Уважаемые посетители! На сайте проводятся технические работы. Некоторые страницы могут быть недоступны.
Уважаемые Дамы и Господа! 22.12.2017г. Наш офис и склад работает до 12:00
Просьба по всем вопросам писать на почту mail@mvif.ru
Уважаемые коллеги! 21.12.2018г. Наш офис и отгрузка товара работают до 11:30.
Просьба по всем вопросам писать на почту mail@mvif.ru

Сжиженные газы и емкости для них

Скачать статью

>>> Привычные и широко распространенные емкости для транспортировки и хранения сжиженных газов получили применение в двадцатом веке после ряда важных открытий, сделанных в течение целого столетия – всего девятнадцатого века.

То обстоятельство, что газы можно сжижать, хранить и перевозить в сжиженном виде, никому не приходило в голову, до тех пор, пока впервые удалось получить в сжиженном виде аммиак. Случилось это в 1799 году. Голландский физик и ботаник Мартин Ван Марум при проверке закона Бойля-Мариотта не только на воздухе, но и на других газах совершенно неожиданно получил сжиженный аммиак. Для этого ему потребовалось лишь увеличить давление аммиака. После этого открытия как сам Мартин Ван Марум, так и другие исследователи пытались превратить в жидкое состояние другие газы. В 1800 году была получена в жидком виде двуокись серы. Преобладало мнение, что для ожижения газов необходимо только поднять давление, причем для различных газов давление ожижения может принимать различные значения. Но существенно продвинуться в этом направлении удалось только великому экспериментатору XIX века Майклу Фарадею. В 1823 году в процессе выполнения задания своего руководителя профессора Дэви по изучению свойств гидрата хлора он изготовил изогнутую трубку, один конец которой с гидратом хлора нагревался пламенем горелки, а другой охлаждался водой. Вскоре в охлаждаемой части трубки появились маслянистые зеленовато-желтые капли, которые оказались жидким хлором. Любопытно, что это открытие было воспринято одним из коллег профессора Дэви - доктором Парри, как простая небрежность Фарадея. Парри принял эти пятна за следы масла и бросил Майклу Фарадею незаслуженный упрек: «тщательнее мойте пробирки». Этот курьезный, но весьма показательный эпизод описывается во всех биографиях великого экспериментатора. Исключительно простой прибор получил в дальнейшем наименование «трубка Фарадея». Отличия от опытов Марума были просты, но весьма существенны. В трубке Фарадея не только повышалось давление, но выделившийся газ охлаждался водой или иной охлаждающей смесью. Первый успех по ожижению хлора стимулировал усилия ученого по ожижению других газов. Нужно было просто подобрать другие химические соединения, которые могут выделять при нагреве соответствующие газы. Ему удалось вскоре получить в жидком виде сероводород, диоксид азота, диоксид углерода, этилен и некоторые другие газы.

Рисунок 1. Майкл Фарадей (1791—1867),
основоположник учения об электромагнитном поле

При опытах давление поднималось до больших значений в несколько десятков атмосфер. Трубки порой разрывались. Последователи Фарадея заменили стеклянные трубки на металлические. Но ни Фарадею, ни его последователям не удалось добиться ожижения шести известных в то время газов: водорода (Н2), азота (N2), кислорода (O2), окиси углерода (CO), оксида азота (NO) и метана (CH4). Эти вещества получили название постоянных газов.

Ученые пытались сжижать постоянные газы при очень высоких давлениях и при доступном для них охлаждении. Но всё без видимого успеха. В 1828 г. Жан-Даниель Колладон сжал воздух до небывалого в то время давления 40 МПа при температуре -30°С. Сосуды с кислородом и водородом погружались в море на глубину более 2 км, где дав-ление составляло 22 МПа. Дальше – больше: в 1870 Эмиль Амага получил давление 300 МПа, но эффект оставался отрицательным. Становилось ясным, что «постоянные газы» не взять «кавалерийским наскоком».

Все эти неудачные попытки привели некоторых ученых к выводу о том, что "постоянные" газы вполне соответствуют своему названию и в принципе не могут быть сжижены (отсюда и термин "постоянные"), поэтому и мучиться с ними не нужно. Однако Фарадей не был с этим согласен. Он понял, что понижение температуры, которое ему удалось получить, все же недостаточно: "Очевидно, при этой температуре никакое увеличение давления, как бы велико оно ни было, не может ожижить газ. Следовательно, возможно, что для кислорода, азота и водорода температура -110°С выше нужной и поэтому нельзя ожидать, что какое бы то ни было давление (не сопровождаемое большим понижением температуры, чем то, которое достигают) могло заставить эти элементы изменить газообразному состоянию".

