Сжижение газов, использование в технике

МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ МОСКОВСКОЙ

ОБЛАСТИ

Государственное бюджетное образовательное учреждение

среднего профессионального образования

Московской области

«Орехово-Зуевский медицинский колледж»

РЕФЕРАТ

по дисциплине:

ФИЗИКА

тема

«Сжижение газов, использование в технике»

Введение

Мировое энергообеспечение осуществляется практически полностью за счет сжигания первичных ископаемых топлив: угля, нефти, природного газа, а также их вторичных производных: кокса, искусственных газов и широкого ассортимента нефтепродуктов. На сегодняшний день сжиженный газ считается одним из чистейших видов топлива, удовлетворяющий широкий и все более возрастающий круг потребителей. 

Приняв во внимание повышенный интерес к сжиженному газу, а также его громадное значение в мировом энергообеспечении.

В последние годы отношение к пропану и бутану - главным компонентам сжиженного газа - претерпело существенных изменений. Давно уже миновали те времена, когда переработчики нефти вынуждены были сжигать сжиженный газ и когда добытчики природного газа, не имея возможности передать свой конденсат для последующей нефтехимической переработки, были вынуждены сжигать его на факелах. Сейчас во всем мире сжиженный газ производят и используют как высококачественное бытовое и промышленное топливо, что является следствием основных его преимуществ. А именно: возможность существования сжиженного газа при температуре окружающей среды и умеренных давлениях как в жидком, так и газообразном состоянии. В жидком виде эти газы легко перерабатываются, хранятся, транспортируются, а в газообразном - имеют лучшую, чем природный и искусственные газы, характеристику сгорания при отсутствии вредных примесей.

Немаловажную роль в изменении отношения к сжиженному газу сыграл ряд тенденций, имеющих большое значение. Наиболее важные из них - это неизбежность сокращения запасов и добычи природного газа; быстрый рост потребности в чистых видах топлива, обусловленный введением мер по защите окружающей среды от вредных выбросов; прогресс в развитии техники и технологии транспортировки сжиженного газа. Следовательно, любое чистое топливо, подобное сжиженному газу, которое хотя бы незначительно способно  увеличить местные запасы энергоносителей, и транспортировка которого дешевле транспортировки природного газа, должно занять соответствующее место в общем ряду мировых энергетических ресурсов. 

Краткие исторические и физические сведения.

Установки для сжижения газов.

Сжижение газов -  переход вещества из газообразного состояния в жидкое. Оно достигается охлаждением их ниже критической температуры (Т_к) и последующей конденсацией в результате отвода теплоты парообразования (конденсации).

Охлаждение газа ниже Т_К необходимо для достижения области температур, при которых газ может сконденсироваться в жидкость (при Т > Т_К жидкость существовать не может). Впервые газ (аммиак) был сжижен в 1792 (голландский физик М. ван Марум). Хлор был получен в жидком состоянии в 1823 (М.Фарадей), кислород — в 1877 (швейцарский учёный Р. Пикте и французский учёный Л. П. Кальете), азот и окись углерода — в 1883 (З. Ф. Вроблевский и К.Ольшевский) водород — в 1898 (Дж.  Дьюар), гелий — в 1908 (Х. Камерлинг-Оннес).

Изобара 1—2 соответствует охлаждению газа до начала конденсации,

изотерма 2—0 — конденсации газа.

Площадь ниже 1—2—0 эквивалентна количеству теплоты, которое необходимо отвести от газа при его сжижении, а площадь внутри контура 1—2—0—3 (1—3 — изотермическое сжатие газа,

 3—0 — адиабатическое его расширение) характеризует термодинамически минимальную работу L_min, необходимую для сжижения газа.

L_min = T₀(S_Г — S_Ж) — (J_Г - J_Ж),

где T₀ — температура окружающей среды; S_Г, S_Ж — энтропии газа и жидкости; J_Г, J_Ж — теплосодержания (энтальпии) газа и жидкости.

Значения L_min и действительно затрачиваемой работы L_Д для сжижения ряда газов даны в таблице.

Промышленное сжижение газа с критической температурой Т_К выше температуры окружающей среды (например, аммиак, хлор) осуществляется с помощью компрессора, где газ сжимается, и последующей конденсацией газа в теплообменниках, охлаждаемых водой или холодильным рассолом. Сжижения газа с Т_К, которая значительно ниже температуры окружающей среды, производится методами глубокого охлаждения. Наиболее часто для сжижения газа. с низким Т_К применяются холодильные циклы, основанные на дросселировании сжатого газа (использование эффекта Джоуля — Томсона), на расширении сжатого газа с производством внешней работы в детандере, на расширении газа из постоянного объёма без совершения внешней работы (метод теплового насоса). В лабораторной практике иногда используется каскадный метод охлаждения (сжижения).

Графическое изображение и схема дроссельного цикла сжижения газа дана на рис:

 После сжатия в компрессоре (1—2) газ последовательно охлаждается в теплообменниках (2—3—4) и затем расширяется (дросселируется) в вентиле (4—5). При этом часть газа сжижается и скапливается в сборнике, а несжижившийся газ направляется в теплообменники и охлаждает свежие порции сжатого газа. Для сжижения газа по циклу с дросселированием необходимо, чтобы температура сжатого газа перед входом в основной теплообменник T3 была ниже температуры инверсионной точки. Для этого и служит теплообменник с посторонним холодильным агентом T2. Если температура инверсионной точки газа лежит выше комнатной (азот, аргон, кислород), то схема принципиально работоспособна и без теплообменников T1 и T2. Применение посторонних хладагентов в этих случаях имеет целью повышение выхода жидкости. Если же температура инверсионной точки газа ниже комнатной, то теплообменник с посторонним хладагентом обязателен. Например, при сжижении водорода методом дросселирования в качестве постороннего хладагента используется жидкий азот, при сжижении гелия — жидкий водород.

