te verzadigen met koolstofdioxide, om voedsel te bevriezen, om lading te koelen tijdens transport, enz.

Stikstof is een onschadelijk kleurloos gas, geur- en smaakloos. Het wordt gebruikt bij de productie van minerale meststoffen, gebruikt in de geneeskunde, enz.

Helium is een van de lichtste gassen. Het is kleur- en geurloos, niet brandbaar, niet giftig. Helium wordt in verschillende industrieën gebruikt - voor het koelen van kernreactoren, het vullen van stratosferische ballonnen.

Het experimentele feit van het afkoelen van een stof tijdens verdamping is al lang bekend en wordt zelfs in de praktijk toegepast (bijvoorbeeld het gebruik van poreuze vaten om de versheid van water te behouden). Maar de eerste wetenschappelijke studie van deze kwestie werd uitgevoerd door Gian Francesco Cigna en beschreven in het werk van 1760 "De frigore ex evaporation" ("Op de kou als gevolg van verdamping").

Cigna bewees dat hoe sneller de verdamping, hoe intenser de afkoeling, en Meran toonde aan dat als je op een natte bol van een thermometer blaast, de temperatuurdaling groter zal zijn dan in hetzelfde experiment met een droge bol van een thermometer. Antoine Beaumet (1728-1804) ontdekte dat de verdamping van zwavelzuurether meer afkoelt dan de verdamping van water. Op basis van deze feiten creëerde Tiberio Cavallo in 1800 een koelkast en Wollaston bouwde zijn beroemde cryofoor in 1810, die nog steeds wordt gebruikt. Op basis van dit apparaat is in 1820 de hygrometer van Daniel gemaakt. De koelmachine werd pas praktisch toepasbaar na 1859, dat wil zeggen nadat Fernand Carré (1824-1894) zijn methode publiceerde om ijs te verkrijgen door ether te verdampen, die later werd vervangen door ammoniak. In 1871 beschreef Carl Linde (1842-1934) een koelmachine die hij had gemaakt waarin koeling werd bereikt door gasexpansie. In 1896 combineerde hij deze machine met de tegenstroomwarmtewisselaar beschreven in natuurkundecursussen, en dit stelde hem in staat om vloeibare waterstof te verkrijgen. De experimentele resultaten die tegen die tijd door fysici waren bereikt, begonnen in de industrie te worden geïntroduceerd.

Het probleem van het vloeibaar maken van gas kent een eeuwenoude geschiedenis die teruggaat tot de tweede helft van de 18e eeuw. Het begon allemaal met het vloeibaar maken van ammoniak door eenvoudige koeling, geproduceerd door Van Marum, zwavelzuuranhydride door Monge en Clouet, chloor door Northmore (1805) en het vloeibaar maken van ammoniak door de compressiemethode voorgesteld door Baccelli (1812).

Charles Cagnard de Latour (1777-1859) en Michael Faraday (1791-1867) leverden gelijktijdig en onafhankelijk een beslissende bijdrage aan de oplossing van dit probleem.

In een reeks artikelen die in 1822 en 1823 werden gepubliceerd, beschreef Cañard de Latour experimenten die door hem waren uitgevoerd om het bestaan van een vloeistof (zoals intuïtief gevoeld wordt) vast te stellen van een bepaalde beperkende uitzetting, waarboven, ongeacht de uitgeoefende druk, alle ervan overgaat in een damptoestand. Daartoe plaatste de Latour een stenen bal in een ketel gevuld met een derde deel van de alcohol en begon de ketel geleidelijk te verwarmen. Uit het geluid van het ronddraaiende balletje in de ketel kwam de Latour tot de conclusie dat bij een bepaalde temperatuur alle alcohol verdampte. De experimenten werden herhaald met kleine buisjes; lucht werd uit de buizen verwijderd en vervolgens werden ze tot 2/5 gevuld met de onderzochte vloeistof (alcohol, ether, benzine) en in een vlam verwarmd. Naarmate de temperatuur toenam, werd de vloeistof steeds mobieler en werd het grensvlak tussen vloeistof en damp steeds onduidelijker, totdat deze bij een bepaalde temperatuur volledig verdween en de hele vloeistof in damp leek te zijn veranderd. Door deze buizen aan te sluiten op een manometer met perslucht, kon Cañard de Latour de druk meten die in de buis ontstond op het moment dat het grensvlak tussen vloeistof en damp verdwijnt, en de bijbehorende temperatuur. In tegenstelling tot wat vaak wordt gedacht, bepaalde Cañard de Latour bij deze experimenten niet alleen niet de kritische temperatuur voor water, hij slaagde er zelfs niet in om het water volledig te verdampen, omdat de buizen altijd barsten voordat het gewenste effect was bereikt.

