Газ. Ідеальний газ

Зріджений природний газабо скорочено СПГ, Як прийнято називати його в енергетичній галузі (англ. соотв. Liquefied Natural Gas, скор. LNG) є звичайним природним газом, охолодженим до температури –162°С (так звана температура зрідження) для зберігання та транспортування в рідкому вигляді. Зберігається скраплений газ при температурі кипіння, яка підтримується внаслідок випаровування ЗПГ. Даний спосіб зберігання ЗПГ пов'язаний з тим, що для метану, основною складовою ЗПГ, критична температура –83°С, що набагато нижче температури навколишнього середовища, і не дозволяє зберігати зріджений природний газ у резервуарах високого тиску (для довідки: критична температура для етану становить +32°С, для пропану +97°С). Для використання ЗПГ випаровується до вихідного стану без присутності повітря. При ( повернення газу у вихідний пароподібний стан) з одного кубометра зрідженого газу утворюється близько 600 кубометрів звичайного газу.

Температура зрідженого газу

Надзвичайно низька температура ЗПГ робить його кріогенною рідиною. Як правило, речовини, температура яких становить -100 ° С (-48 ° F) або ще нижче, вважаються кріогеннимита вимагають спеціальних технологій для обробки. Для порівняння, найнижча зареєстрована температура на Землі становить –89,2°С (Антарктика), а населеному пункті –77,8°С (селище Оймякон, Якутія). Кріогенна температура зрідженого природного газу означає, що контакт із ЗПГ може викликати зміну властивостей контактуючих матеріалів, які згодом стануть ламкими та втратять свою міцність та функціональність. Тому в галузі ЗПГ використовують спеціальні та технології.

Хімічний склад ЗПГ

Сира нафта та природний газ є викопними видами палива, відомими як «вуглеводні», тому що містять хімічні комбінації атомів вуглецю та водню. Хімічний склад газу залежить від місця видобутку газу та його обробки. Зріджений природний газявляє собою сумішметану, етану, пропану та бутану з невеликою кількістю важчих вуглеводнів та деяких домішок, зокрема, азотних та комплексних сполук сірки, води, вуглекислого газу та сірководню, які можуть існувати у вихідному газі, але повинні бути видалені перед . Метанє найголовнішим компонентом, зазвичай, хоч і не завжди, більш ніж на 85% за обсягом.

Щільність зрідженого газу

Оскільки СПГ є якоюсь суміш, щільність зрідженого газузмінюється трохи з її фактичним складом. Щільність зрідженого газу, Як правило, знаходиться в діапазоні 430-470 кілограмів на кубічний метр, а його обсяг становить приблизно 1/600 обсягу газу в атмосферних умовах. Це робить його приблизно на третину легшим, ніж повітря. Іншим наслідком цих фактів є те, що ЗПГ має меншу щільність, ніж вода, що дозволяє йому знаходитися на поверхні у разі розливу та повернутися до пароподібного стану досить швидко.

Інші властивості ЗПГ

Зріджений природний газ не має запаху, безбарвний, не викликає корозії, не є горючим і не токсичним. ЗПГ зберігається та транспортується при наднизьких температурах при атмосферному тиску (відсутність високих тисків). При дії на довкілля ЗПГ швидко випаровується, не залишаючи слідів на воді чи ґрунті.

В своїй рідкій формізріджений природний газ не має здатності вибухати або спалахувати. При випаровуванніприродний газ може спалахнути у разі контакту з джерелом горіння, і якщо концентрація випарів у повітрі становитиме від 5 до 15 відсотків. Якщо концентрація парів газу менше 5 відсотків, то для початку загоряння випарів недостатньо, а якщо понад 15 відсотків, то у навколишньому середовищі буде нестача кисню.

Переваги зрідженого газу

У щільність газу збільшується в сотні разів, що підвищує ефективність та зручність зберігання, а також транспортування та споживання енергоносія.
Зріджений природний газ - нетоксична кріогенна рідина, Зберігання якої здійснюється в теплоізольованій ємності при температурі -162°С. Великі обсяги ЗПГ можна зберігати при атмосферному тиску.
Можливість міжконтинентальних перевезень СПГ спеціальними, а також перевезення залізничним та автомобільним видами транспорту в цистернах.
Зріджений природний газ дає можливість газифікації об'єктів, віддалених від магістральних трубопроводів на великі відстані шляхом створення резерву ЗПГ безпосередньо у споживача, уникаючи будівництва дорогих трубопровідних систем.

З точки зору споживача, переваги зрідженого природного газу, виходячи з його, полягають ще й у тому, що ЗПГ є не тільки джерелом, що транспортується газопроводами, а також джерелом ШФЛУ (широка фракція легких вуглеводнів– етану, пропану, бутанів і пентанів), що входять до складу ЗПГ та виділяються з ЗПГ при регазифікації. Ці вуглеводні використовуються як нафтохімічна сировина і як джерело екологічно чистого палива для різних видів транспорту (а також у побуті). Буде відбуватися виділення фракції З 2 + або З 3 +. Можливість перевозити ШФЛУу складі зрідженого природного газу виступає не тільки на користь споживача, але також вирішує проблеми виробника з транспортування. ШФЛУіз газового родовища.

