В какой момент газ переходит в жидкое состояние и как можно получить каждый элемент из ничего, когда есть желание, но нет возможности?

Физико-химические свойства природного газа

Одна из основных страниц сайта уже содержит основные свойства сжиженного природного газа. В качестве дополнения здесь приводится некоторая более детальная информация. Напомним, что СПГ – это криогенная жидкость, являющаяся смесью углеводородов ряда С1-С4 с содержанием метана более 80%. Количество углеводородов ряда С5-С8 в составе сжиженного природного газа допустимо, но ограничено долями процента и должно контролироваться, так как их повышенное содержание будет приводить к запарафиниванию поверхности криогенных технологических узлов.

Физические свойства СПГ

Физические свойства сжиженного природного газа зависят от компонентного состава и от давления. Например, для плотности в различных источниках указываются следующие диапазоны значений: 370-430, 430-470, 410-500, 400-420 кг/м3. В нижеследующей таблице отражены изменения плотности и температуры кипения СПГ в зависимости от различных значений избыточного давления и компонентного состава газа.

Основные физические характеристики сжиженного газа

• Температура кипения при атмосферном давлении: –162°C
• Плотность сжиженного газа при атмосферном давлении: 420 кг/м3
• Низшая теплота сгорания (при 0°C и 101,325 КПа): 35,2 МДж/м3(или 11500 ккал/кг)
• Минимальная температура воспламенения газовоздушной смеси: 557°C (830 К)

В процессе регазификации СПГ из одного объема жидкости при стандартных условиях (21°C, 1 атмосфера) получается около 618 объемов природного газа. Жидкий газ обычно хранится в изотермических резервуарах при температуре кипения, которая поддерживается за счет испарения СПГ.

При сжижении природного газа повышается как калорийность газа, получаемого последующей регазификацией, так и самого СПГ. С одной стороны, в процессе сжижения удаляется углекислый газ, а с другой – ШФЛУ, входящая в состав СПГ, повышает калорийность, так как этан, пропан и бутаны обладают большей высшей теплотой сгорания (высшей удельной теплотворной способностью), чем метан (на кубометр газа или на кубометр СПГ; если сравнивать по весу, то выигрыш незначителен). Этот аспект можно учесть, проводя экономические расчеты за поставляемый СПГ на калориметрической основе (а не на волюметрической). Для примера, расчеты показывают, что энергетическая ценность СПГ, получаемого из газа нижнего мела месторождений полуострова Ямал, может достигать 23 MBTU/м3 (24,5 ГДж/м3), что на 10% больше, чем для СПГ, получаемого из сухого газа.

Высшая теплотворная способность газа в жидком виде при 15°C:

• Метан – 16,672 ГДж/м3 (рассчитано условно как для идеального газа)
• Этан – 18,459 ГДж/м3
• Пропан – 25,358 ГДж/м3
• n-бутан –28,715 ГДж/м3)

В голубом топливе, добываемом из недр, присутствуют разные газы: метан, бутан, пропан, азот, гелий, сероводород. Одни из них являются компонентами химических производств, другие – сжигаются для получения энергии (электрической и тепловой). Некоторые служат газомоторным топливом.

перевозка сжиженный газ

Если необходимо топливо доставить на удаленный объект, то в силу географических нюансов это часто выгоднее сделать не по трубопроводу, а в сжиженном виде. То есть, газ сжиженный упрощает доставку к удаленным объектам.

Что СПГ и СУГ собой представляют

При оптимальной температуре воздуха и нормальном давлении углеводороды пребывают в газообразном состоянии. Но, они переходят в жидкое состояние, если незначительно увеличивают давление (без смены температуры).

Сжижаемый искусственно природный газ (при температуре минус 160 градусов)легче хранить и транспортировать. Объем при этом в сравнении с исходным меньше в 600 раз.

В промышленных условиях также для процессов фракционирования НПГ, проходящих при низких температурах, пользуются природным сжиженным газом, из которого выделяют пропан, этан, бутан, газовый бензин и гелий.

В воздухе сжиженный газ растворяется, переходя  в состояние газообразное. Если уровень концентрации достигнет 5-15%, и произойдет контакт с источником пламени, газ может воспламениться. Если же она меньше 5%, этого не произойдет.

Многие страны, среди которых Испания с Францией, Япония с Бельгией, Южная Корея, СПГ используют не первый год как один из основных источников энергоресурсов, нужный для промышленных нужд, используемый в коммунальных комплексах и в быту, на заводах нефтехимических и в качестве топлива для автомобилей.

Для систем газоснабжения России наибольший интерес представляет технический пропан, пары которого обладают хорошей упругостью. Благодаря этому из наполненного этим газом газгольдера или баллона легко отобрать необходимое количество паров даже при минусовых  температурах, что позволяет такие емкости и в зимнее время размещать на улице.

Бутан, в сравнении с пропаном, является более дешевым. При его сгорании 4 атома углерода и 10 водорода в реакции участвуют, что говорит о большой тепловой способности. Но, упругость паров у бутана ниже, что не позволяет применять его при отрицательной температуре.

Внешне такой газ выглядит как бесцветная жидкость, не имеющая запаха. Он не агрессивен, т.е. не приводит к коррозии. Плотность СПГ меньше вдвое плотности воды. В жидком состоянии он не горюч и не токсичен.

Чтобы довести субстанцию до исходного состояния, перед использованием газ сжиженный подвергают испарению без доступа кислорода (воздуха). Во время сгорания выделяются диоксид углерода (углекислый газ) и парводяной.

СПГ очень быстро испаряется, не оставляя на почве и воде никаких следов.

Основные технические характеристики

Температура кипения лежит в пределах 158-163 градуса Цельсия. Плотность газа различна на разных месторождениях. Она лежит в диапазоне 430-470 кг/м³. Кроме этого, она определяется давлением в месте проведения ее расчета, и температурой. Поэтому, переводя тонны газа в кубометры, говорят «примерно», т.е. 1 тонна СПГ равна примерно 1,38 тысячам метров кубических.

