Ukapljivanje plinova
Ukapljivanje plinova uključuje nekoliko faza potrebnih za prijenos plina u tekuće stanje. Ovi se procesi koriste u znanstvene, industrijske i komercijalne svrhe. Svi se plinovi mogu reducirati u tekuće stanje jednostavnim hlađenjem pri normalnom atmosferskom tlaku. Međutim, za neke plinove dovoljno je određeno povećanje tlaka (ugljikov dioksid, propan, amonijak). Ostali (kisik, vodik, argon itd.) nalaze se u cilindrima u komprimiranom stanju. Činjenica je da se plin nikako ne može ukapiti visokotlačni iznad tzv. kritične temperature. Plinovi s kritičnom temperaturom znatno iznad sobne temperature (amonijak, sumporov dioksid, ugljični dioksid itd.) prvi su se ukapljivali, a bilo je dovoljno jedno povećanje tlaka. Za više detalja pogledajte: Eksperimenti s Faradayevom cijevi (dobivanje ukapljenih plinova) Kemija i kemičari broj 3 2012. Ukapljivanje se koristi za proučavanje temeljnih svojstava molekula plina (na primjer, međumolekulskih sila interakcije), za skladištenje plinova. Plinovi se ukapljuju u posebnim kondenzatorima, koji preuzimaju toplinu isparavanja, a u isparivačima se prevode u plinovito stanje, gdje se oslobađa toplina isparavanja.
Fizičke osnove ukapljivanja plina
Sve tvari, uključujući i one koje su u "normalnim zemaljskim uvjetima" u plinovitom stanju, mogu biti u tri glavna stanja - tekućem, krutom i plinovitom. svaka od supstanci se ponaša prema svom faznom dijagramu, opći oblik koji je sličan za sve tvari. Prema ovom dijagramu, da bi se plin ukapio, potrebno je ili smanjenje temperature, ili povećanje tlaka, ili promjena oba ova parametra.
Ukapljivanje plinova složen je proces koji uključuje mnoge kompresije i ekspanzije plina radi postizanja visokih tlakova i niskih temperatura, primjerice korištenjem ekspandera.
Primjena ukapljenih plinova
Zaklada Wikimedia. 2010. godine.
Pogledajte što je "ukapljivanje plinova" u drugim rječnicima:
Nastaju kada se ohlade ispod kritične ... Fizička enciklopedija
Moderna enciklopedija
Prijelaz tvari iz plinovitog stanja u tekuće stanje kada se pri određenom tlaku ohladi ispod temperature zasićenja. Za ukapljivanje plinova s niskom kritičnom temperaturom (154,2 K za O2, 126,2 K za N2, 33 K za H2, 5,3 K za He), kriogeni ... ... Veliki enciklopedijski rječnik
Ukapljivanje plinova- UKAPLJIVANJE PLINOVA, prijelaz tvari iz plinovitog u tekuće stanje kada se ohladi ispod temperature zasićenja (kritične temperature pri određenom tlaku). Za ukapljivanje plinova s niskom kritičnom temperaturom (126,2 K za dušik; 154,2 K za ... ... Ilustrirani enciklopedijski rječnik
UKAPLJIVANJE PLINA- proces pretvaranja plinova u tekuće stanje pomoću (vidi) dolje u (vidi) uz pomoć (vidi); provodi se u kompresorima i ekspanderima ... Velika politehnička enciklopedija
ukapljivanje plina- - Teme industrija nafte i plina EN ukapljivanje plinova ... Tehnički prevoditeljski priručnik
Prijelaz tvari iz plinovitog stanja u tekuće stanje. Ova godina se postiže njihovim hlađenjem ispod kritične temperature (vidi Kritična temperatura) (Tk) i naknadnom kondenzacijom kao rezultat uklanjanja topline isparavanja (kondenzacija). ... ... Velika sovjetska enciklopedija
Prijelaz u va iz plinovitog stanja u tekuće stanje. S. g. moguć je samo pri brzini pax manjoj od kritične temperature. U industriji S. g. s kritičnim. temperatura roja iznad temperature okoline (praktički iznad 50 °C) postiže se kompresijom plina u ... ... Veliki enciklopedijski politehnički rječnik
Prijelaz tvari iz plinovitog u tekuće stanje snižavanjem temperature i (ili) povećanjem tlaka. Moguće samo pri temperaturama ispod kritičnih. Za ukapljivanje plinova s niskom kritičnom temperaturom (154,2 K za O2, 126,2 K za N2, 33 K ... enciklopedijski rječnik
ukapljivanje plina- dujų skystinimas statusas T sritis chemija apibrėžtis Slegiamų ir šaldomų dujų vertimas skysčiu. atitikmenys: engl. likvidacija plina; gas liquefaction eng. ukapljivanje plina; ukapljivanje plina... Chemijos terminų aiskinamasis žodynas
Tekućine mogu postojati samo na temperaturama ispod kritične. Stoga, da bi se plin ukapio, prvo ga je potrebno ohladiti ispod kritične temperature, a zatim podvrgnuti kompresiji. Kao što se može vidjeti iz tablice XIII, plinovi kao što su kisik, dušik, vodik i posebno helij zahtijevaju vrlo niske temperature da bi se ukapili.