Een concreter resultaat was te vinden in de experimenten van Faraday, uitgevoerd in 1823 met gebogen glazen buizen, waarvan de langere arm was afgedicht. In deze arm plaatste Faraday een stof die, bij verhitting, het onderzochte gas moest geven, sloot vervolgens de tweede, korte arm van de buis en dompelde de buis onder in een koelend mengsel. Als de stof daarna in de lange arm van de buis wordt verwarmd, wordt een gas gevormd waarvan de druk geleidelijk toeneemt, en in veel gevallen maakte Faraday het gas in de korte buis vloeibaar. Dus door natriumbicarbonaat te verwarmen, verkreeg Faraday vloeibaar koolzuur; op dezelfde manier ontving hij vloeibaar waterstofsulfide, waterstofchloride, zwavelzuuranhydride, enz.

De experimenten van de Latour en Faraday toonden aan dat een gas vloeibaar kan worden gemaakt door het aan hoge druk te onderwerpen. Veel natuurkundigen begonnen in deze richting te werken, in het bijzonder Johann Natterer (1821-1901). Sommige gassen (waterstof, zuurstof, stikstof) konden op deze manier echter niet vloeibaar worden gemaakt. In 1850 onderwierp Vertelo zuurstof aan een druk van 780 atm, maar kon het niet vloeibaar maken. Dit dwong Vertelo om zich aan te sluiten bij de mening van Faraday, die, ervan overtuigd dat het vroeg of laat mogelijk zou zijn om vaste waterstof te verkrijgen, geloofde dat druk alleen niet voldoende was om bepaalde gassen, die toen "permanent" of "ontembaar" werden genoemd, vloeibaar te maken.

In dezelfde 1845, toen Faraday deze overweging tot uitdrukking bracht, stelde Regnault, die opmerkte dat kooldioxide bij lage temperaturen een abnormale samendrukbaarheid heeft, en bij het naderen van 100 ° C de wet van Boyle begint te volgen, de veronderstelling naar voren dat er voor elk gas een zeker temperatuurbereik waar het de wet van Boyle gehoorzaamt. In 1860 ontwikkelde en wijzigde Regnault dit idee van Dmitry Ivanovich Mendeleev (1834-1907), volgens welke voor alle vloeistoffen een "absoluut kookpunt" moet zijn, waarboven het alleen in gasvormige toestand kan bestaan, ongeacht de druk.

De studie van deze vraag werd in 1863 in een nieuwe vorm hervat door Thomas Andrews (1813-1885). In 1863 bracht Andrews koolstofdioxide in een capillaire buis, waardoor het gasvolume werd afgesloten met een kwikkolom. Met behulp van een schroef stelde hij willekeurig de druk in waaronder het gas zich bevond, terwijl hij de temperatuur geleidelijk veranderde. Nadat hij het gas gedeeltelijk vloeibaar had gemaakt door alleen maar de druk te verhogen en de buis langzaam te verwarmen, observeerde Andrews hetzelfde fenomeen dat Cañard de Latour 30 jaar voor hem had onderzocht. Toen de temperatuur van kooldioxide 30,92 ° C bereikte, verdween het grensvlak tussen de vloeistof en het gas en kon geen enkele hoeveelheid druk vloeibaar koolstofdioxide terug produceren. In zijn gedetailleerde werk van 1869 stelde Andrews voor om de temperatuur van 30,92°C het "kritieke punt" voor kooldioxide te noemen. Met dezelfde methode bepaalde hij de kritische punten voor waterstofchloride, ammoniak, zwavelzuurether en stikstofmonoxide. Hij stelde voor de term "stoom" te behouden voor gasvormige stoffen bij een temperatuur onder het kritische punt, en de term "gas" toe te passen op stoffen met een temperatuur boven het kritische punt. Dit standpunt van Andrews werd bevestigd door de reeds genoemde experimenten van Natterer, door hem uitgevoerd van 1844 tot 1855, waarbij permanente gassen werden onderworpen aan een druk tot 2790 atm, zonder vloeibaar te worden, en talrijke soortgelijke experimenten die in 1870 door Emil werden begonnen. Amaga (1841-1915), waarbij drukken tot 3000 atm werden bereikt.

Al deze negatieve experimentele resultaten bevestigden de hypothese van Andrews dat permanente gassen stoffen zijn waarvan de kritische temperatuur lager is dan de op dat moment bereikte waarden, zodat hun vloeibaarmaking zou kunnen worden uitgevoerd met behulp van voorlopige diepe koeling, mogelijk met daaropvolgende compressie. Deze hypothese werd in 1877 briljant bevestigd door Louis Calet (1832-1913) en Raoul Pictet (1846-1929), die er onafhankelijk van elkaar in slaagden zuurstof, waterstof, stikstof en lucht vloeibaar te maken na een sterke voorafgaande afkoeling. Het werk van Calhete en Pictet werd voortgezet door andere natuurkundigen, maar alleen de komst van de Linde-koelmachine, die we al noemden, maakte vloeibaarmakingsmethoden praktisch toegankelijk, waardoor het mogelijk werd om vloeibaar gemaakte gassen in grote hoeveelheden te verkrijgen en deze op grote schaal toe te passen in wetenschappelijke onderzoek en in de industrie.