Зріджений природний газ є безпечним, екологічно чистий вид паливаз високими енергетичними характеристиками та октановим числом. Ціна ЗПГза вартістю у споживача нижче за ціну зрідженого нафтового газу, мазуту і тим більше дизельного палива.

ГАЗ. Газоподібним станомназивається такий стан речовини, в якому сили, що діють між молекулами, надзвичайно малі та розміри самих молекул мізерні порівняно з проміжками між ними. Між зіткненнями молекули газу рухаються прямолінійно, рівномірно і безладно. При нагріванні та розрідженні всі гази прагнуть граничного стану так званого ідеального, або досконалого газу.

У ідеальному газіміжмолекулярні сили дорівнюють нулю, і обсяг самих молекул нескінченно малий порівняно з обсягом міжмолекулярного простору. Стан ідеального газу є тим граничним розлученим станом речовини, якого прагнуть всі тіла природи при досить високих температурах і досить низьких тисках; в цьому і полягає особливе значення стану ідеального газу, до того ж найбільш просто піддається дослідженню і тому найповніше вивченого. Речовина, що в крайньому розрідженні заповнює міжпланетний простір, може вважатися таким, що знаходиться в стані ідеального газу.

Газовий тиск (р) обумовлюється ударами молекул газу стінки судини. Відповідно до кінетичної теорії, середня кінетична енергія молекул газу пропорційна до абсолютної температури. У кінетичній теорії показується, що ідеальний газ суворо підпорядковується наступному рівнянню стану, що зв'язує три параметри стану: v, T і р, з яких два є незалежними, а третій - їх функцією:

Це рівняння ( рівняння Клапейрона) заключає в собі у явній формі три основні закони стану ідеального газу:

1) Закон Бойля-Маріотта. При постійній температурі (Т) добуток (p∙v) для даної кількості ідеального газу є величина постійна (p∙v = Const), тобто обсяг ідеального газу (v) обернено пропорційний його тиску (р): ізотерми ідеального газу Система координат (v, р) є рівнобокими гіперболами, асимптотами яких служать осі координат.

2). При постійному (р) обсяг цієї кількості ідеального газу лінійно зростає з температурою:

(v 0 - об'єм при температурі = 0°С, - коефіцієнт розширення ідеального газу). Зміна (p) з температурою при v = Const підпорядковується такому самому закону:

(α) у рівнянні (3) - коефіцієнт тиску, чисельно рівний коефіцієнту розширення (α) у рівнянні (2) = 1/273,1 = 0,00367 - величина, яка залежить від природи газу та однакова для всіх ідеальних газів; р 0 – тиск при температурі = 0°С. Вводячи замість температури абсолютну температуру

знаходимо замість рівнянь (2) та (3):

3) Закон Авогадро. З рівняння (1) видно, що газова постійна R = p 0 ∙v 0 /273,1 пропорційна нормальному об'єму v 0 займаному даною кількістю газу за нормальних умов (р 0 = 1 Atm і t 0 = 0 ° С = 273,1 ° К), тобто назад пропорційна щільності газу за нормальних умов D 0 . За законом Авогадро, за однакових (р) і (Т) усі ідеальні гази містять у рівних обсягах (наприклад, рівних v 0) рівне число молекул. Назад: рівне число молекул (наприклад, 1 моль = 1 грамолекуле) будь-якого газу в ідеальному стані займає один і той же обсяг v 0 за нормальних умов, незалежно від природи газу (в 1 молі будь-якої речовини міститься N 0 = 6,06 ∙ 10 23 окремих молекул - число Авогадро). Знайдено з великою точністю, що нормальний молярний об'ємбудь-якого ідеального газу (V 0) м дорівнює 22,412 л/моль. Звідси можна розрахувати число молекул в 1 см 3 будь-якого ідеального газу за нормальних умов: n0 = 6,06 10 23 /10 3 22,416 = 2,705 10 19 см 3 (число Лошміта ). За допомогою рівняння (1) закон Авогадро виявляється у тому, що постійна газова R при розрахунку на 1 моль будь-якого газу буде одна і та ж, незалежно від природи газу. Т. о. R є універсальною постійною з розмірністю [ робота]/[маса][температура] і виражає роботу розширення 1 молячи ідеального газу при нагріванні його на 1°С при р = Const:

у цьому полягає фізичне значення R.

знаходимо числове значення

В інших одиницях значення R (на 1 моль) такі:

Крім розібраних трьох законів, із рівняння (1) стану ідеального газу в поєднанні з двома початками термодинаміки випливають ще такі основні закони:

4) Закон Джоуля. Одне із загальних рівнянь термодинаміки

дає разом з рівнянням (1) такі умови для внутрішньої енергії ідеального газу U:

т. е. U ідеального газу є функція тільки Т (закон Джоуля); при ізотермічному розширенні ідеального газу все тепло, що поглинається, переходить у зовнішню роботу, а при ізотермічному стисканні вся витрачається робота - в тепло, що виділяється.