Tablica XIII (vidi sken) Kritične točke i vrelišta (pri atmosferskom tlaku) za neke plinove
Jedna od prvih industrijskih metoda za ukapljivanje plinova (Lindeova metoda, 1895.) koristila je Joule-Thomsonov učinak.
Shema Linde stroja prikazana je na slici 6.21. Komprimiran kompresorom K i, kao rezultat toga, donekle zagrijan, plin prolazi kroz hladnjak X, gdje odaje toplinu tekuća voda i ohladiti na prvobitnu temperaturu. Plin zatim prolazi kroz zavojnicu do prigušnog ventila (pipna) i širi se u prijemnik B uz pad tlaka od oko stotina atmosfera na jednu atmosferu. Neposredno nakon pokretanja postrojenja, pad temperature nije dovoljan za ukapljivanje plina. Lagano ohlađeni plin šalje se natrag u kompresor preko zavojnice. Obje zavojnice su u bliskom toplinskom kontaktu (obično je jedna zavojnica umetnuta u drugu) u protustrujnom izmjenjivaču topline. U izmjenjivaču topline, plin koji ide u kompresor na niža temperatura hladi nadolazeći tok plina. Očito je da će u drugom ciklusu plin prići ventilu A na nižoj temperaturi od
to je bilo tijekom njegovog prvog prolaska, a nakon prigušivanja temperatura će pasti još više. Sa svakim ciklusom, kao rezultat prigušenja i djelovanja izmjenjivača topline, temperatura plina će se sve više smanjivati i na kraju će pasti toliko da dio plina nakon ekspanzije prelazi u tekućinu i nakuplja se u prijemniku B , odakle se tekućina može ispustiti u Dewarovu posudu kroz ventil
Opisani princip protustrujne izmjene topline koristi se u svim strojevima za ukapljivanje plinova, iako izvedba takvih izmjenjivača topline može biti vrlo raznolika.
Još industrijska metoda ukapljivanje plinova (Claudeova metoda, 1902.) temelji se na dodatnom hlađenju plina kada on radi. Komprimirani plin nakon ventila (sl. 6.21) šalje se u klipni stroj (ekspander), gdje on, šireći se, vrši rad pokretanja klipa zahvaljujući kinetičkoj energiji molekula (ekspander nije prikazan na slici ). Kao rezultat toga, učinak snižavanja temperature plina postaje značajniji nego u stroju Linde. Ovu je metodu poboljšao sovjetski znanstvenik P. L. Kapitsa (1934), koji je umjesto klipnog ekspandera koristio malu turbinu (turbo ekspander) koju pokreće ohlađeni plin (rotor ekspandera). male veličine, a težina mu se mjeri u samo stotinama grama).
Trenutno se za ukapljivanje plinova u većini slučajeva koriste strojevi s ekspanzijom u ekspanderima. Kod ukapljivanja helija za predhlađenje u strojevima s turbo ekspanderima, umjesto vodika koristi se dušik, što značajno povećava produktivnost i ekonomsku učinkovitost uređaja. Osim toga, uz istu produktivnost, strojevi s turbo-ekspanderima su nekoliko puta manji od strojeva koji rade prema Linde shemi.
Ukapljen prirodni gas ili skraćeno LNG, kako je to uobičajeno zvati u energetici (engleski odn. Ukapljeni prirodni plin, skr. LNG) je obični prirodni plin ohlađen na -162°C (tzv temperatura ukapljivanja) za skladištenje i transport u tekućem obliku. Ukapljeni plin se skladišti na točki vrelišta, koja se održava zahvaljujući LNG isparavanje. Ova metoda skladištenja LNG-a je zbog činjenice da za metan, glavna komponenta LNG-a, kritična temperatura je –83°C, što je puno niže od temperature okoline, i ne omogućuje skladištenje ukapljenog prirodnog plina u visokotlačnim spremnicima (za referencu: kritična temperatura za etan je +32°C, za propan +97°C). Za upotrebu, LNG se isparava do svog izvornog stanja bez prisutnosti zraka. U ( povratak plina u prvobitno stanje pare) od jednog kubnog metra ukapljeni plin proizvodi se oko 600 kubnih metara konvencionalnog prirodnog plina.
temperatura LPG-a
Krajnje niske temperature LNG to čini kriogena tekućina. Kao opće pravilo, tvari s temperaturom od -100°C (-48°F) ili čak niže se smatraju kriogeni i zahtijevaju posebne tehnologije za obradu. Usporedbe radi, najniža zabilježena temperatura na Zemlji je -89,2°C (Antarktik), a u naselju -77,8°C (selo Oymyakon, Yakutia). Kriogena temperatura ukapljenog prirodnog plina znači da kontakt s LNG-om može promijeniti svojstva materijala u kontaktu, koji će nakon toga postati krti i izgubiti svoju čvrstoću i funkcionalnost. Stoga se u LNG industriji koriste posebne tehnologije.