Стандартные значения этих параметров установлены Национальным институтом NISN. Для температуры – это 20 градусов Цельсия (293,15 К), для давления – 1 атмосфера (101,325 кПа).

Компонентный состав

На 75-99 процентов его составляет метан. Помимо него в составе присутствуют: этан,сероводород, пропан и др. Плотность компонентов отличается значительно:

• у пропана она равна 1,872 кг/м³;
• у этана — 1,263 кг/м³;
• у метана – 0,668 кг/м³.

Экологическое топливо

Сжиженный газ имеет достаточно большое октановое число и отличается высокими энергетическими показателями, что позволяет его использовать для заправки автомобилей. Не нанося вред экологии, использование этого топлива уменьшает расход масла и износ двигателя. Цена его ниже стоимости бензина. К тому же, сжиженные газы безопасны, а заправка производится на специализированных заправочных станциях. Это объясняет, почему его считают более экономичным топливом, чем бензин.

Технология получения СПГ

Сжижение газа происходит в несколько ступеней, на которых его сжимают в 5-12 раз, охлаждают и передают дальше.

На первом этапе из природного газа необходимо удалить воду, чтобы холодильное оборудование обезопасить от ее агрессивного воздействия, а также водород, а также гелий, соединения серы, азот и прочие примеси, для чего применяют абсорбционную глубокую очистку, пропуская смесь через молекулярное сито.

Далее следует второй этап, заключающийся в удалении из смеси тяжелых углеводородов. В результате фракционирования остается газ, в котором находятся только метан и этан (или бутан и пропан). Полученная фракция содержит менее 5% примесей.

На последней ступени процесса как раз и происходит сжижение охлажденного газа. Процесс достаточно энергозатратный: энергии требуется до 25% от общего количества.

На современных производствах используют 2 технологических процесса:

• компримирование, т.е. проходящее при постоянном давлении конденсирование. Недостатком является большая энергоемкость, из-за чего способ считается малоэффективным;
• метод на основе теплообменных процессов, т.е. рефрижераторный, предусматривающий использование охладителя, а также турбодетандерный, называемый также дросселированием. Он позволяет при быстром расширении газа получать нужную температуру. К минусам метода относят невысокий коэффициент ожижения – на уровне 4%, что требует многократной перегонки. Повысить его до 14% удается, применяя компрессорно-детандерную схему.

• применение цикла каскадного снижения температуры кипения. Хладагентами на разных стадиях выступают: пропан, азот, этан, метан, очищенная или морская вода, воздух;
• цикл, использующий одновременно 2 хладагента –этан с метаном;
• использование расширительных циклов в технологии сжижения.

На современном рынке лидируют несколько таких технологий:

• до 82% общего рынка принадлежит технологиям AP-C3MR™, AP-SMR™ и AP-X™, которые используют для получения значительных объемов СПГ;
• Optimized Cascade, разработчиком которой является ConocoPhillips;
• на производствах (для внутреннего использования) применяют компактные установки GTL;
• для получения СПГ, участвующего в производстве ГМТ (топлива газомоторного) широко пользуются локальными установками;
• FLNG – использование морских танкеров и судов с установками сжижения газа. Это позволяет иметь доступ к  месторождениям, которые для газопроводной инфраструктуры недоступны;
• применение плавающих платформ СПГ (пример – строящаяся в 25-километровой зоне в Австралии компанией Shell).

Оборудование, необходимое для производства СПГ

• установка, применяемая для очистки исходного сырья и сжижения;
• технологическая линия;
• емкости для хранения сжиженного газа (криоцистерны);
• газовозы для загрузки танкеров.

Транспортировка

На данное время к потребителю сжиженный газ доставляется одним из способов:

• морскими крупногабаритными танкерами-газовозами, оборудованными установками, поддерживающими низкую температуру, и имеющими толсты теплоизоляционный слой;
• спецавтотранспортом (по суше);
• железной дорогой (в вагонах-цистернах);
• по газопроводу (предварительно проводят регазификацию, т.е. доведение до состояния газообразного).

Производители

Основными странами, производящими сжиженный газ, являются по данным на 2009 год:

• Катар – объем достигает почти 50 млрд м³;
• Малайзия и Индонезия – соответственно 29,5 и 25 млрд. кубов;
• Австралия и Алжир – 24 и 21 млрд м³.

Среди импортеров СПГ первое место занимает Япония. Также газ закупают: Испания, США, Франция, Индия.

В России  также имеются 2 действующих завода. Один из них — запущенный в 2009 году проект Сахалин-2. Контрольным пакетом владеет Газпром Совладельцами являются: 27,5% Shell, 12,5Mitsui, 10% — Mitsubishi.По итогам 2015 года годовое производство достигло 10,8 миллионов тонн, что больше проектной мощности на 1,2 млн тонн. К сожалению,из-за падения цен на мировом рынке экспорт в последние годы заметно снизился.

Другим значимым игроком в России является компания Новатэк (Ямал-СПГ).

Не остались в стороне и американцы: они в эксплуатацию ввели 5 терминалов для экспорта СПГ, общая мощность которых составляет 57,8 млрд. т/год. Понятно, почему между этими странами не первый год имеется жесткое противостояние.

Сферы применения

Помимо того, что сжиженный газ (марка ПБА, применяемая при температуре воздуха не ниже -20 градусов, и ПА) используют в автомобильной сфере, как топливо более экономичное, безопасное, дешевое и не приносящие вреда экологии, оно используется в отопительных системах, в промышленности (как источник тепла и холода в металлообработке, обработке керамики и стекла), для нужд бытовых и коммунальных (марки БТ, ПБТ, ПТ).