Ключ к ответу на эту загадку был найден еще в 1822 году французским физиком Шарлем Каньяр де Ла-туром, который запечатал каменный шар в пушечном стволе, наполненном жидкостью (спиртом, эфиром, бензином и водой). Нагревая ствол до различных температур, он фиксировал изменение звука катающегося в стволе камня. При определённой температуре четкий всплеск при пересечении границы раздела жидкой и газообразной фаз исчезал. Далее он перешел к опытам на стеклянных трубках со спиртами. Он наблюдал, как по мере нагревания объём жидкости увеличивался в два раза, а затем она вообще исчезала, превращаясь в некое подобие газа и становясь прозрачной, так что казалось, что трубка пуста. При охлаждении наблюдалось образование плотных непрозрачных облаков (явление, которое сейчас принято называть критической опалесценцией). Также де Ла-Тур установил, что выше определенной температуры увеличение давления не приводит к образованию жидкости. Фарадей по достоинству оценил выполненную работу — в частности он указал на то, что де Ла-Туром не было дано название для точки перехода жидкости в состояние флюида. В своих дальнейших работах Фарадей называет сверхкритическое состояние «состоянием де Ла-Тура», а саму точку фазового перехода точкой де Ла-Тура.

Рисунок 2. Криогенные емкости объемом 1000 и 3000 литров в сборочном цеху

Следующий существенный шаг в этом направлении вслед за Ла-Туром и Фарадеем сделал ирландский физик Томас Эндрюс, который провел обширное исследование, заслуженно считающееся классическим, связанное со взаимными переходами газа и жидкости. С его работ, собственно, начинается теория ожижения газов. Он показал, в частности, что чем ниже температура и давление (т.е. чем дальше вещество от критической температуры), тем больше теплота конденсации (и соответственно парообразования).

Было совершенно логично предположить, что и для перехода в твердое состояние тоже существуют соответствующие ограничения; они уже были известны применительно ко льду, воде и водяному пару, а затем подтвердились и на диоксиде углерода. Оказалось, что для каждого вещества существует так называемая "температура тройной точки", определяющая нижнюю границу области возможного существования жидкости; за ней неизбежно происходит переход в твердое состояние. С чем и связано название "тройная точка" - малейшее изменение температуры или давления вызывает исчезновение одной из фаз.

В то время, о котором идет речь, обе точки – и критическая и тройная – были известны только для очень ограниченно круга веществ (в частности, для СО2). Однако, каковы эти температуры для "постоянных" газов и каким термометрическим веществом можно воспользоваться для построения температурной шкалы в области ниже -110°С было неясно. Нужно было искать новые более эффективные методы получения низких температур. Это стало возможным в самом конце девятнадцатого века. В 1893 году Джеймс Дьюар разработал сосуд с вакуумной изоляцией, а в 1895 году Карл Пауль Готфрид фон Линде сконструировал и построил первую промышленную установку для получения жидкого воздуха с использованием эффекта Джоуля — Томсона. Проблема постоянных газов была быстро решена. Не удалось сразу ожижить водород, но в 1898 году Джеймс Дьюар впервые справился и с этой задачей, получив целых 20 см3 жидкого водорода. С этого момента началась борьба за ожижение гелия, который «сдался» голландскому физику Хейке

Камерлинг-Оннесу. В 1906 им был создан полупромышленный ожижитель водорода с производительностью 4 литра в час. В 1908 году он же сумел добиться конденсации жидкого гелия. Для опыта потребовалось 20 литров жидкого водорода. Низкие температуры, необходимые для конденсации гелия, были достигнуты при адиабатическом дросселировании жидкого водорода. А уже в 1913 году Камерлинг-Оннес был удостоен Нобелевской премии по физике «за исследования свойств вещества при низких температурах, которые привели к производству жидкого гелия». Камерлинг-Оннес заслужил у коллег почетное прозвище «Господин Абсолютного Нуля».