Kemijski sastav LNG-a
Sirova nafta i prirodni plin su fosilna goriva poznata kao "ugljikovodici" jer sadrže kemijske kombinacije atoma ugljika i vodika. Kemijski sastav prirodnog plina ovisi o tome gdje se plin proizvodi i prerađuje. Ukapljeni prirodni plin predstavlja smjesa metan, etan, propan i butan s malom količinom težih ugljikovodika i nekih nečistoća, posebno dušikovih i sumpornih kompleksa, vode, ugljičnog dioksida i sumporovodika, koji mogu postojati u napajanju plina, ali moraju biti uklonjeni prije toga. Metan je najvažnija komponenta, obično, iako ne uvijek, više od 85% volumena.
LPG Gustoća
Budući da je LNG mješavina, gustoća ukapljenog prirodnog plina neznatno varira sa svojim stvarnim sastavom. Gustoća ukapljenog prirodnog plina, u pravilu, kreće se u rasponu od 430–470 kilograma po metar kubni, a njegov volumen je otprilike 1/600 volumena plina u atmosferskim uvjetima. To ga čini oko trećinu lakšim od zraka. Još jedna posljedica ovih činjenica je da LNG ima nižu gustoću od vode, što mu omogućuje da pluta na površini u slučaju izlijevanja i vrlo brzo se vraća u paru.
Ostala svojstva LNG-a
Ukapljeni prirodni plin je bez mirisa, bez boje, nije korozivan, nije zapaljiv i nije otrovan. LNG se skladišti i transportira na ultra niskim temperaturama pri atmosferskom tlaku (bez visokih tlakova). Kada je izložen okolišu, LNG brzo isparava, ne ostavljajući tragove na vodi ili tlu.
U njegovom tekući oblik Ukapljeni prirodni plin nema sposobnost eksplodiranja ili paljenja. Na isparavanje prirodni se plin može zapaliti ako dođe u dodir s izvorom izgaranja i ako je koncentracija pare u zraku između 5 i 15 posto. Ako je koncentracija plinske pare manja od 5 posto, tada nema dovoljno pare za paljenje požara, a ako je veća od 15 posto, onda u okoliš doći će do nedostatka kisika.
Prednosti LNG-a
- Gustoća plina se povećava stotinama puta, što povećava učinkovitost i praktičnost skladištenja, kao i transporta i potrošnje energije.
- Ukapljeni prirodni plin - neotrovna kriogena tekućina, koji se čuva u toplinski izoliranoj posudi na temperaturi od –162°C. Velike količine LNG-a mogu se skladištiti pri atmosferskom tlaku.
- Mogućnost interkontinentalnog transporta LNG-a specijalnim vozilima, kao i transporta željeznicom i pogledi automobila transport u cisternama.
- Ukapljeni prirodni plin omogućuje rasplinjavanje objekata udaljenih od magistralnih cjevovoda na velikim udaljenostima stvaranjem rezerve LNG-a izravno kod potrošača, izbjegavajući izgradnju skupih cjevovodnih sustava.
S gledišta potrošača, prednosti ukapljenog prirodnog plina na njegovoj osnovi sastoje se iu činjenici da LNG nije samo izvor plina koji se transportira plinovodima, već i izvor NGL (široka frakcija lakih ugljikovodika- etan, propan, butani i pentani), koji su dio LNG-a i ispuštaju se iz LNG-a tijekom regasifikacija. Ti se ugljikovodici koriste kao petrokemijske sirovine i kao izvor čistog goriva za razne vrste transportu (kao i u svakodnevnom životu). U bit će odabir razlomka s 2 + ili s 3 +. Mogućnost prijevoza NGL kao dio ukapljenog prirodnog plina, djeluje ne samo u korist potrošača, već i rješava probleme proizvođača u smislu transporta NGL iz plinskog polja.
Ukapljeni prirodni plin je siguran, ekološki prihvatljivo gorivo s visokim energetskim svojstvima i oktanskim brojem. Cijena LNG-a po cijeni za potrošača nižoj od cijene ukapljenog naftnog plina, loživog ulja, a još više dizelskog goriva.