Для сжижения газа в промышленных масштабах чаще всего применяются циклы с детандерами , т. к. расширение газов с производством внешней работы — наиболее эффективный метод охлаждения.

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

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

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

Детандер (от франц. détendre - ослаблять), машина для охлаждения газа путём его расширения с отдачей внешней работы. Детандер относится к классу расширительных машин, но применяется главным образом не с целью совершения внешней работы, а для получения холода. Расширение газа в детандере - наиболее эффективный способ его охлаждения. Детандер используется в установках для сжижения газов и разделения газовых смесей методом глубокого охлаждения, в криогенных рефрижераторах, в установках, имитирующих высотные и космические условия, в некоторых системах кондиционирования воздуха и т.д.

Поршневые детандеры - машины объёмного периодического действия, в которых потенциальная энергия сжатого газа преобразуется во внешнюю работу при расширении отдельных порций газа, перемещающих поршень. Они выполняются вертикальными и горизонтальными, одно- и многорядными. Торможение поршневых  детандеров осуществляется электрогенератором и реже компрессором.

Применяются в основном в установках с холодильными циклами высокого 15-20 Мн/м² (150-200 кгс/см²) и среднего 2-8 Мн/м² (20-80 кгс/см²) давлений для объёмных расходов газа при температуре и давлении на входе в машину (физических расходов) 0,2-20 м³/ч.

Турбодетандеры - лопаточные машины непрерывного действия, в которых поток проходит через неподвижные направляющие каналы (сопла), преобразующие часть потенциальной энергии газа в кинетическую, и систему вращающихся лопаточных каналов ротора, где энергия потока преобразуется в механическую работу, в результате чего происходит охлаждение газа.

Они делятся по направлению движения потока на центростремительные, центробежные и осевые; по степени расширения газа в соплах - на активные и реактивные; по числу ступеней расширения - на одно- и многоступенчатые. Наиболее распространён реактивный одноступенчатый центростремительный детандер разработанный П. Л. Капицей. Торможение турбинных детандеров осуществляется электрогенератором, гидротормозом, нагнетателем, насосом.

 Турбодетандеры применяются главным образом в установках с холодильным циклом низкого давления 0,4-0,8 Мн/м² (4-8 кгс/см²) для объёмных (физических) расходов газа 40-4000 м³/ч. Созданы турбодетандеры для холодильных циклов низкого, среднего и высокого давлений с объёмными расходами газа 1,5-40 м³/ч. Эти машины характеризуются малыми размерами (диаметр рабочего колеса 10-40 мм) и высокой частотой вращения ротора (100000-500000 об/мин).

Сжижение газа методами Линде и Клода.

В исторически первой машине для сжижения газов (воздуха) в технических масштабах (Линде и Гэмпсон, 1895 г.) для охлаждения газов ниже критической температуры и последующего сжижения использовался метод дросселирования. В настоящее время для этой цели применяются главным образом машины с расширением в де­тандерах. Но мы все же приведем здесь схему машины Линде, поскольку в ней наряду с использованием эффекта Джоуля—Том­сона был применен важный конструктивный принцип противоточного теплообмена, в той или иной форме и теперь применяемый во всех ожижительных машинах.

Воздух поступает в компрессор К, в котором он сжимается до 200 атм. После этого он проходит через змеевик, охлаждаемый про­точной водой, где он отдает тепло, выделившееся при сжатии. Таким образом, в дальнейший путь к сжижению идет сжатый газ с температурой такой же, как и до сжатия. Этот газ проходит затем через змеевик аb к дроссельному вентилю (крану) V₁ и расширяется через него в приемник f до давления в 1 атм. При этом расширении газ несколько охлаждается, но, конечно, не настолько, чтобы пре­вратиться в жидкость.

Охлажденный, но не сжижавшийся газ возвращается затем обратно через змеевик cd. Оба змеевика, cd и ab, расположены друг относительно друга так, что между ними, а также между порциями газа, проходящими по ним, существует тепловой кон­такт. Благодаря этому испытавший расширение и охлаждение газ охлаждает идущую ему навстречу порцию сжатого газа, которой еще предстоит расшириться через вентиль V₁ . В этом и заключается метод противоточного обмена теплом. Ясно, что вторая порция

газа подойдет к расширительному вентилю V₁,имея более низкую температуру, чем первая, а после дросселирования она еще более понизится. Проходя в свою очередь через теплообменник, этот уже дважды охлажденный газ снова поглотит тепло от новой встреч­ной порции сжатого газа, и т. д. Таким образом, к вентилю будет подходить все более холодный газ. Через некоторое время после начала работы машины постепенное охлаж­дение газа холодными встречными потоками приведет к тому, что газ при очередном дрос­селировании начнет частично сжижаться и накапливаться в приемнике f, откуда он может быть слит через кран V₁ в сосуд Дьюара.