5) Теплоємності ідеального газу при постійному обсязі c v і при постійному тиску з р є функціями однієї лише Т. Термодинаміка дає загальні рівняння

але ідеального газу (р) і (v) лінійно залежить від (Т), згідно із законом Гей-Люссака (4) і (5); отже, праві частини рівнянь (9) звертаються до 0 і

Теплоємності з р і c v не незалежні один від одного, але пов'язані для ідеального газу простою умовою:

що випливають із газових законів (R має розмірність теплоємності), тобто, якщо з р і c v відносити до 1 молю ідеального газу, то вони різняться між собою на 2 (точніше - на 1,986) – cal/моль∙град.

У кінетичній теорії приймається, за принципом рівномірного розподілу енергії, що на кожний ступінь свободи газової молекули припадає енергія k 0 ∙Т/2, але в 1 моль доводиться

(k 0 = –R/N 0 є постійна газова, розрахована на 1 молекулу - постійна Больцмана). Числом ступенів свободи (i) називається число незалежних один від одного видів механічної енергії, якою володіє молекула газу. Тоді енергія 1 моля

(Наближено, вважаючи R = 2, c v = i, з р = i +2).

У вченні про газ важливу роль відіграє відношення c p / c v = g; з рівнянь (11) та (12):

У найпростішому випадку одноатомного газу(молекула якого складається з 1 атома, які благородні гази та пари багатьох металів) i найменше та дорівнює 3: вся енергія молекули зводиться до кінетичної енергії її поступальних рухів, які можуть відбуватися за трьома незалежними взаємно перпендикулярними напрямками; тоді

а γ має найбільшу можливу величину: γ = 5/3 = 1,667. Для двоатомних газів(Н 2 , O 2 , N 2 , ЗІ та інші) можна вважати I = 3+2 (два обертання навколо двох взаємно перпендикулярних осей, перпендикулярних до лінії, що з'єднує обидва атоми); тоді c v = 4,96 ≈ 5, cр = 6,95 ≈ 7 і γ = 7/5 = 1,40. Для триатомного газу(Н 2 O, СО 2 , H 2 S, N 2 O)i = 3+3 (обертання навколо трьох взаємно перпендикулярних осей) і c v = 5,96 ≈ 6, cр = 7,95 ≈ 7 і γ = 4/ 3 = 1,33.

При подальшому ускладненні будови молекули, тобто зі збільшенням i, зростають c v і з р, а = 1 + 2/i і прагне до 1. Табл. 1 показує, що все сказане добре узгоджується з даними досвіду, що γ завжди >1 і ≤1,667 і може бути = 1,50 (для i = 4).

Для одноатомних газів c v і з р, відповідно до теорії, практично не змінюються з температурою (так, для Ar значення c v і з р лежать у межах від 2,98 до 3,00 між температурами = 0 ° і 1000 ° С). Зміни c v і з р з температурою знаходять пояснення теорії квант. Втім, теплоємності газів, близьких до ідеальних, майже не змінюються в широких інтервалах температури. Експериментально визначаються зазвичай з р і у, a c v обчислюється з цих даних.

Реальні гази. Усі гази, що існують насправді, – реальні гази б. або м. ухиляються від законів ідеальних газів, але тим менше, чим вища температура і чим нижчий тиск. Т. о. закони ідеальних газів є граничними для реальних газів. При звичайній температурі ухилення найменше у газів, критичні температури яких надзвичайно низькі (т.з. постійні гази: Не, Н2, N2, О2, повітря); у газів з порівняно високої критичної температури і в парів (паром називається газ при температурі менше критичної температури) ухилення бувають дуже значні. Причини ухилень реальних газів від газових законів полягають у тому, що: 1) у них діють міжмолекулярні сили; тому поверхневі молекули втягуються всередину газів силами, рівнодіюча яких, розрахована на одиницю поверхні і спрямована перпендикулярно до неї, називається молекулярним (внутрішнім) тиском; 2) не весь обсяг газу (v), а лише частина його (v-b) дає свободу для рухів молекул; частина обсягу (b), коволюм, як би зайнята самими молекулами. Якби газ був ідеальним, його тиск було б більше спостережуваного (р) на величину; тому рівняння стану реального газу напишеться як.

У цьому загальному рівнянні До та b можуть залежати від Т і v.

Ван-дер-Ваальс показав, що в найпростішому випадку К = a/v 2 , а b - величина постійна, що дорівнює об'єму самих молекул газу. Таким чином, рівняння Ван-дер-Ваальса має вигляд:

а і b, константи Ван-дер-Ваальса, як показує досвід, все ж таки залежать від T і v, і тому рівняння (15) є лише першим наближенням; воно добре передає якісну форму ізотерм реальних газів.

На фіг. 1 зображені для СО 2 теоретичної ізотерми: S-подібні частини цих ізотерм відповідають термодинамічно метастабільним станам.