Главными игроками в сегменте топлива являются бутан, метан и пропан, которые объединяют такие показатели:

• отсутствующий запах. Напротив, такому топливу придают для быстрого обнаружения утечки ароматический маркер;
• безопасность, т.е. устойчивость к возможному возгоранию, которое происходит при температуре плюс 429 градусов (бутан), при 466 (бутан) и при 537 (метан). Для сравнения ДТ и бензин воспламеняются при достижении отметки в 250-300 градусов;
• сгорание полное, благодаря чему сводится к минимуму вред от выбросов в окружающее пространство;
• минимальный нагар, позволяющий продлить срок службы поршневых цилиндров, свечей и камеры сгорания двигателя;
• большое октановое число: 110 у метана и 100 у смеси пропан-бутановой. Нужно отметить, что применять смеси можно в различных климатических зонах, но с учетом того, что они в сжиженном состоянии не морозоустойчивы, зато невосприимчивы к зонам с жарким климатом: эти составляющие в смеси дополняют друг друга и образуют субстанцию достаточно стабильную. В отличие о них, пропан на высокую температуру реагирует, что приводит к тому, что в баллонах, где он хранится, повышается давление.

На заправочных станциях продают разные смеси для разных сезонов, которые отличаются процентным составом газовых смесей: в летней, например, бутана должно быть 60%,  в зимней – 40.

С требованиями, касающимися сжиженных углеводородных газов, можно ознакомиться в ГОСТ 27578-2018.

Преимущества

• Удобство хранения энергоносителя (за счет большой плотности газа сжиженного), доставки и потребления. Хранится жидкость криогенная нетоксичная при минус 162 градусах Цельсия. Для больших объемов используют наземные емкости, где она находится под атмосферным давлением;
• Перевозки межконтинентальные, для которых используют танкеры-газовозы, автоцистерны или железнодорожные цистерны;
• Открывает возможность газификации удаленных на значительные расстояния от газовых магистралей, объектов. Отпадает необходимость строительства дорогостоящих трубопроводов.

Выводы

Для сжижения газа разработано несколько технологий: свои — для метана и для бутана. Получение СУГ менее затратное, а в хранении и перевозке он проще, чем СПГ. Получение последнего более сложно и затратно, а к этому добавляется регазификация, для которой требуется специальное оборудование. Метан на данный момент востребован больше, поэтому  сжижают его в объемах намного больших.

СУГ представляет собой смесь углеводородов, состоящая в основном из пропана и бутана, а также пропилена, бутилена, изобутана. Содержание каждого из них (пропана и бутана) не менее 40-60%. При нормальных условиях эти компоненты газообразные вещества. При повышении давления они сжижаются. Для получения сжиженных газов в основном пригодны попутные газы, т.к. содержание тяжелых углеводородов в них высоко.

Пропан сжижается при 4,7МПа;

Бутан сжижается при 0,115МПа;

Изобутан сжижается при 0,16МПа;

Содержание остальных не более 4%, т.к. они практически не сжижаются (метан, этан, и другие углеводороды). Допускается содержание Н2S (5г на 100м3 газа) и метана 4 % от объема.

СУГ перекачиваются по трубопроводам при давлении около 3МПа, плотность СУГ при нормальных условиях составляет 2,35 кг/м3, теплотворная способность 60-65 МДж/м3. Преимущество СУГ состоит в том, что через малое сечение можно транспортировать большое количество газа.

При использовании сжиженного газа происходят фазовые превращения (жидкость и газ) и соответственно изменяются основные характеристики жидкой и парообразной фазы

. На рис. 3 и 4 представлены диаграммы состояния пропана и Н-бутана. Здесь по оси абсцисс отложена энтальпия

, а по оси ординат – абсолютное давление

. Правая пограничная кривая является пограничной кривой насыщенного пара и сухого перегретого пара (ее еще называют верхней пограничной кривой) и соответствует сухому насыщенному пару (началу конденсации или перегрева). Левая пограничная кривая является пограничной кривой между жидкой фазой и насыщенным паром (ее еще называют нижней пограничной кривой) и соответствует началу кипения или окончанию конденсации. Слева от нижней пограничной кривой расположена однофазная система – жидкость, а правее верхней пограничной кривой находится перегретый пар.

Кроме рассмотренных понятий и определений сжиженный углеводородный газ (СУГ) обладает свойствами, отличными от газообразного состояния газа – это упругость и фугитивность (летучесть).

Под упругостью насыщенных паров жидкости понимается давление, при котором жидкость и ее пары находятся в равновесном состоянии. Каждой температуре соответствует определенное значение упругости насыщенных паров. Упругость водяных паров возрастает с увеличением температуры.

Равновесный состав паровой фазы по заданному составу жидкой фазы определяется следующим образом:

Вычисляется общая упругость паров жидкой смеси по формуле

Вычисляется концентрация компонентов паровой фазы

Равновесный состав жидкой фазы по известному составу паровой фазы определяется следующим образом:

Вычисляется общее давление системы по формуле

Вычисляется концентрация компонентов жидкой фазы

Упругость паров пропанобутановой смеси зависит от температуры. Однако, как показали многочисленные опыты, с увеличением давления выше 0,1 МПа упругость увеличивается не только с увеличением температуры, но и с увеличением давления

Зависимость упругости от температуры и давления называют летучестью или фугитивностью. Она более точно выражает способность сжиженных газов переходить из жидкости в пар и наоборот.

Отношение фугитивности к упругости насыщенности паров называется коэффициентом активности вещества

, который показывает, во сколько раз фугитивность превышает упругость насыщенных паров.