При установившемся процессе работы ма­шины в разных ее местах наблюдаются при­близительно такие температуры: у входа в змеевик аb температура 293 К (комнатная); на выходе из этого змеевика 170 К; после дросселирования 80 К, у входа в змеевик сd в точке с  80 К; на выходе из него — ком­натная температура. Давление перед венти­лем 200 атм., после дросселирования  1 атм. Устройство, включающее оба змеевика аb и сd, в котором происходит охлаждение газа встречным потоком охлажденного газа, назы­вается теплообменником. В машине Линде теплообменник осуществляется в виде встав­ленных одна в другую трубок, которым вместе придавалась форма змеевика. Газ высокого давления поступает по внутренней трубке (рис. 5). Встречный поток охлажденного газа низкого давления проходит по внешней трубке, омывая внутреннюю и охлаждая, таким образом, газ в ней. Описанный принцип противотока применяется во всех холодильных машинах, хотя конструкции теплообменников подверглись значительным измене­ниям. В современных установках они обеспечивают лучший тепло­обмен и, кроме того, делают возможной очистку сжижаемого газа от примесей. На наших схемах мы будем изображать теплообменники распо­ложенными рядом змеевиками, причем жирными линиями показы­ваются трубки, по которым проходит газ под высоким давлением, тонкими —трубки, в которых проходит газ низкого давления.

Гелий, сжатый компрессором до давления 30 атм., поступает в машину двумя потоками по двум трубам, соединяющимся вместе в точке 0. Обе эти трубы являются частями двух теплообменников — I и II. В теплообменнике I гелий охлаждается встречным потоком газообразного гелия, испаряющегося из приемника I и прошедшего уже через теплообменник IV. В теплообменнике II вторая часть сжатого газа охлаждается встречным потоком газообразного водо­рода, испаряющегося из ванны с жидким водородом H.

Соединившись в точке О, оба потока вместе поступают в зме­евик III, проходящий через жидководородную ванну H, и при­нимают ее температуру (14,5 К). Пройдя через эту ванну, гелий попадает в теплообменник IV, где он дополнительно охлаждается испаряющимся из приемника гелием до температуры 5,8 К. При

такой температуре гелий подвергается дросселированию через вен­тиль V и сжижается.

Весь аппарат помещается в вакуумный чехол, обеспечивающий надежную тепловую, изоляцию.

Приведенные выше цифры для температур в разных частях уста­новки относятся, конечно, к установившемуся режиму  работы. Во время разгона машины температура гелия перед дросселиро­ванием выше, чем 5,8 К (по, конечно, не выше 14,5 К), так как в это время в приемнике еще пет жидкого гелия. Машина обладает производительностью около 10 литров жидкого гелия в час, что является сравнительно высокой цифрой.

Метод Клода 

Применение детандеров, в которых газ охлаждается при адиа­батном расширении с совершением внешней работы, повышает, как мы уже видели, эффективность ожижительных машин. В ма­шинах для сжижения гелия использование расширении в детандерах позволяет, кроме того, отказаться от предварительного охлаж­дения газа жидким водо­родом — веществом, легко воспламеняющимся и взры­воопасным. Обе эти при­чины привели к широкому использованию детандерных машин.

Впервые такая машина была построена Клодом (1902 г.) для сжижения воз­духа. Схема машины пред­ставлена на рис. 7.

Газ подвергается изо­термическому сжатию в компрессоре К, откуда он поступает в теплообмен­ник Е₁. Здесь он разделяет­ся на два потока (в точке О). Первый идет через тепло­обменник Е₂ к дроссельному вентилю и подвергается дросселирова­нию с охлаждением за счет эффекта Джоуля — Томсона; второй поток (на его долю приходится 80% газа) поступает в детандер, расширяется в нем, совершая работу, и за этот счет охлаждается.

Из детандера охлажденный газ возвращается в теплообмен­ник Е₁ и охлаждая встречную очередную порцию сжатого газа. К нему в точке О" присоединяется и тот газ, кото­рый охладился в результате дросселирования. До этого он, проходя через теплообменник Е₂, тоже охлаждал встречный газо­вый поток. Из приведенного краткого описания видно, что охлаждение в детандере используется для предварительного охлаждения перед

дросселированием. В первой машине Клода детандер представлял собой поршне­вую машину. Работу, которую в ней совершает сжатый газ, можно использовать для облегчения работы компрессора, для принуди­тельной смазки машины и т. д.

Условия, характерные для машины Клода (ожижающей воз­дух), примерно таковы: давление на выходе из компрессора 40 атм, температура на входе в детандер (т. е. после охлаждения в тепло­обменнике Е₁) 200 К; температура после расширения в детандере 110 К при давлении в 1 атм.

Существует много различных по конструкции машин типа Клода для сжижения воздуха. Одной из самых интересных является ма­шина П. Л. Капицы, в которой поршневой детандер заменен турби­ной (турбодетандер). Другой особенностью этой машины является низкое давление, под которым газ поступает в детандер. Оно равно лишь 6,5 атм. Зато в этой машине почти весь газ (а не 80%, как в машине Клода) проходит через детандер. В результате расшире­ния в турбодетандере газ охлаждается до 86 К и сжижает ту часть газа, которая миновала детандер. Получившаяся жидкость находит­ся под повышенным давлением и дросселируется через соответствую­щий вентиль к более низкому давлению.

Расширение в детандерах (исключительно поршневых) исполь­зуется также в машинах для сжижения водорода и гелия. Первая детандерная машина для сжижения гелия также была построена П. Л. Капицей (1934 г.). Она была рассчитана на предварительное охлаждение гелия не жидким водородом, а жидким азотом. Недостающее охлаждение создавалось расши­рением в детандере. Самое ожижение газа производилось дроссе­лированием.