На фіг. 2 зображені для 2 експериментальні ізотерми: S-подібні частини кривих замінені прямолінійними частинами; праворуч від цих частин криві відповідають газу (ненасиченій парі), зліва - рідини, а самі прямолінійні відрізки - рівновазі пари та рідини. Рівняння (15), в повній згоді з досвідом, показує, що з підвищенням температури розміри прямолінійних відрізків на ізотермах робляться все менше (фіг. 2) і, нарешті, при деякій температурі, що дорівнює критичній температурі, довжина цього відрізка звертається в 0. При температурі більшої критичної температури газ не може звертатися в рідину за жодних тисків: рідина перестає існувати. Т. о. рівняння Ван-дер-Ваальса охоплює два стани - газоподібний і рідкий - і є підставою для вчення про безперервність переходу між цими двома станами. Критичні температури для деяких газів мають наступні значення: +360°С для Н 2 Про, +31°С для СО 2 -241°С для Н 2 і -254°С для Не.

Зрідження газу. Будь-який газ можна звернути в рідину належним тиском, попередньо охолодивши його нижче критичної температури. Необхідні для зрідження 2 тиску (в Atm) при різних температурах наведені в табл. 2.

Зрозуміло, що ці тиски є тисками насиченої пари рідкої вуглекислоти і тим нижчою, ніж нижча температура.

Щоб попередньо сильно охолодити газ для зрідження, в технічних установках користуються ефектом Джоуля-Томсона, що полягає в тому, що при адіабатичному розширенні (наприклад, при різкому падінні тиску, коли газ випливає з отвору) внутрішня енергія газу зростає на U, а Т змінюється на ΔТ, причому термодинамічно

У разі ідеальних газів ΔU = 0 і ΔТ = 0 [оскільки, за рівнянням (1), T∙dv/dT – v = 0].

Для реальних газів ΔТ ≠ 0, тобто відбувається охолодження або нагрівання, зважаючи на те, чи буде T∙dv/dT – v ≠ 0 (Δp< 0). По уравнению Ван-дер-Ваальса,

(З достатнім наближенням). Т. о. при досить високих температурах, всі гази при адіабатичному розширенні нагріваються (ΔТ > 0, т. к. a/R∙T< b), но с понижением температуры для каждого газа наступает інверсійна точкаТ i , що визначається умовою

нижче за яку гази починають охолоджуватися при адіабатичному розширенні (a/R∙T> b при Т< 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.

Відповідні стани. Критичні температура Т к, тиск р к та об'єм v до м. б. виражені через константи Ван-дер-Ваальса а, b і R наступним чином:

Якщо за одиниці виміру Т, р і v прийняти відповідно критичні величини, то замість Т, р і v стан характеризуватиметься наведеними величинами:

Якщо ввести θ, π і ϕ до рівняння Ван-дер-Ваальса (15), то константи а, b і R скоротяться, і вийде наведене рівняння стану, з чисельними коефіцієнтами

зовсім не містить величин, що залежать від природи речовини. Рівняння (19) передбачає, проте, правильність рівняння Ван-дер-Ваальса, і тому ухилення від нього часто дуже значні, особливо у разі асоційованих речовин. Вчення про відповідні стани (так називаються стани, що відповідають однаковим θ, π і ϕ) дає можливість знаходити велику кількість універсальних залежностей, подібних до рівняння (19).

Застосування газів. Стислі та скраплені гази застосовуються в техніці всюди, де потрібні значні кількості газу в невеликому обсязі; так, СО 2 застосовується для газування вод, Сl 2 і фосген - у військово-хімічній справі, O 2 - для медичних цілей, стиснене повітря - для пуску двигунів внутрішнього згоряння. Особливе значення зріджені гази (СО 2 та NH 3) мають у холодильній справі, у холодильних машинах (наприклад, для отримання штучного льоду). Легкі гази (Н 2, світильний газ, останнім часом Не) застосовуються для наповнення аеростатів. Інертні гази (N 2 та благородні гази, особливо Аr) застосовуються для наповнення напівватних ламп розжарювання. Окремо варто застосування газу для освітлення або як паливо: світильний, силовий, водяний гази та інші.

Рідини можуть існувати лише за температури нижче критичної. Тому для зрідження газу його потрібно перш за все охолодити нижче критичної температури, а потім піддати стиску. Як видно з таблиці XIII такі гази, як кисень, азот, водень і особливо гелій, вимагають для зрідження дуже низьких температур.

Таблиця XIII (див. скан) Критичні температури та температури кипіння (при атмосферному тиску) для деяких газів

В одному з перших промислових методів зрідження газів (метод Лінде, 1895) використовувався ефект Джоуля – Томсона.