Eksperimentalna činjenica o hlađenju tvari tijekom isparavanja poznata je već dugo i čak se koristi u praksi (na primjer, korištenje poroznih posuda za očuvanje svježine vode). Ali prvo znanstveno istraživanje ovog pitanja poduzeo je Gian Francesco Cigna i opisao ga je u djelu iz 1760. "De frigore ex evaporation" ("O hladnoći zbog isparavanja").
Cigna je dokazao da što je brže isparavanje, to je hlađenje intenzivnije, a Meran je pokazao da ako pušete na mokri balon termometra, pad temperature će biti veći nego u istom eksperimentu sa suhim balonom termometra. Antoine Beaumet (1728-1804) otkrio je da isparavanje sumpornog etera hladi više nego isparavanje vode. Na temelju tih činjenica Tiberio Cavallo je 1800. godine kreirao hladnjak, a Wollaston je 1810. godine izgradio svoj poznati kriofor koji se i danas koristi. Na temelju ovog uređaja 1820. godine nastao je Danielov higrometar. Rashladni stroj postao je praktično primjenjiv tek nakon 1859. godine, odnosno nakon što je Fernand Carré (1824.-1894.) objavio svoju metodu dobivanja leda isparavanjem etera, koji je kasnije zamijenjen amonijakom. Godine 1871. Carl Linde (1842.-1934.) opisao je rashladni stroj koji je stvorio u kojem se hlađenje postiže ekspanzijom plina. Godine 1896. kombinirao je ovaj stroj s protustrujnim izmjenjivačem topline opisanim u tečajevima fizike, što mu je omogućilo dobivanje tekućeg vodika. Eksperimentalni rezultati koje su do tada postigli fizičari počeli su se uvoditi u industriju.
Problem ukapljivanja plina ima višestoljetnu povijest koja seže u drugu polovicu 18. stoljeća. Sve je započelo ukapljivanjem amonijaka jednostavnim hlađenjem, koje je proizveo van Marum, sumpornim anhidridom Monge i Clouet, klorom Northmore (1805.) i ukapljivanjem amonijaka metodom kompresije koju je predložio Baccelli (1812.).
Charles Cagnard de Latour (1777.-1859.) i Michael Faraday (1791.-1867.) istodobno su i neovisno jedan o drugome dali odlučujući doprinos rješenju ovog problema.
U nizu radova objavljenih 1822. i 1823., Cañard de Latour opisao je pokuse koje je izveo kako bi utvrdio postojanje određene granične ekspanzije za tekućinu (kako se intuitivno osjeća) iza koje, bez obzira na primijenjeni pritisak, svi od toga prelazi u stanje pare. U tu je svrhu de Latour stavio kamenu kuglu u kotao napunjen alkoholom do jedne trećine i počeo postupno zagrijavati kotao. Prema buci koju je proizvodila kuglica koja se okreće u kotlu, de Latour je zaključio da je na određenoj temperaturi sav alkohol ispario. Pokusi su ponovljeni s malim cijevima; iz cijevi je odstranjen zrak, a zatim su do 2/5 ispunjene ispitivanom tekućinom (alkohol, eter, benzin) i zagrijane na plamenu. Kako se temperatura povećavala, tekućina je postajala sve pokretljivija, a granica između tekućine i pare postajala je sve nejasnija, dok na određenoj temperaturi nije potpuno nestala i činilo se da se cijela tekućina pretvorila u paru. Spajanjem ovih cijevi na manometar sa potisnut zrak, Cañard de Latour je uspio izmjeriti tlak koji se uspostavlja u cijevi u trenutku kada nestane sučelje između tekućine i pare, te odgovarajuću temperaturu. Suprotno uvriježenom mišljenju, Cañard de Latour ne samo da nije odredio kritičnu temperaturu za vodu u tim pokusima, nego nije uspio čak ni potpuno ispariti vodu, jer su cijevi uvijek pucale prije nego što je postignut željeni učinak.
Konkretniji rezultat sadržan je u pokusima Faradaya, izvedenim 1823. godine sa savijenim staklenim cijevima, čiji je duži krak bio zatvoren. U ovaj krak Faraday je stavio tvar koja je, kada se zagrije, trebala dati plin koji se proučava, zatim je zatvorio drugi, kratki krak cijevi i uronio cijev u rashladnu smjesu. Ako se nakon toga tvar zagrije u dugom kraku cijevi, tada nastaje plin čiji tlak postupno raste, au mnogim slučajevima Faraday je ukapljio plin u kratkoj cijevi. Tako je Faraday zagrijavanjem natrijevog bikarbonata dobio tekuću ugljičnu kiselinu; na isti je način dobivao tekući sumporovodik, klorovodik, sumporni anhidrid itd.