Для определения фугитивности компонентов сжиженного газа необходимо определить приведенные параметры (температуру и давление), затем по графику определить коэффициент активности. Зная коэффициент активности, фугитивность можно определить по формуле

Для использования сжиженных газов в качестве топлива их переводят в газообразное состояние (регазифицируют)

При естественной регазификации приток тепла к жидкости в основном поступает через смоченную поверхность

баллона или резервуара и зависит от разности температур жидкости

и окружающей среды

Количество испаряющейся жидкости, кг/ч, определяется по формуле

– коэффициент теплопередачи от окружающей среды к сжиженному газу, кДж/(м2

Коэффициент теплопередачи от окружающей среды к сжиженному газу можно принимать:

— для баллонов, устанавливаемых в шкафах, 42-50 кДж/(м2

— для наземных резервуаров 50-63 кДж/(м2

— для подземных резервуаров, установленных ниже зоны промерзания грунта, 10-21 кДж/(м2

Следует заметить, что при длительном отсутствии отбора газа температура сжиженного газа в резервуаре становится равной температуре окружающей среды, и испарения не происходит.

В связи с тем, что установки с естественным испарением имеют ограниченную производительность, часто применяют групповые установки. Число баллонов или резервуаров в них определяется по формуле

– расчетная производительность одного баллона или резервуара, м3/ч, для баллонов емкостью 50-55 л

Производительность резервуаров при подземной установке необходимо определять по номограмме

Для учета теплового взаимодействия рядом расположенных подземных резервуаров полученную по номограмме производительность следует умножить на коэффициент теплового взаимодействия

в зависимости от числа резервуаров в установке.

Подземные резервуары следует устанавливать на глубине не менее 0,6 м от поверхности земли до верхней образующей резервуара в районах с сезонным промерзанием грунта и 0,2 м в районах без промерзания грунта.

Сравнение сжиженного углеводородного газа СУГ и сжиженного природного газа СПГ

Система теплоснабжения обеспечивает жилые, административные, производственные здания и помещения горячей водой, газом, теплом и электричеством. В составе такой системы задействован комплекс газоиспользующего оборудования, для работы которого необходим достаточный объем топлива.

На данный момент в качестве хранимого топлива для систем автономного газоснабжения, не связанных с магистральной линией подачи газа, широко распространены сжиженный углеводородный газ (СУГ) и сжиженный природный газ (СПГ). В маркировке на английском языке LPG (liquefied petroleum gas) и LNG (liquefied natural gas) соответственно.

СПГ — это смесь газов, образовавшихся в глубоких слоях Земли при анаэробном разложении органических соединений. Добыча производится из пластов и из нефтяных месторождений, где газ может быть побочным продуктом нефти. В некоторых случаях могут попадаться газогидраты — кристаллическая форма природного газа.

СУГ — это тоже смесь газов, но полученная из попутного нефтяного газа или из конденсатной фракции природного газа за счет разделения с помощью абсорбционно-газофракционирующей установки.

СУГ и СПГ могут быть взаимозаменяемыми. Сжиженный углеводородный газ может выступать как основным видом топлива, так и резервным в системе газоснабжения на сжиженном природном газе.

Оба газа схожи между собой по нескольким параметрам:

• сфера применения: тепло- и газоснабжение;
• способность к испарению: хранение и транспортировка газа производится в жидкой фазе, которая при соблюдении определенной температуры преобразуется в газообразное состояние;
• экологичность: при сжигании не происходит выброса соединений серы в атмосферу, отсутствует сажа и зола;
• малая токсичность.

В чистом виде оба газа не имеют ярко выраженного запаха, поэтому для своевременного обнаружения вещества в воздухе в газ примешиваются одоранты — этантиол, смесь природных меркаптанов и др.

Отличия сжиженных газов СУГ и СПГ

Имея схожую структуру, параметры и физико-химические свойства, оба газа отличаются между собой, что дает возможность подобрать оптимальное топливо для технологической линии систем газоснабжения объекта.

Исходя из данных в таблице выше, ключевым и наиболее важным различием является температура хранения. СУГ хранится в газгольдерах под давлением при температуре, близкой к температуре окружающей среды. Недостаточное испарение жидкой фазы может наблюдаться в районе Крайнего Севера, где температура воздуха может быть ниже -60°С. Для улучшения процесса регазификации в таких регионах устанавливают испарительные установки жидкостного или электрического типа.

Условия хранения СПГ же кардинально отличаются. Сжиженный природный газ допускается хранить только в изотермических резервуарах с полной герметизацией (криоцистернах), изготовленных из материалов, стойких к температурам хранения продукта. Внутри емкости постоянно должна поддерживаться низкая температура около -163°С.

Как «получить всё» — из «ничего», когда очень хочется, но нельзя

Время на прочтение

Насколько это реально, почему нельзя, а также, — какое слово зашифровано ниже и причём тут стартапы, вы узнаете из этой статьи

Любой газ можно превратить в жидкость простым сжатием, если температура газа ниже критической. Поэтому деление веществ на газы и жидкости в значительной мере условно. Те вещества, которые мы привыкли считать газами, просто имеют очень низкие критические температуры, то есть температуры, после достижения которых, газ приобретает свойства жидкости, и поэтому при температуре, близкой к комнатной, не могут находиться в жидком состоянии. Наоборот, у веществ, причисляемых нами к жидкостям, критические температуры велики.

Первый газ (аммиак) был обращён в жидкость уже в 1799 г. Дальнейшие успехи в сжижении газов связаны с именем английского физика М. Фарадея (1791 – 1867), который сжижал газы путём их одновременного охлаждения и сжатия.

Ко второй половине 19 века из всех известных в то время газов остались не сжиженными только шесть: водород, кислород, азот, оксид азота, оксид углерода и метан, — их назвали постоянными газами. Задержка в сжижении этих газов ещё на четверть столетия произошла потому, что техника понижения температуры была развита слабо, и они не могли быть охлаждены до температуры ниже критической. Когда физики научились получать температуры порядка 1К, удалось все газы обратить не только в жидкое, но и в твёрдое состояние.