Схема машини Лінде представлена малюнку 6.21. Стиснутий компресором і внаслідок цього кілька нагрітий газ проходить через холодильник X, де він віддає тепло проточній воді і охолоджується до початкової температури. Потім газ проходить через змійовик до дросельного вентиля (крану) і розширюється в приймач з перепадом тиску приблизно від сотень атмосфер до однієї атмосфери. Відразу після запуску установки зниження температури недостатньо для зрідження газу. Злегка охолоджений газ спрямовується знову в компресор через змійовик Обидва змійовики розташовані в тісному тепловому контакті (зазвичай один змійовик вставлений в інший) в теплообміннику протиточному У теплообміннику газ, що йде до компресора і має більш низьку температуру, охолоджує зустрічний потік газу. Очевидно, у другому циклі газ підійде до вентиля А з нижчою температурою, ніж

це було при першому його проходженні, а після дроселювання температура ще більше знизиться. З кожним циклом в результаті дроселювання та дії теплообмінника температура газу буде все більше знижуватися і врешті-решт знизиться настільки, що частина газу після розширення перетворюється на рідину і накопичується в приймачі, звідки рідина може бути злита в посудину Дьюара через кран

Описаний принцип протиточного теплообміну використовується у всіх машинах для зрідження газів, хоча конструкція такого роду теплообмінників може бути надзвичайно різноманітною.

Інший промисловий метод зрідження газів (метод Клода, 1902) заснований на додатковому охолодженні газу при виконанні ним роботи. Стиснутий газ після вентиля (рис. 6.21) направляється в поршневу машину (детандер), де він, розширюючись, виконує роботу з переміщення поршня за рахунок кінетичної енергії молекул (на малюнку детандер не зображено). В результаті ефект зниження температури газу стає більш значним, ніж у машині Лінде. Цей метод удосконалив радянський вчений П. Л. Капіца (1934 р.), який замість поршневого детандера застосував невелику турбіну (турбодетандер), що приводиться в обертання газом, що охолоджується (ротор детандера невеликих розмірів, і вага його вимірюється всього сотнями грамів).

В даний час для зрідження газів у більшості випадків використовують машини з розширенням у детандерах. При зрідженні гелію для попереднього охолодження в машинах із турбодетандерами використовують не водень, а азот, що значно підвищує продуктивність та економічну ефективність пристрою. Крім того, за однакової продуктивності машини з турбодетандерами в кілька разів менше машин, що працюють за схемою Лінде.

Інструкція

На вигляд скраплений природний газ(СПГ) - це безбарвна рідина без запаху, що на 75-90% перебуває і має дуже важливі властивості: в рідкому стані він не горючий, не і не агресивний, що вкрай важливо при транспортуванні. Процес зрідження ЗПГ має характер, де кожен новий ступінь означає стиск в 5-12 разів, після чого слідує охолодження і перехід на наступний ступінь. ЗПГ стає рідким після завершення останньої стадії стиснення.

Якщо ж газ необхідно транспортувати на великі відстані, то набагато вигідніше використовувати спеціальні судна – танкери-газовози. Від місця газу до найближчого місця на морському узбережжі протягують трубопровід, а на березі будують термінал. Там газ сильно стискають і охолоджують, переводячи в рідкий стан і закачують в ізотермічні ємності танкерів (при температурах порядку -150оС).

Цей спосіб транспортування має ряд переваг перед трубопровідним. По-перше, один подібний за один рейс може перевезти величезну кількість газу, адже щільність речовини, яка перебуває в рідкому стані, набагато вища. По-друге, основні витрати припадають не так на транспортування, але в навантаження-розвантаження продукту. По-третє, зберігання та перевезення зрідженого газу набагато безпечніше, ніж стиснутого. Можна не сумніватися, що частка природного газу, що транспортується у зрідженому вигляді, неухильно зростатиме в порівнянні з газопровідними постачаннями.

Зріджений природний газзатребуваний у різних галузях діяльності людини - у промисловості, в автомобільному транспорті, в медицині, у сільському господарстві, у науці та ін. газВи завоювали за рахунок зручності їх використання та транспортування, а також екологічної чистоти та невисокої вартості.

Інструкція

Перед зрідженням вуглеводневого газа його необхідно попередньо очистити та видалити водяну пару. Вуглекислий газвидаляють, використовуючи систему триступеневих молекулярних фільтрів. Очищений таким чином газу невеликих кількостях використовується як регенераційний. Відновлюваний газабо спалюється, або застосовується для одержання в генераторах потужності.

Просушування відбувається за допомогою 3 молекулярних фільтрів. Один фільтр поглинає водяну пару. Інший сушить газщо далі і проходить через третій фільтр. Для зниження температури газпропускається через водяний охолоджувач.

Азотний спосіб передбачає виробництво зрідженого вуглеводневого газа з будь-яких газових джерел. До переваг цього методу можна віднести простоту технології, рівень безпеки, гнучкість, легкість та маловитратність експлуатації. Обмеження цього методу – необхідність джерела електроенергії та високих капітальних витрат.

При змішаному способі виробництва зрідженого газа як холодоагент використовують суміш азоту і . Отримують газтакож із будь-яких джерел. Цей метод відрізняється гнучкістю виробничого циклу та невеликими змінними витратами на виробництво. Якщо порівнювати з азотним способом зрідження, тут капітальні витрати істотніші. Також необхідне джерело електроенергії.