При использовании детандеров в гелиевых ожижительных машинах возникает острая проблема смазки, так как при тех низ­ких температурах, которые создаются в таких машинах, все смазоч­ные средства твердеют. В детандере П. Л. Капицы смазкой служит сам гелий, для которого между поршнем и цилиндром оставлялся зазор около 0,05 мм. Впоследствии Коллинз (1947 г.) построил детандерную машину для сжижения гелия, усовершенствовав де­тандер П. Л. Капицы (зазор в детандере Коллинза не превышает 10 микрон). Машина Коллинза снабжена двухступенчатым детандером и может работать без предварительного охлаждения гелия. Производительность- машины сравнительно велика —до 10 литров в час, а с предварительным охлаждением жидким азотом —до 30 литров в час.

Производство.

Сегодня  на сжиженном газе работает большое количество автотранспорта; сжиженный газ широко используется в промышленности, в быту.

Впечатляет спрос на    сжиженный газ в мире: так, например, в 2001 году объемы мирового потребления сжиженного газа  составили 200 млн. тонн, что составляет 10% совокупного потребления газоподобных углеводородов.   Основными потребителями сжиженного газа являются Южная и Северная Америка, Западная Европа, Азиатско-Тихоокеанский регион. 

Что же такое сжиженный газ? Какие сферы его применения?

К сжиженным  углеводородным газам  относятся такие углеводороды, которые при нормальных условиях находятся в газообразном состоянии, а при относительно небольшом повышении давления  (без снижения температуры) переходят в жидкое состояние. При снижении давления эти углеводородные жидкости испаряются и переходят в паровую фазу. Это позволяет перевозить и хранить сжиженные углеводороды с удобствами характерными для жидкостей и контролировать , регулировать и сжигать с удобствами для природных и других горючих газов. 

Особенности углеводородов

Для  безопасности при использовании  сжиженных углеводородных газов, а также правильного обращения с этим топливом необходимо учитывать   следующие основные особенностигазообразных углеводородов, входящих в состав сжиженных газов.

1. При небольшом давлении они легко переходять в жидкое состояние, потому их хранят, транспортируют, распределяют и используют под давленим собственных паров. Давление этихпаров является функцией температуры окружающей среды.
2. В газообразном состоянии они значительно тяжелее воздуха; их относительная плотность по отношении к воздуху находится в пределах 1,5 – 2,1, что должно предопределить многие приемы безопасной эксплуатации  систем газоснабжения с помощью сжиженных газов. Плотность сжиженных газов по отношению к воде составляет 0,51-0,58 г/см³  т.е. они почти в 2 раза легче воды.
3. Вязкость очень мала, что облегчает транспортировку, но благоприятствует утечкам (чему в свою очередь, способствует повышенное давление паров).
4. Низки пределы воспламенения (взрываемости) в воздухе. Разница между нижним и верхним пределами взрываемости незначительна, следовательно при сжигании газов допускается применение высокого отношения воздух – сжиженный газ.
5. Диффузия газов в атмосферу осуществляется медленно, в особенности при отсутствии ветра. Только при большой скорости ветра смешение паров сжиженных газов и воздуха ускоряется.
6. При ускоренном отборе паров сжиженных газов из резервуаров   температура жидкости снижается, уменьшается также давление паров в резервуаре.
7. Коэфициент обьемного расширения  сжиженных газов очень велик. При повышении наружной температуры  жидкость в резервуаре значительно расширяется. Поэтому при заполнении резервуаров сжиженными газами  сохраняют свободное пространство (15 %  вместимости резервуара). Категорически запрещается заполнять полностью резервуары. Система регулировки степени наполнения резервуаров должна быть такой, чтобы можно было контролировать степень их заполнения или определять наливную массу сжиженных газов.
8. При контакте с сжиженными газами во время их откачки или закачки в резервуары  в результате ускоренной абсорбции тепла  жидкости при ее испарении в открытом пространстве происходит резкое снижение температуры.
9. Возможно  образование конденсата при снижении температуры до точки росы или  при повышении давления.

Технологическая цепочка производства сжиженных газов начинается с добычи "сырой" нефти или "влажного" природного газа и заканчивается хранением жидких пропана и бутана, полностью свободных от легких газов, тяжелых нефтей и очищенных до последних следов сернистых соединений и воды.

Непосредственно на месте добычи "сырая" нефть стабилизируется для подготовки ее к дальнейшей транспортировке по трубопроводам или в танкерах к месту потребления. Степень стабилизации, эффективность которой зависит от условий на головке скважины (температура и давление), в свою очередь, определяет количество удаляемых легких газов. Эти газы иногда сжигаются, но в настоящее время все чаще используются как дополнительная продукция, играющая роль "премии" и называется "попутным природным газом".

На газовых месторождениях добыча богатого метаном природного газа нередко сопровождается выходом небольших количеств смеси тяжелых углеводородов: от эта на, основных компонентов сжиженных нефтяных газов до соединений компонентов дистиллята ("естественного бензина"). Если они присутствуют в значительных количествах, то сжиженные нефтяные газы и дистиллят удаляют из природного газа воизбежании технологических осложнений от конденсата при компримировании газа перед подачей его в трубопровод, а также для получения необходимых химических веществ или дополнительного топлива. Иногда Сжиженные нефтяные газы, уловленные перед компримированием природного газа, дополнительно могут быть подвергнуты сепарации от охлажденного сжиженного природного газа. Только после этого их разрешается транспортировать к месту потребления или на регазификацию.

Полученные при фракционной разгонке сжиженные нефтяные газы подвергаются последующей конверсии, которая осуществляется прежде всего для увеличения выхода и повышения качества бензина. Она окончательно выделяет сжиженные нефтяные газы как побочный продукт. Для меня интересны технологии получения сжиженных нефтяных газов из природного газа, "сырой нефти", а также реформированных нефтепродуктов, что и станет моим изучением.