Непрерывные хаотические тепловые движения, в которых всегда участвуют частицы любого вещества и интенсивность (энергия) которых определяет его температуру, оказывают существенное влияние на все происходящие в веществе явления. Именно поэтому почти всякое свойство вещества, так или иначе, зависит от температуры, то есть от интенсивности тепловых движений частиц в нём.

Изучение свойств вещества при очень низких температурах, когда молекулярные движения ослаблены, представляет большой интерес. Только при низких температурах можно исследовать те или иные явления в условиях, когда постоянный фон тепловых движений не влияет на них.

При низкотемпературных исследованиях изучаемое тело приводят в контакт с телом достаточно низкой температуры, с так называемым хладагентом. Задачей техники низких температур и является создание таких хладагентов. Ими обычно являются различные сжиженные газы, находящиеся в состоянии кипения. Они особенно удобны тем, что контакт с охлаждаемым телом не изменяет их температуру, а приводит лишь к более интенсивному испарению. Именно сжижение газов открыло для исследования область низких температур, в том числе и самых низких – близких к абсолютному нулю.

Всякий газ может быть переведён в жидкое состояние, но необходимым условием для этого является предварительное охлаждение газа до температуры ниже критической. Углекислый газ, например, можно сжижить при комнатной температуре, поскольку его критическая температура равна 31,1 С. То же можно сказать и о таких газах, как аммиак и хлор.

Но есть и такие газы, которые при комнатной температуре нельзя перевести в жидкое состояние. К таким газам относятся воздух (а также его составные части – азот, кислород и аргон), водород и гелий, у которых критические температуры значительно ниже комнатной. Для сжижения таких газов их необходимо предварительно охладить до температуры несколько ниже критической, после чего повышением давления газ может быть переведён в жидкое состояние. Сжиженные таким образом газы удобнее хранить под атмосферном давлении (в открытом сосуде), но в этом случае их температура должна быть ещё более низкой – такой, при которой давление будет равно 1 атм. Для азота температура хранения соответствует 77,4 К, в то время как критическая температура азота равна 126,1 К. Для кислорода эти цифры соответственно равны 90 К и 154,4 К, для водорода 20,5 К и 33 К и для гелия 4,4 К и 5,3 К. Эти четыре газа широко используются практически, в том числе и как хладагенты.

Из приведенных цифр, как критических температур, так и тех конечных температур, до которых должны быть охлаждены сжижаемые газы, видно, что охлаждение требуется весьма значительное. Для достижения столь сильного охлаждения обычно используются два метода (по отдельности и комбинированно).

Первый метод сжижения газа связан с использованием эффекта Джоуля – Томсона. Видоизменение опыта по расширению газа, предложенное Джоулем и Томсоном, позволяет достичь заметного изменения температуры газа, в частности охлаждения, обусловленного его неидеальностью, так как расширение идеального газа в пустоту не сопровождается изменением его температуры. Газ при достаточно большом, но постоянном давлении вынуждают протекать через теплоизолированную пористую перегородку. Это значит, что протекание газа происходит адиабатно. Гидродинамическое сопротивление перегородки приводит к тому, что на ней теряется часть давления газа и газ выходит из перегородки при более низком давлении. Газ расширяется или дросселируется. Дросселем называется любое устройство, представляющее сопротивление для протекания газа. Для того, чтобы течение газа было стационарным, то есть происходило при постоянных значениях давлений по обе стороны дросселя, необходим какой-либо насос (компрессор), который поддерживал бы постоянными эти давления. Этот компрессор производит внешнюю работу сжатия газа. Этим процесс дросселирования отличается от расширения газа в пустоту, при котором внешняя работа равна нулю. Явление изменения температуры газа при его адиабатном расширении дросселированием от одного постоянного давления к другому называется эффектом Джоуля – Томсона. Изменение температуры неидеального газа в процессе Джоуля – Томсона объясняется тем, что при расширении газа увеличивается расстояние между молекулами и, следовательно, совершается внутренняя работа против сил взаимодействия между молекулами. За счёт этой работы изменяется кинетическая энергия молекул, а, следовательно, и температура газа. В идеальном газе, где силы взаимодействия молекул равны нулю, эффекта Джоуля – Томсона нет.

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. Приведём схему машины Линде (рисунок ниже), в которой помимо эффекта Джоуля – Томсона был применён важный конструктивный принцип противоточного теплообмена и теперь применяемый во всех ожижительных машинах.

Воздух поступает в компрессор K, в котором он сжимается до 200 атм. После этого он проходит через змеевик, охлаждаемый проточной водой, где он отдаёт тепло, выделившееся при сжатии. Таким образом, в дальнейший путь к сжижению идёт сжатый газ с температурой такой же, как и до сжатия. Этот газ проходит затем через змеевик ab к дроссельному вентилю (крану) V1 и расширяется через него в приёмник f до давления в 1 атм. При этом расширении газ несколько охлаждается, но не настолько, чтобы превратиться в жидкость. Охлаждённый, но не сжижавшийся газ возвращается затем обратно через змеевик cd. Оба змеевика, ab и cd, 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 ещё предстоит расшириться через вентиль V1. В этом и заключается метод противоточного обмена теплом.

Ясно, что вторая порция газа подойдёт к расширительному вентилю V1, имея более низкую температуру, чем первая, а после дросселирования она ещё больше понизится. Таким образом, к вентилю будет подходить всё более холодный газ. Через некоторое время после начала работы машины постепенное охлаждение газа холодными встречными потоками приведёт к тому, что газ при очередном дросселировании начнёт частично сжижаться и накапливаться в приёмнике f, откуда он может быть слит через кран V2 в сосуд для хранения сжиженных газов (сосуд Дьюара).