Джерела:

Що таке зрідження газів?
Зріджений газ: отримання, зберігання та транспортування
що таке скраплений газ

Природний газ видобувається з надр Землі. Ця корисна копалина складається із суміші газоподібних вуглеводнів, яка утворюється в результаті розкладання органічних речовин в осадових породах земної кори.

Які речовини входять до складу природного газу

На 80-98% природний газ складається (СН4). Саме фізико-хімічні властивості метану визначають характеристики газу. Поряд із метаном у складі природного газу присутні сполуки такого ж структурного типу – етан (C2H6), пропан (C3H8) та бутан (C4H10). У деяких випадках у невеликих кількостях, від 0,5 до 1%, у природному газі виявляються: (С5Н12), (С6Н14), гептан (С7Н16), (С8Н18) та нонан (С9Н20).

Також природний газ включає сполуки сірководню (H2S), вуглекислого газу (CO2), азот (N2), гелій (He), водяні пари. Склад газу залежить від показників родовищ, де він видобувається. Природний газ, що видобувається в чисто газових родовищах, складається з метану.

Характеристики складових природного газу

Всі хімічні сполуки, що входять до складу природного газу, мають ряд властивостей, корисних у різних сферах промисловості та у побуті.

Метан – горючий газ без кольору та запаху, він легший за повітря. Використовується в промисловості та побуті як паливо. Етан – горючий газ без кольору та запаху, він трохи важчий за повітря. В основному, отримують етилен. Пропан – отруйний газ без кольору та запаху. Йому за властивостями близький бутан. Пропан використовується, наприклад, при зварювальних роботах, при переробці металобрухту. Зрідженим та бутаном заправляють запальнички та газові балони. Бутан використовують у холодильних установках.

Пентан, гексан, гептан, октан та нонан – . Пентан у невеликих кількостях входить до складу моторного палива. Гексан також використовується при екстрагуванні рослинних олій. Гептан, гексан, октан та нонан є хорошими органічними розчинниками.

Сірководень – отруйний безбарвний важкий газ, тухлих яєць. Цей газ навіть у невеликій концентрації викликає параліч нюхового нерва. Але через те, що сірководень має хороші антисептичні властивості, його в малих дозах застосовують у медицині для сірководневих ванн.

Вуглекислий газ – негорючий безбарвний газ без запаху із кислим смаком. Вуглекислий газ використовують у харчовій промисловості: у виробництві газованих напоїв для насичення їх вуглекислотою, для заморожування продуктів, для охолодження вантажів під час транспортування тощо.

Азот – нешкідливий безбарвний газ, без смаку та запаху. Застосовують його у виробництві мінеральних добрив, використовують у медицині тощо.

Гелій – один із найлегших газів. Він не має кольору та запаху, не горить, не токсичний. Гелій використовують у різних галузях промисловості – для охолодження атомних реакторів, наповнення стратостатів.

Досвідчений факт охолодження речовини при випаровуванні відомий здавна і навіть практично використовувався (наприклад, застосування пористих судин для збереження свіжості води). Але перше наукове дослідження цього питання зробив Джан Франческо Чинья і описав у роботі 1760 «De frigore ex evaporationе» («Про холод внаслідок випаровування»).

Чинья довів, що чим швидше відбувається випаровування, тим інтенсивніше остигання, а Меран показав, що якщо дмухати на вологу кульку термометра, зниження температури виявиться більше, ніж при такому ж досвіді з сухою кулькою термометра. Антуан Боме (1728-1804) виявив, що при випаровуванні сірчаного ефіру охолодження відбувається сильніше, ніж при випаровуванні води. Ґрунтуючись на цих фактах, Тіберіо Кавалло створив у 1800 р. холодильну машину, а Волластон побудував у 1810 р. свій відомий кріофор, який застосовується і в наш час. На основі цього приладу у 1820 р. було створено гігрометр Даніеля. Холодильна машина стала практично застосовною лише після 1859, тобто після того, як Фернан Карре (1824 - 1894) опублікував свій метод отримання льоду за допомогою випаровування ефіру, згодом заміненого аміаком. У 1871 р. Карл Лінде (1842-1934) описав створену ним холодильну машину, в якій охолодження досягається за рахунок розширення газу. У 1896 р. він скомбінував цю машину з протиточним теплообмінником, що описується в курсах фізики, і це дозволило йому отримати рідкий водень. Досягнуті на той час фізиками експериментальні результати почали впроваджуватися у промисловість.

Проблема зрідження газів має вікову історію, яка бере свій початок у другій половині XVIII століття. Почалося все зі зрідження аміаку простим охолодженням, яке зробив ван Марум, сірчаного ангідриду - Монж і Клуе, хлору - Нортмор (1805) і зрідження аміаку компресійним методом, запропонованим Баччеллі (1812).