Получение сжиженных нефтяных газов из природного газа.

Классическая технология сепарации природного газа и сжиженных нефтяных газов - нефтяная абсорбция, важнейшей ступенью которой является контактирование газа с нефтепродуктом типа дизельного топлива, известного как "абсорбирующая нефть".

Смесь сырой нефти и влажного газа, поступающая со скважины, в сепараторе разделяется на два основных компонента. Если газ содержит большое количество серово-дорода, дистиллятов и сжиженных нефтяных газов, на следующей стадии эти при-меси обычно удаляют путем их растворения в моно- или диэтаноламине. Если эти компоненты присутствуют в незначительных количествах, процесс демеркаптанизации осуществляют позднее, а газ направляют непосредственно в абсорбер.

В абсорбере "тощая" нефть, подаваемая навстречу газу, абсорбирует компоненты дистиллята и сжиженных нефтяных газов. Количество извлеченного сжиженного нефтяного газа зависит от рабочего давления и температуры, соотношения между количествами подаваемых нефти и газа, типа применяемой нефти и т.п. "Жирная" нефть из донной части абсорбционной колонки направляется в одну или несколько фракционных колонок, где она разделяется на три компонента: "тощую" нефть, для повторного использования в абсорбере (донный продукт), бензин и сжиженный нефтяной газ (самый легкий продукт).

В настоящее время эта классическая технология вытеснена низкотемпературной абсорбцией, при которой достигается более высокий коэффициент полезного действия абсорбции газа, а последующая фракционная разгонка охлажденных жидкостей обеспечивает более высокий выход продуктов. Газ, подвергаемый обработке, сначала освобождается от сернистых соединений и осушается этиленгликолем при температуре - 30С. Затем этиленгликоль регенерируется и направляется на повторный цикл. Очищенный газ проходит одну или несколько абсорбционных колонок, в которых он под определенным давлением при температуре около -35С контактирует сначала с легкими, а затем с тяжелыми "тощими" нефтями. Эти нефти последовательно разделяются на ряд низкотемпературных фракционных стадий, число которых зависит от вида требуемых продуктов: газообразного или жидкого метана; этана - сырья для химического крекинга; пропана; бутана или их смеси, т.е. собственно сжиженных нефтяных газов, а также остаточного дистиллята.

Получение сжиженных нефтяных газов из нефти.

Процесс очистки "сырой" нефти начинается с фракционной дистилляции, технология которой на разных заводах может быть различной. В основном она заключается в первичном нагреве нефти в трубчатых печах с последующим термическим отделением топливной нефти и битумов от летучих, которые подвергается дальнейшей фракционной разгонке.

Легчайший продукт первичной разгонки в головной фракционной колонке - неконденсированный этан. Сжиженный нефтяные газы остаются в легчайшей конденсированной фракции и мощными компрессорами и перекачиваются в жидком состоянии для дальнейшей очистки. Распределение сжиженных нефтяных газов между колошниковым газом и первичным конденсатом зависит от давления и температуры, а также от содержания этих газов в исходной нефти. Сжиженные нефтяные газы, получающиеся в процессе дистилляции, насыщены угле водородными компонентами и сернистыми соединениями. Эти примеси удаляются в одну или несколько стадий "облагораживания".

Каталитический риформинг является самым простым процессом конверсии, который обеспечивает выход сжиженных нефтяных газов. Главная цель его - получение ароматических углеводородов или промежуточных химикатов, чаще в сего бензиновой смеси. Сырьем для этого процесса служит первичный дистиллят, получаемый из колонки фракционной колонки сырой нефти или специально покупаемый для этой цели.

Основа процесса - конвертирование углеводородов парафинового и нафтенового рядов, присутствующих в дистилляте, в ароматические углеводороды в ходе мгновенного протекающих реакций дегидрогенизации и образования колец. Сернистые соединения, которые могли бы "отравить" катализатор, удаляются на предшествующей стадии, где дистиллят и водородосодержащий рафинированный газ проходят (иногда вместе с кислыми сжиженными нефтяными газами из первичной фракционной колонки) над кобальтовым илимолибденоникелевым катализатором при температуре около +410С и повышенном давлении. Эти газы удаляются вместе с другими легкими газами, получаемыми на стадии мгновенного испарения при понижении давления до того, как дистиллят поступит в реакторы, заполненные платиновым катализатором, который периодически регенерируется.

Сжиженные нефтяные газы, присутствующие в продуктах каталитического риформинга, отделяются от основного продукта риформинга посредством дебутанизации. Они могут содержать до 2 % (по объему) образующихся в ходе побочных реакций крекинга ненасыщенных углеводородов, практически всегда полностью демеркаптанизированных. Полученные сжиженные нефтяные газы можно соединить с основным потоком этих газов как до демеркаптанизации "кислых" газов (т.е. газов, которые засорены серой или ее соединениями), так и после нее.

При каталитическом риформинге (без реактора термического крекинга) одной из главных технологических особенностей является так называемая "гидроочистка" при отгонке легких фракций, при которой двойной приток сжиженных нефтяных га-зов из дистилляционных и риформинговых установок соединяется для последующей сепарации на пропан и бутан в колонкедепропанизаторе.

Иногда бутан направляется в дополнительную фракционную колонку, называемую деизобутанизатором, где он расщепляется на изобутан и нормальный бутан, используемые как чистые химические полупродукты.