При установившимся процессе работы машины в разных её местах наблюдаются приблизительно такие температуры: у входа в змеевик ab температура 293 К (комнатная); на выходе из этого змеевика 170 К; после дросселирования 80 К, у входа в змеевик cd 80 К; на выходе из него – комнатная температура. Давление перед вентилем 200 атм, после дросселирования 1 атм.

Устройство, включающее оба змеевика ab и cd, 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. Встречный поток охлаждённого газа низкого давления проходит по внешней трубке, омывая внутреннюю и охлаждая, таким образом, газ в ней.

Второй метод сжижения газов называется методом Клода, он основан на методе адиабатного расширения в детандерах. Рассмотрим его принципиальное отличие от метода Линде.

При дросселировании газа охлаждение достигается за счёт внутренней работы, совершаемой газом против сил притяжения между молекулами. Как известно, охлаждение газа происходит и в том случае, когда он адиабатно расширяется, совершая внешнюю работу. Газ, расширяясь и совершая при этом работу, уменьшает свою внутреннюю энергию, а значит, и температуру. Это в равной мере относится и к идеальному, и к реальному газам. Причиной охлаждения газа при совершении им внешней работы является уменьшение скоростей молекул при их ударах об удаляющийся от них поршень, которому они передают часть своей кинетической энергии. Охлаждение при адиабатном расширении с совершением внешней работы должно быть более эффективным, чем при дросселировании, так как адиабатное расширение – процесс обратимый, в то время как эффект Джоуля – Томсона – процесс необратимый. А, как известно, обратимость процессов в машине обеспечивает большой коэффициент полезного действия. Часть, в которой происходит расширение газа, называется детандером.

Впервые такая машина для сжижения газов (рисунок ниже) была построена Клодом в 1902 году для сжижения воздуха.

Рассмотрим принцип действия этой машины. Газ подвергается изотермическому сжатию в компрессоре K, откуда он поступает в теплообменник E1. Здесь он разделяется на два потока (в точке O). Первый идёт через теплообменник E2 к дроссельному вентилю и подвергается дросселированию с охлаждением за счёт эффекта Джоуля – Томсона; второй поток (на его долю приходится 80% газа) поступает в детандер, расширяется в нём, совершая работу, и за этот счёт охлаждается. Из детандера охлаждённый газ возвращается в теплообменник E1, охлаждая встречную очередную порцию сжатого газа. К нему в точке Oґ присоединяется и тот газ, который охладился в результате дросселирования. До этого он, проходя через теплообменник E2, тоже охлаждал встречный газовый поток. Таким образом, из описания метода Клода 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 (после охлаждения в теплообменнике E1) 200 К; температура после расширения в детандере 110 К при давлении в 1 атм.

По сравнению с методом адиабатического охлаждения метод, основанный на эффекте Джоуля – Томсона, обладает большей простотой. В нём не возникает проблемы смазки, поскольку используемая аппаратура не содержит никаких подвижных частей, работающих при низких температурах. Однако за эту простоту приходиться платить огромной потерей эффективности охлаждения и необходимостью работать при высоких давлениях с использованием больших количеств газа. Охлаждение, которое можно получить адиабатическим расширением, обычно много больше того, что даёт эффект Джоуля – Томсона. Но при этом встречаются существенные трудности, связанные со смазкой подвижных узлов: при низких температурах масло замерзает. Например, Клод применял прокладки из сухой обезжиренной кожи. Роль смазки играл сам воздух, просачивающийся в небольшом количестве между уплотнением поршня и стенками цилиндра.

В начале XX века велись поиски способов повысить температуру в домнах, и тем самым упростить выплавку чугуна. Для этого предполагалось применять поддув в домну обогащённого кислородом воздуха. Кислород получают из жидкого воздуха посредством пофракционной перегонки. Соответственно возникла проблема получения жидкого воздуха в промышленных масштабах. Существовавший на то время способ охлаждения (дросселирование через тонкую трубку) был очень энергозатратным и недостаточно эффективным, что не позволяло применять кислород в металлургии. Попытки применять поршневые детандеры оканчивались неудачей, так как они быстро выходили из строя, забиваясь водяным льдом. Для применения поршневых детандеров воздух приходилось осушать, пропуская через специальные химические смеси, что опять же чрезмерно усложняло и удорожало процесс.

Таким образом — дальнейшему развитию криогеники мешала одна мааленькая деталь: производительность. Она оставалась ниже плинтуса и стоимость оборудования и газов — была очень высокой.

Однако, в первой половине 20-го века произошел перелом.

П. Л. Капица начал штурм «кислородно-криогенной» крепости именно с турбодетандера. Он был вторым, после Ж. Клода, творцом поршневого детандера (вспомним, что Капица еще в 1934 г. в Кембридже создал первый гелиевый поршневой детандер), но с турбодетандерами, также как вообще с турбомашинами, он никогда не имел дела. Именно это (в сочетании, разумеется, с выдающимися способностями и физика, и инженера) ему, по-видимому, и помогло.

За необычайно короткий срок — два года — он с блеском решил задачу, создав новую машину, настолько эффективную, что она обеспечила целую революцию в криогенной технике.

Разработка турбодетандера позволила применять кислород в доменных печах и конвертерах. Это не только упростило выплавку чугуна, но и упростило преобразование чугуна в железо (сталь). Получаемая сталь была более высокого качества, чем ранее, так как содержала меньше растворённого в ней азота. Применение чистого кислорода вместо воздуха также существенно повышает температуру в конвертере, что позволяет в нём переплавлять существенно большее количество металлолома.

Устройство и работа бессемеровского конвертера (Бессеме́ровский процесс, бессемерование чугуна, производство бессеме́ровской стали — в настоящее время устаревший метод передела жидкого чугуна в сталь путём продувки сквозь него сжатого воздуха, обычного атмосферного или обогащённого кислородом. Процесс был предложен в Англии Генри Бессемером в 1856 году)

Конве́ртер (англ. converter, от лат. convertere — превращать) — аппарат (вид печи) для получения стали из передельного расплавленного чугуна и шихты продувкой воздухом или технически чистым кислородом. В настоящее время чаще применяется кислород, который подается в рабочее пространство конвертера через фурмы (под давлением около 1,5 МПа). Такой метод получения стали называют конвертерным или кислородно-конверторным. Более половины всей стали в мире получается конвертерным способом.