Визначальний внесок у вирішення цієї проблеми одночасно і незалежно зробили Шарль Каньяр де Латур (1777-1859) та Майкл Фарадей (1791-1867).

У серії робіт, опублікованих у 1822 і 1823 рр., Каньяр де Латур описав досліди, проведені ним визначення існування для рідини (як це відчувається інтуїтивно) деякого граничного розширення, далі якого незалежно від прикладеного тиску вся вона перетворюється на пароподібний стан. З цією метою де Латур поклав у котел, заповнений на одну третину спиртом, кам'яну кулю і почав поступово розігрівати котел. По шуму, що виробляється кулею, що повертався всередині котла, де Латур дійшов висновку, що за певної температури весь спирт випарувався. Досліди повторювалися з невеликими трубками; з трубок видалялося повітря, потім вони заповнювалися на 2/5 досліджуваної рідиною (спирт, ефір, бензин) і нагрівалися в полум'ї. У міру підвищення температури рідина ставала все більш рухливою, а межа розділу рідини і пари все більш нечіткою, поки при певній температурі зовсім не зникала і вся рідина здавалася перетворилася на пару. З'єднавши ці трубки з манометром зі стисненим повітрям, Каньяр де Латур зумів виміряти тиск, що встановлюється в трубці в момент, коли зникає межа розділу між рідиною та парою, і відповідну температуру. Всупереч існуючому уявленню Каньяр де Латур не тільки не визначив у цих дослідах критичну температуру для води, йому не вдалося навіть повністю випарувати воду, тому що трубки завжди лопалися раніше, ніж досягався бажаний ефект.

Більш конкретний результат містили досліди Фарадея, проведені 1823 р. із загнутими скляними трубками, довше плече, яких було запаяно. У це плече Фарадей поміщав речовину, яка при нагріванні повинна була давати досліджуваний газ, потім закривав друге, коротке плече трубки і занурював трубку в суміш, що охолоджує. Якщо, проробивши це, нагрівати речовину в довгому плечі трубки, то утворюється газ, тиск якого поступово збільшується, причому у багатьох випадках у короткій трубці Фарадея відбувалося зрідження газу. Так, нагріваючи бікарбонат натрію, Фарадей отримав рідку вуглекислоту; таким же способом він отримував рідкий сірководень, хлористий водень, сірчаний ангідрид та ін.

Досліди де Латура і Фарадея показали, що можна досягти зрідження газу, піддаючи його високому тиску. У цьому напрямі почали працювати багато фізиків, зокрема Йоган Наттерер (1821—1901). Однак деякі гази (водень, кисень, азот) зріджувати таким шляхом не вдавалося. У 1850 р. Вертело піддав кисень тиску в 780 атм, але зміг домогтися зрідження. Це змусило Вертело приєднатися до думки Фарадея, який, впевнений, що рано чи пізно вдасться отримати твердий водень, вважав, що одного тиску недостатньо для зрідження деяких газів, прозваних тоді перманентними або невгамовними.

У тому ж 1845 р., коли Фарадей висловив це міркування, Реньо, помітивши, що при низькій температурі вуглекислий газ має аномальну стисливість, а при наближенні до 100 ° С починає слідувати закону Бой-ля, висунув припущення, що для кожного газу існує якась область температур, де він підпорядковується закону Бойля. У 1860 р. цю ідею Реньо розвинув і модифікував Дмитро Іванович Менделєєв (1834-1907), згідно з яким для всіх рідин повинна існувати «абсолютна температура кипіння», вище за яку вона може існувати лише в газоподібному стані, яким би не був тиск.

Дослідження цього питання було відновлено 1863 р. у новій формі Томасом Ендрюсом (1813—1885). У 1863 р. Ендрюс ввів у капілярну трубку вуглекислий газ, замкнувши обсяг газу стовпчиком ртуті. За допомогою гвинта він довільно встановлював тиск, під яким був газ, одночасно змінюючи температуру. Добившись за допомогою лише збільшення тиску часткового зрідження газу і потім повільно нагріваючи трубку, Ендрюс спостерігав ті ж явища, які за 30 років до нього досліджував Каньяр де Латур. Коли температура вуглекислоти досягала 30,92° С, межа поділу між рідиною і газом зникала і ніяким тиском не можна було отримати назад рідку вуглекислоту. У своїй ґрунтовній роботі 1869 р. Ендрюс запропонував назвати температуру 30,92 ° С «критичною точкою» для вуглекислоти. Таким самим методом він визначив критичні точки для хлористого водню, аміаку, сірчаного ефіру, окису азоту. Термін «пар» він запропонував зберегти для газоподібних речовин, що знаходяться при температурі нижче критичної точки, а термін «газ» застосовувати до речовин, що знаходяться при температурі вище критичної точки. Підтвердженням цієї точки зору Ендрюса були згадані вже досліди Наттерера, проведені ним з 1844 по 1855 р., в яких перманентні гази піддавалися тиску до 2790 атм, так і не зріджуючись, і численні аналогічні досліди, початі в187. 1915), у яких досягався тиск до 3000 атм.