Каталитический крекинг применяют для сокращения промежуточных дистиллятов и увеличения выхода автомобильного бензина и ненасыщенных газов. Сырьем обычно служит тяжелый газойль и даже парафин, разлагающийся при высокой температуре в присутствии кремнеземного-глиноземного катализатора. Реакторы каталитического крекинга, в основном, работают по принципу "подвижного катализа", при котором сырье и свежая порция катализатора непрерывно подаются в реакционную колонку, откуда одновременно выводится отработанная порция катализатора, направляемая в регенерационный резервуар. Чистый продукт из реакционной колонки разгоняется в первичном сепараторе на легкие фракции, промежуточные дистилляты и тяжелые фракции. Верхние погоны (смесь жидких метана, этана и каталитического бензина) отбираются и сепарируются в абсорбционной колонке на неконденсированный газ (метан, этилен и этан) и на абсорбированную фракцию, состоящую из сжиженного нефтяного газа и бензина. Насыщенный абсорбент ("жирная" нефть) десорбируется от содержащихся в нем легких фракций, которые сепарируются на бензиновую фракцию и сжиженный нефтяной газ.

Получаемый по описанной технологии сжиженный нефтяной газ обычно содержит меркаптан и другие сернистые соединения, которые необходимо удалять. После демеркаптанизациипосредством щелочной отмывки выходит сжиженный нефтяной газ как товарная продукция.

Хранение жидких газов

Чтобы сохранить воздух в жидком состоянии, надо воспре­пятствовать его теплообмену с окружающей средой. С этой целью жидкий воздух (и другие жидкие газы) помещают в особые сосуды, называемые сосудами Дьюара. Сосуд Дьюара устроен так же, как и обычный термос. Он имеет двойные стеклянные стенки, из пространства между которыми выкачан воздух (рис. 6.). Это уменьшает теплопроводность сосуда. Внутреннюю стенку делают блестящей (посеребрен­ной) для уменьшения нагревания излу­чением. У сосудов Дьюара узкое гор­лышко, при хранении в них сжижен­ных газов их оставляют открытыми, чтобы содержащийся в сосуде газ имел возможность постепенно испаряться. Благодаря затрате теплоты на испаре­ние сжиженный газ остается все время холодным. В хорошем сосуде Дьюара жидкий воздух сохраняется в течение нескольких недель.

Применение.

Применение в быту

Будучи универсальние твердого и жидкого топлива, сжиженный газ во многих отношениях является идеальным видом коммунально-бытового топлива, которое делает потребителя независимым от таких монопольных поставщиков энергии, как газовые и электрические компании. Чистота продуктов сгорания, простота конструкций горелок и аппаратуры, легкость контроля и вывода уходящих газов; возможность поставки в баллонах различной вместимости позволяют применять сжиженный газ в отдаленных районах, а также при наличии одиночного газоиспользующего оборудования или сезонном отоплении жилищ и т.п. Однако при использовании сжиженного газа в коммунально-бытовых целях имеются и некоторые неудобства. Прежде всего это необходимость их хранения в резервуарах высокого давления, что усложняет устройство емкостей для сжиженного газа и их размещение; размещение емкостей со сжиженным газом под землей или на некотором удалении от зданий; ограничения на количество баллонов, которые допустимо хранить и использовать в одном помещении.

Не менее сложная проблема - непостоянство состава сжиженного газа. Содержание пропана и бутана меняется в широких пределах. Все это влияет на характеристики горения, размеры пламени и его стабильность, а также на тепловую мощность горелок, особенно при использовании широко распространенных в бытовых и коммунальных приборах и печах горелок типа Бунзена. При переводе горелок с чистого пропана на бутан для обеспечения количественного и качественного смешения с первичным воздухом необходимо повышение давления бутана. Если не требуется менять тепловую мощность, давление бутана надо снижать.

Не представляет особого труда разработка газоиспользующего оборудования, достаточно удовлетворительно работающего на различных по составу газовых смесях. Однако для того чтобы это же оборудование хорошо работало на чистых углеводородах (пропане или бутане), требуются определенные ограничения по оптимальному составу смеси сжиженного газа, на которой оно рассчитывается и разрабатывается.

Для того чтобы потребитель был уверен в том, что приобретаемое им газоиспользующее оборудование будет одинаково хорошо работать в широком диапазоне смесей сжиженного газа, которые могут быть предложены в реальных условиях, производитель обязан испытать это оборудование при работе как на эталонном, так и на предельном сжиженном газе по допускаемому содержанию в нем пропана и бутана.

Под эталонным сжиженным газом понимается регламентируемый действующим стандартом постоянный состав газа, на который рассчитывается и разрабатывается газоиспользующее оборудование. Испытание работоспособности такого оборудования на предельном газе проводится с целью проверки надежности зажигания и устойчивости пламени.

Еще одна проблема, возникающая при использовании сжиженного газа, особенно в походах и передвижных домиках, - разнообразие оборудования. Очень часто оказываются невзаимозаменяемыми не только клапаны и регуляторы давлений, но и баллоны применяемые в разных странах. Однако нет сомнения в том, что такое положение не останется неизмененным. Национальные стандарты в настоящее время существуют почти во всех странах, где сжиженный газ применяют в качестве бытового топлива, а международные стандарты также постоянно совершенствуются.

Сжиженный газ - удобное, практически безвредное и хорошо управляемое (особенно при приготовлении пищи) топливо. Хотя природный газ в настоящее время занимает господствующее положение, не всегда экономически целесообразно снабжать им всех без исключения потребителей, поскольку строительство протяженных отводов оправдано лишь при достаточно крупных масштабах потребления. По этой причине как в Европе и в США, так и в нашей стране большое число населенных пунктов не имеет связи с магистральными газопроводами. В них организуют снабжение сжиженным газом в баллонах или по трубопроводу местного значения. Сжиженный газ используют на многих сельскохозяйственных фермах, в отелях и частных домах, которые удалены от районов с развитой сетью газопроводов или являются слишком незначительными потребителями.