Конвертер представляет собой ёмкость, состоящую из трех частей: верхней — шлема, средней — цилиндра и нижней — днища. Днище может быть приставным, вставным или цельным с цилиндрической частью. В этом случае конвертер называют глуходонным.

Метод характеризуется высокой производительностью: конвертерный цех в составе трёх 400-тонных конвертеров может обеспечить годовой объём производства на уровне 10 миллионов тонн стали.

Основные страны-производители стали в кислородных конвертерах: Китай, Япония, США, Россия, Германия, Южная Корея, Украина, Бразилия, Индия.

Конвертер (или конвертирование как процесс) применяется и в цветной металлургии, в частности, для удаления избыточных железа и серы из сульфидных расплавов (штейнов), с получением файнштейна или белого матта — маложелезистых сплавов сульфидов цветных металлов. При дальнейшей продувке белого матта в конвертере может быть получена черновая медь.

Чем же объясняется резкое повышение КПД турбодетандера (на 15-20%, которых не хватало), достигнутое Капицей? Очевидно, что тут дело было не в частных усовершенствованиях, а в принципиальном изменении.

Чтобы разобраться, в чем здесь дело, посмотрим, как устроен турбодетандер внутри.

Как и у всякой турбины, в. нем имеется расположенный по периферии неподвижный направляющий аппарат и помещенное внутри него вращающееся рабочее колесо. В направляющем аппарате по окружности расположены сопла, где, расширяясь, поток рабочего тела разгоняется и приобретает определенную скорость. Попадая на лопатки рабочего колеса, рабочее тело вращает его, производя работу и отдавая энергию. Скорость при этом снижается. Отработавшее рабочее тело выпускается через патрубок в центре рабочего колеса. Так устроены все турбины — паровые, газовые и водяные. По характеру движения текущего рабочего тела в направляющем аппарате и колесе турбины делятся на активные и реактивные. В турбодетандере активного типа направляющий аппарат имеет сужающиеся каналы, в которых газ разгоняется до большой скорости (близкой к скорости звука, т.е. несколько сот метров в секунду) и снижает начальное давление р1 до значения рm почти равного конечному р2. Струи газа, попадая на вогнутые короткие лопатки рабочего колеса, меняют направление, оказывая на них давление, и вращают его.

Таким образом, кинетическая энергия потока преобразуется в работу. При этом давление газа падает незначительно, достигая конечного р2, а температура понижается.

По такому принципу работали все прежние турбодетандеры. П. Л. Капица решил перейти на другой принцип и создал реактивный (вернее, активно-реактивный) турбодетандер. В нем «распределение обязанностей» между направляющим аппаратом и рабочим колесом стало совсем другим, близким к тому, которое существует в водяных турбинах. Направляющий аппарат здесь снабжен менее длинными каналами, и в нем срабатывается лишь часть интервала давления от p1 до р2; значение pm находится примерно посередине. Газ разгоняется до значительно меньшей скорости, чем звуковая; она достигает лишь значения, необходимого для плавного, безударного входа в каналы рабочего колеса. Лопатки его сделаны длинными, и газ, проходя в каналах между ними, срабатывает оставшуюся часть рm — р2 интервала давлений, расширяясь в них. Работа совершается уже не только в результате изменения направления потока газа, но и под действием реакции струи, вытекающей из межлопаточных каналов (отсюда и термин «реактивный»).

Работа над турбодетандером началась в 1936 г., а уже в 1938 г. в ИФП был создан небольшой опытный турбодетандер, у которого КПД составлял около 0,8! Затем, «не переводя дыхания», на базе этого турбодетандера была собрана опытная установка низкого давления воздуха, на которой получался жидкий воздух. Характерно, что все оборудование этой установки (за исключением компрессора) делалось из подручных материалов и изделий в мастерских ИФП. При этом была проявлена в высшей мере эффективная «солдатская находчивость». Так, например, механизм переключения регенераторов приводился в движение двумя электромагнитными транспортными тормозами завода «Динамо». Таким образом, впервые удалось ожижить воздух, не сжимая его предварительно до высокого давления.

Наряду с процессами ожижения Линде и Клода, о которых мы уже говорили, появился новый, получивший в дальнейшем название «процесс Капицы».

Теперь же КПД турбодетандера, несмотря на его малые размеры, не только достиг заветного рубежа 0,8, но и перешел его, причем в наиболее сложных условиях — с окончанием процесса на границе ожижения. Успешный пуск и опытная эксплуатация экспериментальной установки показали, что путь к использованию низкого давления не только в технике ожижения воздуха, но и для его разделения открыт. Это, разумеется, не снимало необходимости решить целый ряд задач как по организации достаточной очистки воздуха и его ректификации, так и других, но в основе проблема была разрешена.
Публикация результатов этих работ в начале 1939 г. произвела подлинную сенсацию и поначалу вызвала некоторое замешательство среди специалистов-криогенщиков. Однако никакой явно выраженной реакции не последовало — как у нас, так и за границей еще изучали и «переваривали» сенсационную новость.

Первый турбодетандер, разработанный и изготовленный под руководством нобелевского лауреата в области физики, академика Петра Капицы.

Но в конечном итоге, изобретение академика Капицы в корне изменил всю мировую индустрию криогеники.