Таблица 1. Значения давления и температуры в критической и тройной точках

Значения давления и температуры в критической и тройной точках как раз и определяют пределы существования сжиженных газов. Эти значения приведены в таблице для основных компонентов воздуха (азот, кислород, аргон, неон), метана, углекислоты, водорода и гелия. При низких температурах и при переходе гелия в твердое состояние проявился целый ряд особенностей этого газа. Несколько парадоксальным кажется тот факт, что, хотя гелий наиболее трудно ожижается, свойства жидкого гелия исследованы более детально, чем свойства всякой другой жидкости, за исключением, может быть, только воды. Такой интерес обусловлен уникальными свойствами гелия. Одним из необычных свойств, которые впервые привлекли внимание к жидкому гелию, было отсутствие тройной точки. Гелий можно перевести в твердое состояние путем повышения давления над жидкостью и невозможно сделать это только посредством охлаждения жидкого гелия под давлением его паров. Переход гелия в твердое состояние удается обеспечить только при одновременном снижении температуры до 1.15K и повышении давления до 2.56 МПа. Наиболее поразительные свойства жидкого гелия обнаруживаются при температурах ниже 2,19K, когда жидкий гелий претерпевает переход второго рода. Жидкая фаза, существующая при этих температурах и называемая гелий II, отличается сверхтекучестью – свойством, которое не обнаруживается ни у какой другой жидкости.

Рисунок 3. Криогенные емкости для жидкого азота объемом 25 м3

Проанализируйте диапазоны изменения давления между тройной и критической точками. Так, например, для азота совершенно очевидна бессмысленность конструирования криогенных емкостей с рабочим давлением более давления критической точки - 34 бар. Для процессов лазерной резки или применений в шинной промышленности требуется азот с давлением около 30 бар. Поэтому рабочее давление серийно выпускаемых криогенных емкостей не превышает обычно 31-32 бар (предохранительный клапан настраивается при этом на 37 бар), Массовых промышленных применений, в которых требуется кислород или аргон с давлением 30-50 бар, практически нет, поэтому криогенные емкости с рабочим давлением более 32 бар серийно не изготавливают. Для углекислоты важно давление тройной точки – 5.17 бар. Приближаться к этому давлению нежелательно. Можно «сварить козла», как иногда говорят химики. При ошибочно сброшенном из углекислотной емкости давлении, жидкость может превратиться в сухой лед, и нормальная эксплуатация оборудования будет нарушена. Максимальное рабочее давление криогенных емкостей для сжиженного гелия и соответственно для сжиженного водорода ограничивается давлением критической точки гелия – 2.29 бар и критической точки водорода – 13 бар.

Чаще всего в промышленности применяют криогенные емкости для продуктов разделения воздуха, углекислоты и сжиженного природного газа. Как правило, вместе с емкостью требуются атмосферные испарители, электрические нагреватели, криогенные насосные установки, предохранительные клапаны, регуляторы давления, криогенные трубопроводы и многие другие компоненты для работы со сжатыми и сжиженными газами. Все эти компоненты и весь комплекс сопутствующих услуг: проектирование, монтаж и пусконаладочные работы Вы всегда можете получить в компании Мониторинг Вентиль и Фитинг (MV&F), которая предлагает полный ассортимент криогенных емкостей с экранно-вакуумной и перлитно-вакуумной изоляцией для самых распространенных сжиженных газов: азот, аргон, кислород, углекислота и сжиженный природный газ.

Рисунок 4. Заправка аргоном емкости объемом 20 м3

Емкостное оборудование, предлагаемое компанией MV&F, можно разделить на три группы. Это малые криогенные сосуды с экранно-вакуумной изоляцией объемом 27, 85, 130, 185 и 320 литров с рабочим давлением 1.5; 15; 27 и 31 бар. Криогенные сосуды среднего размера (так называемые «микробалки») объемом 660, 800, 1000, 1500, 2000, 3000 и 5000 литров с рабочим давлением 3; 6; 10; 12; 15; 21; 32 бар. Традиционные криогенные емкости большого объема от 6 до 300 м3 с рабочим давлением от 6 до 32 бар.

Если Вы создаете новое производство, на котором предполагается применение сжатых газов или криогенных жидкостей, Вы можете обратиться в компанию Мониторинг Вентиль и Фитинг (MV&F). Мы всегда помогаем конечным потребителям, проектным и монтажным организациям.

>>> АВТОР СТАТЬИ
Слободов Евгений Борисович,
президент и технический директор
OOO «Мониторинг Вентиль и Фитинг» (MV&F)