В быту сжиженный газ используют для приготовления пищи, отопления помещений, подогрева воды, уничтожения бытовых отходов и пр.

Использование сжиженного газа для домашнего приготовления пищи.

Бытовые кухонные плиты и плитки, работающие на сжиженном газе, по размерам и производительности, мало чем отличаются от аналогичного оборудования, работающего на природном газе.

Современные кухни оборудуют системами автоматического розжига с помощью специальных пилотных или электрических (искровых или с нитью накаливания) запальных горелок. Иногда применяют системы регулирования температуры нагрева кухонной посуды, которые работают по принципу контактных датчиков, соприкасающихся с дном посуды при установке их на конфорку. При использовании этой системы газ отсекается с помощью электрического соленоидного клапана в тот момент, когда температура достигает заданной величины, а пилотная горелка срабатывает на зажигание, как только терморегулятор при падении температуры дает команду на открытие газового клапана. Все плиты следует оборудовать запально-защитнымиустройствами. Часто применяют часовые механизмы, управляющие действием отдельных клапанов, которые устанавливают на основном питательном газопроводе. С помощью этих механизмов может быть замедлено включение плит или отсрочено зажигания горелок. Их используют также для поддержания "медленного огня", умеренного кипения в конце процесса варки пищи или постепенного перехода от варки к сохранению пищи в горячем состоянии.

Портативные плиты, работающие на сжиженном газе и предназначенные для туристических и передвижных домиков, редко оснащают перечисленным оборудованием. Обычно их зажигают спичкой или зажигалкой и регулируют вручную.

Горелки, используемые в бытовых газовых приборах, являются, как правило, атмосферными, т.е. газ под давлением вытекает из газового сопла и смешивается с первичным воздухом в трубеВентури. Образующаяся первичная смесь сгорает в атмосферном (вторичном) воздухе, как только она вытечет из газовых отверстий рассекателя горелки. Горелки, работающие по этому принципу, имеют достаточно широкий диапазон регулирования тепловой мощности. В больших кухонных плитах, газовых грилях, жаровнях, барбекю требуется плавное регулирование, что осуществляется, как правило, с помощью спаренной горелки, которая состоит из основной горелки, имеющей тепловую мощность по периферии до 6280 кДж/ч, и вспомогательной горелки, расположенной в центре конфорки. С ее помощью можно убавить огонь до тепловой мощности менее 272 кДж/ч. 
В последнее время все большее применение находят самоочищающиеся плиты, не только электрические, но и газовые, на внутренней поверхности стенок которых наносится слой катализатора, способствующего окислению жира и сажи. На ряду с электрическими запально-защитными устройствами и терморегуляторами могут применятся запальные устройства, которые питаются от батареи или при работе которых используется пьезоэлектрический эффект. В последнем случае при открытии крана на плите под давлением потока газа пьезокристал воспроизводит искру. Возможно применение запальных устройств, в которых осуществляется самогенерация электрического тока в специальном нагреваемой пилотной горелкой термоэлементе, воздействующем на соленоид отсечного клапана. Сблокированная запально-защитная система отсекает газ при погасании пилотной горелки. Терморегулятор косвенного действия, устанавливаемый на печи, работает от контрольной пилотной горелки, обеспечивает открытие газового клапана и зажигание основного потока газа. В этом случае достигается плавная и точная регулировка рабочей температуры. Возможно, что использование сблокированной запально-защитной системы излишне, так как большая часть приборов для приготовления пищи, работающих на сжиженном газе, исключительно проста по конструкции и, как правило, управляется и регулируется вручную.

Использование сжиженного газа для отопления.

Сжиженный газ получил широкое распространение, как топливо, используемое для отопления как производственных, так и жилых помещений. Это обусловлено рядом неоспоримых преимуществ таких как: экономичность; комфортность; безопасность; экологически чистота; автономность; быстрая окупаемость оборудования и т.д.

Газовые холодильники

Все бытовые газовые холодильники работают по принципу абсорбционного охлаждения. Компрессорные холодильники более эффективны, чем газовые, поэтому применение газовых холодильников ограничивается районами, где исключительно дорога электроэнергия (или нет возможности ее подвода), или особыми условиями, среди которых наиболее существенны бесшумность работы и отсутствие подвижных деталей. Однако сжиженный газ достаточно широко используется в бытовой холодильной аппаратуре.

Рабочей жидкостью в газовых холодильниках является водный раствор аммиака. Газовый холодильник работает по замкнутому циклу и состоит из четырех основных частей: испарителя; абсорбера; генератора и конденсатора. Систему заполняют 30 % -ным водным раствором аммиака в атмосфере водорода под давлением до 2026,5 кПа и запаивают. Если генератор нагреть газовым пламенем, то аммиак закипает, а "тощий" раствор увлекается потоком пузырьков в абсорбер. Пары аммиака возгоняются в конденсаторе, толкая перед собой некоторое количество водорода и поднимая давление до 2837 кПа. В конденсаторе пары аммиака конденсируются, отдавая тепло окружающему воздуху, а жидкость перетекает в расположенный внутри холодильника испаритель. В нем аммиак испаряется, поглощая тепло из внутреннего пространства холодильной камеры. Непрерывный переток осуществляется благодаря постепенному возрастанию плотности газа. Первоначально в газовой фазе находится только водород, аммиачно-водородная смесь течет в абсорбер под действием силы тяжести. Здесь аммиак рекомбинируетс "тощим" раствором, выделяя в ходе процесса некоторое количество тепла, которое рассеивается через ребра на воздушной стороне теплообменника. Насыщенный раствор аммиака стекает под действием силы тяжести из абсорбера в регенератор, тем самым замыкая цикл.