Pokusi de Latoura i Faradaya pokazali su da se plin može ukapiti podvrgavanjem visokom tlaku. Mnogi su fizičari počeli raditi u tom smjeru, posebice Johann Natterer (1821.-1901.). Međutim, neki plinovi (vodik, kisik, dušik) nisu se mogli ukapljiti na ovaj način. Godine 1850. Vertelo je podvrgao kisik tlaku od 780 atm, ali nije mogao postići ukapljivanje. To je natjeralo Vertela da se pridruži mišljenju Faradaya, koji je, uvjeren da će prije ili kasnije biti moguće dobiti čvrsti vodik, vjerovao da sam pritisak nije dovoljan za ukapljivanje određenih plinova, tada nazvanih "trajnim" ili "neukrotivim".
Iste 1845., kada je Faraday izrazio ovo razmatranje, Regnault je, uočivši da pri niskim temperaturama ugljični dioksid ima nenormalnu kompresibilnost, a kada se približi 100 °C počinje slijediti Boyleov zakon, iznio pretpostavku da za svaki plin postoji određena temperaturni raspon gdje se pokorava Boyleovom zakonu. Godine 1860. Regnault je razvio i modificirao ovu ideju Dmitrija Ivanoviča Mendeljejeva (1834-1907), prema kojoj za sve tekućine mora postojati "apsolutna točka vrenja", iznad koje može postojati samo u plinovitom stanju, bez obzira na tlak.
Proučavanje ovog pitanja nastavljeno je 1863 novi oblik Thomas Andrews (1813-1885). Godine 1863. Andrews je uveo ugljični dioksid u kapilarnu cijev, zaključavajući volumen plina sa stupcem žive. Uz pomoć vijka proizvoljno je postavljao tlak pod kojim se nalazi plin, postupno mijenjajući temperaturu. Postigavši djelomično ukapljivanje plina pukim povećanjem tlaka i zatim polaganim zagrijavanjem cijevi, Andrews je uočio iste pojave koje je Cañard de Latour istraživao 30 godina prije njega. Kada je temperatura ugljičnog dioksida dosegla 30,92°C, sučelje između tekućine i plina je nestalo i nikakav pritisak nije mogao proizvesti tekući ugljični dioksid natrag. U svom detaljnom radu iz 1869. Andrews je predložio da se temperatura od 30,92°C nazove "kritičnom točkom" za ugljični dioksid. Istom metodom odredio je kritične točke za klorovodik, amonijak, sumporni eter i dušikov oksid. Predložio je zadržati izraz "para" za plinovite tvari na temperaturi ispod kritične točke, a primijeniti izraz "plin" na tvari na temperaturi iznad kritične točke. Ovo Andrewsovo gledište potvrdili su već spomenuti Nattererovi pokusi, koje je on izveo od 1844. do 1855., u kojima su trajni plinovi bili podvrgnuti tlaku do 2790 atm, bez ukapljivanja, te brojni slični pokusi koje je 1870. započeo Emil Amaga (1841.- 1915.), u kojoj su postizani pritisci do 3000 atm.
Svi ovi negativni eksperimentalni rezultati potvrdili su Andrewsovu hipotezu da su trajni plinovi tvari za koje je kritična temperatura niža od vrijednosti koje su u tom trenutku dosegnute, tako da se njihovo ukapljivanje može provesti prethodnim dubokim hlađenjem, po mogućnosti s naknadnim kompresija. Tu su hipotezu 1877. briljantno potvrdili Louis Calet (1832.-1913.) i Raoul Pictet (1846.-1929.), koji su neovisno jedan o drugom uspjeli ukapljiti kisik, vodik, dušik i zrak nakon jakog prethodnog hlađenja. Radove Calhetea i Picteta nastavili su i drugi fizičari, ali tek je pojava rashladnog stroja Linde, koji smo već spomenuli, učinila metode ukapljivanja praktično dostupnima, omogućivši dobivanje ukapljenih plinova u velikim količinama i njihovu široku primjenu u znanosti. istraživanja i u industriji.
SPECIFIČNI TOPLINSKI KAPACITET PLINOVA
Metode za određivanje specifičnog toplinskog kapaciteta bilo je teško primijeniti na plinovite tvari zbog male specifična gravitacija plinovi i pare. Stoga je početkom 19. stoljeća Pariška akademija znanosti raspisala natječaj za najbolju metodu mjerenja specifične topline plina. Nagrada je dodijeljena Francoisu Delarocheu (? - 1813.?) i Jacquesu Berardu (1789.-1869.), koji su predložili da se u kalorimetar postavi zavojnica kroz koju bi, pri poznatoj temperaturi, prolazio plin pri fiksnom tlaku. Ova metoda zapravo nije bila nova; to je 20 godina ranije predložio Lavoisier. Bilo kako bilo, rezultati koje su dobili Delaroche i Berard prezentirani su na tečajevima fizike pola stoljeća. Zasluga ovih znanstvenika prije svega je u tome što je skrenuta pozornost na potrebu razlikovanja specifičnih toplinskih kapaciteta pri stalnom tlaku i pri stalnom volumenu. Potonju je vrijednost vrlo teško izmjeriti zbog niskog toplinskog kapaciteta plina u usporedbi s toplinskim kapacitetom rezervoara koji ga sadrži.