SPECIFIEKE WARMTECAPACITEIT VAN GASSEN

Methoden voor het bepalen van de soortelijke warmtecapaciteit waren moeilijk toe te passen op gasvormige stoffen vanwege het kleine soortelijk gewicht van gassen en dampen. Daarom kondigde de Academie van Wetenschappen van Parijs aan het begin van de 19e eeuw een wedstrijd aan voor de beste methode om de soortelijke warmte van een gas te meten. De prijs werd toegekend aan Francois Delaroche (? - 1813?) en Jacques Berard (1789-1869), die voorstelden om een spoel in de calorimeter te plaatsen, waardoor bij een bekende temperatuur een gas met een vaste druk zou passeren. Deze methode was eigenlijk niet nieuw; het was 20 jaar eerder voorgesteld door Lavoisier. Hoe het ook zij, de resultaten van Delaroche en Berard werden een halve eeuw lang gepresenteerd in natuurkundecursussen. De verdienste van deze wetenschappers is allereerst dat de aandacht werd gevestigd op de noodzaak om onderscheid te maken tussen specifieke warmtecapaciteiten bij constante druk en bij constant volume. Deze laatste waarde is zeer moeilijk te meten vanwege de lage warmtecapaciteit van het gas in vergelijking met de warmtecapaciteit van het reservoir dat het bevat.

Maar een paar jaar voordat de werken van Delaroche en Berard verschenen, begon een onderzoek naar een merkwaardig fenomeen, opgemerkt door Erasmus Darwin (1731-1802) in 1788 en vervolgens in 1802 door Dalton, dat erin bestaat dat de compressie lucht zorgt ervoor dat het opwarmt, en de uitzetting leidt tot afkoeling. Het begin van de studie van dit fenomeen wordt gewoonlijk beschouwd als de ervaring van Gay-Lussac (1807), herhaald door Joule in 1845. Gay-Lussac verbond twee cilinders met een buis, net zoals Guericke deed; een van de cilinders was gevuld met lucht en de tweede was leeg; uit een gevulde cilinder kon lucht vrijelijk in een lege stromen. Als resultaat werd een verlaging van de temperatuur van de eerste cilinder en een verhoging van de temperatuur van de tweede gevonden. Dit thermische gedrag van lucht deed ons geloven dat de soortelijke warmte bij constante druk groter moet zijn dan bij constant volume, ongeacht welke theorie over de aard van warmte we aanhangen. Inderdaad, als het expanderende gas afkoelt, dan is het, door het bij verwarming te laten uitzetten, nodig om het extra warmte te geven om de afkoeling die met de expansie gepaard gaat te compenseren.

Op basis van deze experimentele feiten kwam Laplace in 1816 op het briljante idee dat de bekende discrepantie tussen de waarde van de geluidssnelheid, verkregen uit ervaring, en de theoretische waarde, verkregen uit de wet van Newton, kan worden verklaard door de verandering in temperatuur ervaren door luchtlagen bij afwisselende compressies en verdunningen. Op basis van deze theoretische uitgangspunten corrigeerde Laplace de formule van Newton door er een coëfficiënt in in te voeren die gelijk is aan de verhouding van de specifieke warmtecapaciteiten bij constante druk en bij constant volume voor lucht. Vergelijking van de experimentele waarde van de geluidssnelheid in lucht en de theoretische waarde verkregen uit de formule van Newton maakte het mogelijk om de verhouding van specifieke warmtecapaciteiten te vinden. Op deze indirecte manier slaagden natuurkundigen erin om de eerste gegevens over de waarde van deze verhouding te verkrijgen en dus, aangezien de waarde van de soortelijke warmte bij constante druk bekend was, de soortelijke warmte van lucht bij constant volume te schatten. Enkele jaren later (1819) slaagden Nicolas Clément (1779-1841) en Charles Desorme (1777-?) erin om direct de verhouding van warmtecapaciteiten te bepalen, die, binnen experimentele fouten, samenviel met die gevonden door Laplace.

In 1829 bepaalde Dulong, als resultaat van subtiel en nauwgezet onderzoek, de verhouding van warmtecapaciteiten voor verschillende gassen, waarvoor hij geluid veroorzaakte in een buis met behulp van stromen van verschillende gassen. Deze experimenten brachten hem tot de conclusie dat in gassen en dampen onder gelijke omstandigheden (volume, druk, temperatuur) dezelfde hoeveelheid warmte wordt gevormd bij dezelfde relatieve compressie of expansie.

Merk op dat de methode van Dulong in 1866 aanzienlijk werd verbeterd door Kundt (1839-1894), die een speciale buis introduceerde (deze buis wordt nu de buis van Kundt genoemd). De Kundt-methode wordt nog steeds beschouwd als een van de beste methoden om de verhouding van specifieke warmtecapaciteiten te bepalen.

Samengesteld door Savelyeva F.N.