С точки зрения экономии, предпочтительнее использование газовых холодильников поскольку содержащаяся в сжиженном газе энергия практически эквивалентна энергии в исходном продукте (0,98), а в электричестве содержится лишь третья часть от энергии первичного топлива, кроме того газовые холодильники обходятся значительно дешевле электрических, если учитывать продажную стоимость и затраты на эксплуатацию.

Системы воздушного кондиционирования

Системы воздушного кондиционирования, полностью работающие на сжиженном газе, встречаются крайне редко. В основном, эти системы работают по принципу абсорбционного цикла, такому же, как и газовые холодильники. Однако если в домашних газовых холодильниках и замораживателях рабочей жидкостью является водный раствор аммиака, то в воздушных кондиционерах, к водно-аммиачному контуру может пристраиваться контур, работающий с хладагентом в виде водного раствора бромистого лития. В этой системе используется также принцип "газлифтного насоса" для подачи концентрированного раствора в абсорбер. Для охлаждения конденсатора могут быть использованы как вода так и воздух.

Использование сжиженного газа для прочих бытовых нужд.

В остальных областях бытового сектора потребление сжиженного газа относительно невелико. Работающие на сжиженном газу мусоросжигатели используются там, где нет централизованного сбора отходов или где из-за опасности загрязнения окружающей среды отходы нельзя сжигать на костре. Такие бездымные не пахнущие мусоросжигатели применяют также в больницах и госпиталях, на бойнях для ликвидации антисанитарных или нежелательных вредных отходов. 
В продаже, в широком ассортименте, имеется большое количество всевозможных фонарей , прожекторов, паяльных ламп и т.д., работающих на сжиженном газе и предназначенных для использования в кемпингах передвижных и туристических домиках, яхтах, для разного рода строительных и ремонтных работ.

Обобщение применения.

Сжижение газов имеет техническое и научное значение. Сжижение воздуха используется в технике для разделения воздуха на составные части. Метод основан на том, что раз­личные газы, из которых воздух состоит, кипят при различ­ных температурах. Наиболее низкие температуры кипения имеют гелий, неон, азот, аргон. У кислорода температура ки­пения несколько выше, чем у аргона. Поэтому сначала испа­ряется гелий, неон, азот, а затем аргон, кислород.

Сжиженные газы находят широкое применение в технике. Азот идет для получения аммиака и азотных солей, употреб­ляемых в сельском хозяйстве для удобрения почвы. Аргон, неон и другие инертные газы используются для наполнения электрических ламп накаливания, а также газосветных ламп. Наибольшее применение имеет кислород. В смеси с ацетиле­ном или водородом он дает пламя очень высокой температуры, применяемое для резки и сварки металлов. Вдувание кисло­рода (кислородное дутье) ускоряет металлургические процес­сы. Доставляемый из аптек в подушках кислород облегчает страдания больных. Особенно важным является применение жидкого кислорода в качестве окислителя для двигателей космических ракет. Двигатели ракеты-носителя, поднявшей в космос первого космонавта Ю. А. Гагарина, работали на жид­ком кислороде.

Жидкий водород используется как топливо в космических ракетах. Например, для заправки американской ракеты «Са­турн-5» требуется 90 т жидкого водорода. Газы, применяемые в промышленности, медицине и т. п., легче перевозить, когда они находятся в сжиженном состоя­нии, так как при этом в том же объеме заключается большее количество вещества. Так доставляют в стальных баллонах жидкую углекислоту на заводы газированных вод.

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

Значение сжижения газов для научных исследований

Превращение всех газов в жидкое состояние лишний раз подтвердило единство в строении веществ. Оно показало, что состояние вещества зависит от его температуры и давления, а не определено раз и навсегда для данного тела.

С другой стороны, достигнутые при сжижении газов низкие температуры широко раздвинули границы научных исследо­ваний и позволили обнаружить изменение многих свойств ве­ществ при сверхнизких температурах. Упругие тела, сделан­ные из каучука, становятся при этих температурах хрупкими, как стекло. Кусок резины после охлаждения в жидком возду­хе легко ломается, а резиновый мячик при ударе разбивается вдребезги. Ртуть и цинк при низких температурах делаются ковкими, а свинец — пластический металл — упругим, как сталь. Колокольчик, сделанный из свинца, звенит. Очень мно­гие вещества (спирт, яичная скорлупа и др.) после освещения их белым светом создают собственное излучение различного цвета (преимущественно зелено-желтого).

При низких температурах интенсивность теплового движе­ния резко уменьшается, поэтому оказывается возможным на­блюдение целого ряда явлений, скрытых при более высоких температурах тепловым движением молекул.

При температурах, близких к абсолютному нулю, сильно изменяются электрические свойства некоторых металлов и сплавов: их сопротивление электрическому току становит­ся равным нулю. Это явление, называемое сверхпроводи­мостью, открыто Г. Камерлинг-Оннесом в 1911 г. При тем­пературе 2,2 К в жидком гелии исчезает вязкость, т. е. он приобретает свойство сверхтекучести. Сверхтекучесть открыл П. Л. Капица в 1938 г.

Вклад учёных в изучение газов очень велик и мал с предстоящими открытиями.