Ali nekoliko godina prije pojave djela Delarochea i Berarda, započelo je istraživanje neobičnog fenomena, koji je uočio Erasmus Darwin (1731.-1802.) 1788., a zatim 1802. Dalton, a koji se sastoji u činjenici da kompresija zrak uzrokuje njegovo zagrijavanje, a širenje dovodi do hlađenja. Početkom proučavanja ovog fenomena obično se smatra Gay-Lussacovo iskustvo (1807.), koje je ponovio Joule 1845. Gay-Lussac je spojio dva cilindra s cijevi, kao što je to učinio Guericke; jedan od cilindara bio je napunjen zrakom, a drugi je bio prazan; iz napunjenog cilindra zrak je mogao slobodno strujati u prazan. Kao rezultat toga, utvrđeno je smanjenje temperature prvog cilindra i povećanje temperature drugog. Ovakvo toplinsko ponašanje zraka dovelo nas je do toga da vjerujemo da specifična toplina pri konstantnom tlaku mora biti veća nego pri konstantnom volumenu, bez obzira kojoj se teoriji o prirodi topline pridržavamo. Doista, ako se ekspandirajući plin hladi, tada mu je dopuštanjem da se ekspandira tijekom zagrijavanja potrebno dodati dodatnu toplinu kako bi se kompenziralo hlađenje koje prati ekspanziju.
Na temelju ovih eksperimentalnih činjenica Laplace je 1816. godine došao do brilijatna ideja da se dobro poznata razlika između vrijednosti brzine zvuka, dobivene iz iskustva, i njezine teorijske vrijednosti, dobivene iz Newtonovog zakona, može objasniti promjenom temperature koju doživljavaju slojevi zraka tijekom izmjeničnog sabijanja i razrjeđivanja. Na temelju tih teorijskih postavki Laplace je korigirao Newtonovu formulu uvodeći u nju koeficijent jednak omjeru specifičnih toplinskih kapaciteta pri stalnom tlaku i pri stalnom volumenu za zrak. Usporedba eksperimentalne vrijednosti brzine zvuka u zraku i teorijske vrijednosti dobivene iz Newtonove formule omogućila je pronalaženje omjera specifičnih toplinskih kapaciteta. Na taj neizravan način fizičari su uspjeli doći do prvih podataka o vrijednosti tog omjera, a time, budući da je bila poznata vrijednost specifične topline pri konstantnom tlaku, procijeniti specifičnu toplinu zraka pri konstantnom volumenu. Nekoliko godina kasnije (1819.), Nicolas Clément (1779.-1841.) i Charles Desorme (1777.-?) uspjeli su izravno odrediti omjer toplinskih kapaciteta, koji se, unutar eksperimentalnih pogrešaka, podudarao s onim koji je pronašao Laplace.
Godine 1829., kao rezultat suptilnog i mukotrpnog istraživanja, Dulong je odredio omjer toplinskih kapaciteta za različite plinove, za koje je izazvao zvuk u cijevi pomoću strujanja različitih plinova. Ovim pokusima došao je do zaključka da se u plinovima i parama pod jednakim uvjetima (volumen, tlak, temperatura) stvara ista količina topline uz jednako relativno kompresiju ili ekspanziju.
Imajte na umu da je Dulongovu metodu 1866. znatno poboljšao Kundt (1839-1894), koji je uveo posebnu cijev (ta se cijev danas naziva Kundtova cijev). Kundtova metoda još uvijek se smatra jednom od najbolje prakse određivanje omjera specifičnih toplinskih kapaciteta.
Sastavila Savelyeva F.N.
Velika proizvodnja ukapljenog prirodnog plina
Transformacija prirodnog plina u tekuće stanje provodi se u nekoliko faza. Prvo se uklanjaju sve nečistoće - prvenstveno ugljični dioksid, a ponekad i minimalni ostaci sumpornih spojeva. Zatim se izvlači voda, koja bi se inače mogla pretvoriti u kristale leda i začepiti postrojenje za ukapljivanje.
U pravilu se posljednjih godina za složeno pročišćavanje plina od vlage, ugljičnog dioksida i teških ugljikovodika koristi adsorpcijska metoda dubokog pročišćavanja plina na molekularnim sitima.