В военные годы необходимость в производстве жидкого кислорода из воздуха в промышленных масштабах резко возросла (в частности, для производства взрывчатки). Капица усиленно работал над внедрением в производство разработанной им кислородной криогенной установки. В 1942 году был изготовлен первый экземпляр турбокислородной установки производительностью до 200 кг/ч жидкого кислорода и в начале 1943 года запущен в эксплуатацию.

«Война обостряет нужду в кислороде, ‑ говорил Капица, выступая с докладом на собрании президиума 18 мая 1943 года. ‑ Нам надо действовать энергично, чтобы использовать для нашей страны все возможности, которые открывает для промышленности наш метод получения кислорода».

А в 1945 году была сдана установка с производительностью в десять раз больше, ставшая самой мощной в мире турбинной установкой для получения жидкого кислорода.

При обороне Сталинграда — жидкий кислород, получаемый по методу Капицы — использовался для изготовления одной из самых мощных взрывчаток — «оксиликвит»-а.

Из за недостатка взрывчатых веществ в осажденном городе, — обороняющиеся снаряжали отлитые из бетона корпуса авиабомб — опилками и заливали жидким кислородом. Срок годности такого состава был в пределах 4 часов.

Принцип работы современного турбодетандера

Технологический газ под давлением поступает через входной сопловой аппарат на рабочие лопатки расширительной турбины, отдавая им часть своей кинетической энергии и сообщая лопаткам крутящий момент. Рабочие лопатки передают крутящий момент через диск турбины на вал.

Таким образом, газ проходит из области высокого давления через турбину в область низкого давления, при этом расширяясь и ускоряясь. В результате этого процесса газ теряет свою температуру и вырабатывает механическую энергию вращения, которую используют для вращения находящегося с ним на одном валу генератора или компрессора. Отработанный газ выпускается через выходной диффузор.

Принцип работы турбодетандера

Турбодетандеры могут несколько отличаться по внешнему виду, но их суть остается, как правило, неизменной — они содержат 2 колеса-крыльчатки

Следуя Первому началу термодинамики, турбодетандер преобразует внутреннюю энергию сжатого газа в механическую с понижением его температуры. Иными словами, турбодетандер – динамическая расширительная машина лопаточного типа, в которой происходит адиабатическое расширение потока газа с совершением внешней механической работы. Расширение газа с отводом энергии приводит к понижению давления и температуры газа.

То есть, упрощая, можно сказать что на одном концу вала — усредненного турбодетандера — находится нагнетательная турбина, на другом — турбодетандер. Сжатый турбиной до 2-5 бар воздух — поступает на турбодетандер, совершает работу, расширяется и теряет температуру. Вуаля: жидкий газ! (после нескольких прогонов).

Ничего не понятно!

Ок, еще короче — это машина, которая позволяет дешево и просто произвести много жидкого газа и для его производства не требуется высокое давление в 200 бар (как при существоваших до появления турбодетандера способах) — а достаточно низкого давления в 2-5 бар (в теории, достаточно даже бытового компрессора из хозмага!).

Вот теперь — другое дело! (Надеемся, теперь вы догадались, какое слово зашифровано в самом начале?)

Турбодетандеры бывают абсолютно разных размеров. От этого зависит только их производительность.

И вот тут мы пришли к самому главному. Самый нетерпеливый из читателей, полностью осиливший этот лонгрид, спросит:

«Ну и что мне с того? Ну да, были великие люди, делали великие вещи. Как это может быть мне полезно?»

Чтобы ответить на этот вопрос, следует обозначить несколько фактов:

1) Что в российском сегменте интернета, что в зарубежном — можно по пальцам одной руки пересчитать эксперименты любителей, интересовавшихся и построивших хоть что то из области криогеники(сжижения газов). Эта область почему то незаслуженно обходится любителями.

Одним из довольно известных экспериментов является построенный американским любителем — генератор жидкого азота. Свой опыт он подробно описал здесь.

Однако, данный эксперимент весьма далек от скоростных возможностей турбодетандера.

2) В те времена, когда многоуважаемый академик Капица создавал свой турбодетандер, еще не было продвинутых способов обработки, вроде ЧПУ или 3D печати металлом. Настоящее время предоставляет гораздо более богатые возможности, для пытливых умов.

Некоторые, даже создают весьма любопытные стартапы. Например, такие, как настольный станок гидроабразивной резки:

Современная 3d печать металлом или (более доступная для любителей) — печать пластиком или фотопечать, позволяют создавать сложные детали на дому. В том числе, для последующего литья металла по выплавляемой или выжигаемой модели.

На известном сайте «алиэкспресс» — продается множество индукционных плавилок металла, настольного формата, по низкой цене.

Другими словами, легко можно создать на дому — металлические колёса турбодетандера, маленького размера.

Полагаем, что мало какой самодельщик откажется налить с утра стакан пенного, запотевшего

жидкого азота — собственной

И, отвечая на вопрос, поставленный в самом начале, скажем: ответом является удивительное и остроумное устройство, известное под названием турбодетандер. Именно оно позволяет получить «много разного» из окружающего нас «ничего», то есть невидимого воздушного океана.

Отличный стартап, который принес бы много пользы и продвинул эксперименты множества экспериментаторов!

Связанные с добычей, транспортировкой и переработкой природного газа технологии развиваются стремительными темпами. И у многих сегодня на слуху аббревиатуры СПГ (LPG) и СУГ (LNG). Практически через день в новостях в том или ином контексте упоминается природное газовое топливо.

Но, согласитесь, чтобы иметь четкое понимание о происходящем, важно изначально разобраться, как сжижается газ, зачем это делается и какую выгоду дает либо не дает. А нюансов в данном вопросе существует масса.

Чтобы произвести сжижение газообразных углеводородов, строятся крупные высокотехнологичные заводы. Далее мы внимательно разберемся: для чего все это нужно и как происходит.

• Зачем сжижают природный газ?
• Технологии получения СУГ и СПГ
• Перспективы сжиженного водорода
• Выводы и полезное видео по теме