Всі ці негативні результати дослідів підтверджували гіпотезу Ендрюса про те, що перманентні гази — це речовини, для яких критична температура нижча за досягнуті в той момент значення, так що їх зрідження можна було б здійснити за допомогою попереднього глибокого охолодження, можливо з подальшим стисненням. Ця гіпотеза була блискуче підтверджена в 1877 р. Луї Кальете (1832-1913) і Раулем Пікте (1846-1929), яким незалежно один від одного вдалося після попереднього сильного охолодження досягти зрідження кисню, водню, азоту, повітря. Роботи Кальете та Пікте були продовжені іншими фізиками, але лише поява холодильної машини Лінде, про яку ми вже згадували, зробила методи зрідження практично доступними, дозволивши отримувати зріджені гази у великих кількостях і широко застосовувати їх при наукових дослідженнях та промисловості.

ПІДДІЛЬНА ТЕПЛОЄМНІСТЬ ГАЗІВ

Методи визначення питомої теплоємності важко було застосувати до газоподібних речовин внаслідок малої частки газів і парів. Тому на початку XIX століття Паризька Академія наук оголосила конкурс на найкращий метод виміру питомої теплоємності газу. Премію було присуджено Франсуа Деларошу (? — 1813?) та Жаку Берару (1789—1869), які запропонували помістити в калориметр змійовик, яким за відомої температури проходив би газ при фіксованому тиску. Цей метод мало був новим; він був запропонований ще за 20 років до того Лавуазьє. Як би там не було, результати, отримані Деларош і Берар, наводилися в курсах фізики протягом півстоліття. Заслуга цих вчених насамперед у тому, що було привернуто увагу до необхідності розрізняти питомі теплоємності при постійному тиску та постійному обсязі. Остання величина дуже важко піддається виміру через малу величину теплоємності газу в порівнянні з теплоємністю резервуара, що містить його.

Але за кілька років до появи робіт Делароша і Берара почалося дослідження цікавого явища, відзначеного Еразмом Дарвіном (1731-1802) у 1788 р., а потім у 1802 р. Дальтоном і полягає в тому, що стиск повітря викликає його розігрів, а розширення наводить до охолодження. Початком дослідження цього явища зазвичай вважають досвід Гей-Люссака (1807 р.), повторений Джоулем в 1845 р. Гей-Люссак з'єднав трубкою два балони, подібно до того як це робив Геріке; один із балонів був наповнений повітрям, а другий порожній; з наповненого балона повітря могло вільно перетікати в порожній. В результаті було встановлено зниження температури першого балона та підвищення температури другого. Така теплова поведінка повітря змушувала вважати, що питома теплоємність при постійному тиску повинна бути більшою, ніж при постійному обсязі, якої б теорії природи тепла ми не дотримувалися. Дійсно, якщо, розширюючись, газ охолоджується, то, дозволяючи йому при нагріванні розширюватися, необхідно повідомити додаткове тепло, щоб компенсувати супутнє розширення охолодження.

Виходячи з цих експериментальних фактів, Лаплас в 1816 р. прийшов до геніальної ідеї про те, що відома невідповідність між значенням швидкості звуку, що виходить з досвіду, і його теоретичним значенням, що виходить із закону Ньютона, можна пояснити зміною температури, яку відчувають шари повітря при чергуються стискання і розрідження. На основі цих теоретичних передумов Лаплас виправив формулу Ньютона, ввівши в неї коефіцієнт, що дорівнює відношенню питомих теплоємностей при постійному тиску і постійному обсязі для повітря. Зіставлення експериментального значення швидкості звуку в повітрі та теоретичного значення, що виходить за формулою Ньютона, дозволило знайти відношення питомих теплоємностей. Таким непрямим шляхом фізикам вдалося отримати перші дані про значення цього відношення і тим самим, оскільки значення питомої теплоємності при постійному тиску було відомо, оцінити питому теплоємність повітря при постійному обсязі. Декількома роками пізніше (1819 р.) Нікола Клеману (1779-1841) і Шарлю Дезорму (1777-?) вдалося в дослідах з розширення газів, що багаторазово повторюються іншими вченими аж до наших днів і увійшли до всіх підручників з фізики, безпосередньо визначити ставлення теплоємностей , що у межах експериментальних помилок збіглося зі знайденим Лапласом.

У 1829 р. у результаті тонких і копітких досліджень Дюлонг визначив відношення теплоємностей для різних газів, навіщо викликав звук у трубці з допомогою потоків різних газів. Ці експерименти змусили його зробити висновок, що в газах і парах за рівних умов (обсяг, тиск, температура) утворюється при однаковому відносному стисканні або розширенні однакова кількість теплоти.

Зауважимо, що метод Дюлонга був суттєво покращений у 1866 р. Кундтом (1839—1894), який запровадив спеціальну трубку (ця трубка називається тепер трубкою Кундта). Метод Кундта досі вважається одним із найкращих методів визначення відношення питомих теплоємностей.

Упорядник Савельєва Ф.М.