Sljedeća faza je uklanjanje većine teških ugljikovodika, nakon čega uglavnom ostaju metan i etan. Plin se tada postupno hladi, obično dvocikličnim postupkom hlađenja u nizu izmjenjivača topline (isparivači hladnjaka). Pročišćavanje i frakcioniranje, kao i glavni dio hlađenja, provode se pod visokim tlakom. Hladnoća se proizvodi jednim ili više ciklusa hlađenja, što omogućuje smanjenje temperature na -160°C. Zatim postaje tekućina pri atmosferskom tlaku.
proizvodnja ukapljenog prirodnog plina
Slika 1. Proces ukapljivanja prirodnog plina (dobivanje LNG-a)
Ukapljivanje prirodnog plina moguće je samo kada se ohladi ispod kritične temperature. Inače se plin ne može pretvoriti u tekućinu čak ni pri vrlo visokom tlaku. Za ukapljivanje prirodnog plina na temperaturi jednakoj kritičnoj (T \u003d T cr), njegov tlak mora biti jednak ili veći od kritične, tj. P > Pkt. Kada se prirodni plin ukapljuje pri tlaku ispod kritičnog (R< Ркт) температура газа также должна быть ниже критической.
Za ukapljivanje prirodnog plina koriste se i principi unutarnjeg hlađenja, kada sam prirodni plin djeluje kao radni fluid, i principi vanjskog hlađenja, kada se koriste pomoćni kriogeni plinovi s nižim vrelištem (na primjer, kisik, dušik, helij). U potonjem slučaju, izmjena topline između prirodnog plina i pomoćnog kriogenog plina odvija se kroz površinu za izmjenu topline.
Na industrijska proizvodnja Najučinkovitiji LNG ciklusi su ciklusi ukapljivanja koji koriste vanjsko rashladno postrojenje (načela vanjskog hlađenja) koje radi na ugljikovodike ili dušik, koji ukapljuje gotovo sav prirodni plin. Široka uporaba primljeni ciklusi na mješavinama rashladnih sredstava, gdje se kaskadni ciklus s jednim protokom koristi češće od ostalih, u kojem je specifična potrošnja energije 0,55-0,6 kW "h / kg LNG-a.
U postrojenjima za ukapljivanje malog kapaciteta kao rashladno sredstvo koristi se ukapljeni prirodni plin, u ovom slučaju koriste se jednostavniji ciklusi: s prigušivanjem, ekspanderom, vrtložnom cijevi itd. U takvim postrojenjima koeficijent ukapljivanja je 5-20%, a prirodni plin mora biti prethodno komprimiran u kompresoru.
Ukapljivanje prirodnog plina temeljeno na unutarnjem hlađenju može se postići na sljedeće načine:
* izentalpijsko širenje komprimiranog plina (entalpija i = const), tj. prigušivanje (koristeći Joule-Thomsonov efekt); kada je prigušen, protok plina ne proizvodi nikakav rad;
* izentropsko širenje stlačenog plina (entropija S-const) uz povrat vanjskog rada; u ovom slučaju dobiva se dodatna količina hladnoće, osim one zbog Joule-Thomsonovog efekta, budući da se rad širenja plina obavlja zahvaljujući njegovoj unutarnjoj energiji.
Izentalpijska ekspanzija stlačenog plina u pravilu se koristi samo u aparatima za ukapljivanje malog i srednjeg kapaciteta, kod kojih se može zanemariti neka viška potrošnje energije. Izentropsko širenje stlačenog plina koristi se u uređajima visokih performansi (u industrijskim razmjerima).
Ukapljivanje prirodnog plina temeljeno na vanjskom hlađenju može se postići na sljedeće načine:
* pomoću Stirling, Vulemier-Taconis kriogeneratora itd.; radni fluidi ovih kriogeneratora su u pravilu helij i vodik, što omogućuje da se pri izvođenju zatvorenog termodinamičkog ciklusa postignu temperature na stijenci izmjenjivača topline ispod vrelišta prirodnog plina;
* korištenje kriogenih tekućina s vrelištem nižim od prirodnog plina, poput tekućeg dušika, kisika itd.;
* korištenje kaskadnog ciklusa s različitim rashladnim sredstvima (propan, amonijak, metan, itd.); u kaskadnom ciklusu, plin koji se lako može ukapljiti kompresijom, tijekom isparavanja stvara hladnoću potrebnu za snižavanje temperature drugog plina koji se teško ukapljuje.
Nakon ukapljivanja, LNG se stavlja u posebno izolirane spremnike za skladištenje, a zatim se utovaruje na LNG brodove za transport. Tijekom tog vremena prijevoza, mali dio LNG-a uvijek "ispari" i može se koristiti kao gorivo za motore tankera. Po dolasku na terminal potrošača, ukapljeni plin se istovara i stavlja u spremnike.
Prije nego što se LNG pusti u uporabu, ponovno se dovodi u plinovito stanje u stanici za ponovno rasplinjavanje. Nakon regasifikacije, prirodni plin se koristi na isti način kao i plin transportiran plinovodima.
Prijemni terminal LNG-a je manje složena struktura od postrojenja za ukapljivanje i sastoji se uglavnom od prihvatne točke, istovarne kocke, skladišnih spremnika, jedinica za obradu plina isparavanjem spremnika i mjerne stanice.
Tehnologija ukapljivanja plina, njegovog transporta i skladištenja već je u potpunosti ovladana u svijetu. Stoga je proizvodnja LNG-a industrija koja se prilično brzo razvija u globalnom energetskom sektoru.
Proizvodnja ukapljenog prirodnog plina u malim razmjerima
Suvremene tehnologije omogućuju rješavanje problema autonomne opskrbe električnom energijom za mala industrijska, društvena poduzeća i naselja stvaranjem energetskih objekata temeljenih na mini-energiji koja koristi LNG.
Autonomna mini-energetska postrojenja koja koriste ukapljeni prirodni plin ne samo da će pomoći u otklanjanju problema opskrbe energijom udaljenih regija, već će također pružiti alternativu za krajnju ovisnost potrošača o velikim dobavljačima električne i toplinske energije. Na ovaj trenutak mala proizvodnja LNG-a je atraktivno područje za ulaganja u energetske objekte s relativnom kratkoročno povrat na kapitalna ulaganja.
Postoji tehnologija za ukapljivanje prirodnog plina korištenjem energije pada tlaka plina na GDS-u uz uvođenje ekspander-kompresorskih jedinica, implementiranih na GDS-u Nikolskaya ( Lenjingradska oblast). Procijenjeni kapacitet postrojenja za LNG je 30 tona dnevno.
Postrojenje za ukapljivanje prirodnog plina sastoji se od jedinice izmjenjivača topline zamrzivača, sustava za hlađenje stlačenog plina, jedinice za ukapljivanje, dvostupanjske jedinice turboekspander-kompresora, automatizirani sustav kontrola i upravljanje radom instalacije (ACS), armature, uključujući one kontrolirane, i instrumentacije.
Slika 2. Shema postrojenja za ukapljivanje
Princip rada instalacije je sljedeći (slika 2).
Prirodni plin s protokom od 8000 Nm3/h i tlakom od 3,3 MPa dovodi se u turbokompresore K1 i K2 koji rade na istoj osovini kao i turboekspanderi D1 i D2.
Zbog prilično visoke čistoće prirodnog plina (sadržaj CO2 nije veći od 400 ppm), postrojenje za ukapljivanje prirodnog plina predviđa samo dehidraciju plina, što je, radi smanjenja troškova opreme, predviđeno metodom vlaga koja se smrzava.
U 2-stupanjskom turbopunjaču tlak plina raste do 4,5 MPa, zatim se komprimirani plin uzastopno hladi u izmjenjivačima topline T3-2 i T3-1 i ulazi u zamrzivač koji se sastoji od 3 izmjenjivača topline T11-1, T11-2 i T11-3 (ili T12-1, T12-2 i T12-3), gdje zbog korištenja hladnoće povratnog toka plina iz izmjenjivača topline T2-1 dolazi do smrzavanja vlage. Pročišćeni plin nakon filtra F1-2 dijeli se u dva toka.
Jedan tok (većina) šalje se u zamrzivač za povrat hladnoće, a na izlazu iz zamrzivača se uzastopno dovodi kroz filtar u turboekspandere D1 i D2, a zatim se šalje u povratni tok na izlazu iz separatora C2. -1.
Drugi tok se šalje u izmjenjivač topline T2-1, gdje se nakon hlađenja prigušuje kroz prigušnicu DR u separator C2-1, u kojem se tekuća faza odvaja od svojih para. Tekuća faza (ukapljeni prirodni plin) šalje se u akumulator i potrošač, a parna faza se sekvencijalno dovodi u izmjenjivač topline T2-1, zamrzivač T11 ili T12 i izmjenjivač topline T3-2, a nakon njega u izmjenjivač topline T2-1. niskotlačni vod koji se nalazi nakon stanice za distribuciju plina, gdje tlak postaje jednak 0,28-0,6 MPa.
Nakon određenog vremena radni zamrzivač T11 prelazi na grijanje i pročišćavanje niskotlačnim plinom iz voda, a zamrzivač T12 prelazi u način rada. 28. siječnja 2009., A.P. Inkov, B.A. Skorodumov i dr. Neftegaz.RU
U našoj zemlji postoji značajan broj GDS-ova, gdje reducirani plin beskorisno gubi tlak, au nekim slučajevima u zimsko razdoblje mora se unijeti više energije za zagrijavanje plina prije nego što se priguši.
Istodobno, koristeći praktički besplatnu energiju pada tlaka plina, moguće je dobiti društveno koristan, prikladan i ekološki prihvatljiv energent - ukapljeni prirodni plin, koji se može koristiti za plinofikaciju industrijskih, društvenih objekata i naselja bez cjevovodnog opskrbe plinom.