Какие газы существуют в природе


Природный газ, свойства, химический состав, компоненты и составляющие, добыча и применение.

 

 

Природный газ – это газообразная смесь, состоящая из метана и более тяжелых углеводородов, азота, диоксида углерода, водяных паров, серосодержащих соединений, инертных газов.

 

Природный газ

Происхождение природного газа

Химический состав природного газа, требования ГОСТ

Виды природного газа. Сухой, бедный, тощий, жирный и сырой газы

Компоненты и составляющие природного газа

Физические свойства природного газа

Добыча природного газа

Применение и использование природного газа

Другие виды топлива: биодизель, биотопливо, газойль, горючие сланцы, лигроин, мазут, нефть, попутный нефтяной газ, природный газ, свалочный газ, сланцевая нефть, сланцевый газ, синтез-газ

 

Природный газ:

Природный газ – это полезное ископаемое, смесь газов, образовавшихся в недрах Земли при анаэробном разложении органических веществ.


Природный газ существует в газообразном, твердом или растворённом состоянии. В первом случае – в газообразном состоянии – он широко распространен и содержится в пластах горных пород в недрах Земли в виде газовых залежей (отдельных скоплений, заключенных в «ловушке» между осадочными породами), а также в нефтяных месторождениях в виде газовых шапок. В растворённом состоянии он содержится в нефти и воде. В твердом состоянии он встречается в виде газовых гидратов (т.н. «горючий лёд») – кристаллических соединений природного газа и воды переменного состава. Газовые гидраты – перспективный источник топлива.

При нормальных условиях (1 атм. и 0 °C) природный газ находится только в газообразном состоянии.

Является самым чистым видом органического топлива. Но для того, чтобы использовать его в качестве топлива из него выделяют его составляющие для отдельного использования.

Природный газ представляет собой легковоспламеняющуюся смесь различных углеводородов и примесей.

Природный газ – это газообразная смесь, состоящая из метана и более тяжелых углеводородов, азота, диоксида углерода, водяных паров, серосодержащих соединений, инертных газов.

Природным он зовется, потому что не является синтетическим. Газ рождается под землей в толще осадочных пород из продуктов разложения органики.

Природный газ распространен в природе гораздо шире, чем нефть.


Не имеет ни цвета, ни запаха. Легче воздуха в 1,8 раза. Горюч и взрывоопасен. При утечке не собирается в низинах, а поднимается вверх.

Характерный запах газа, используемого в быту, обусловлен одорацией – добавлением в его состав одорантов, то есть неприятно пахнущих веществ. Самый распространенный одорант – этантиол, его можно почувствовать в воздухе при концентрации 1 на 50 000 000 частей воздуха. Именно благодаря одорации можно легко устанавливать утечки газа.

 

Происхождение природного газа:

Существует две теории происхождения природного газа: биогенная (органическая) теория и абиогенная (неорганическая, минеральная) теория.

Впервые биогенную теорию происхождения природного газа в 1759 году высказал М.В. Ломоносов. В далеком геологическом прошлом Земли погибшие живые организмы (растения и животные) опускались на дно водоемов, образуя илистые осадки. В результате различных химических процессов они разлагались в безвоздушном пространстве. Из-за движения земной коры эти остатки опускались все глубже и глубже, где под действием высокой температуры и высокого давления превращались в углеводороды: природный газ и нефть. Низкомолекулярные углеводороды (т.е. собственно природный газ) образовывался при более высоких температурах и давлениях. Высокомолекулярные углеводороды – нефть – при меньших. Углеводороды, проникая в пустоты земной коры, образовывали залежи месторождений нефти и газа. Со временем эти органические отложения и залежи углеводородов уходили глубоко вниз на глубину от одного километра до нескольких километров  – их покрывали слои осадочных пород либо под действием геологических движений земной коры.


Минеральную теорию происхождения природного газа и нефти сформулировал в 1877 году Д.И. Менделеев. Он исходил из того, что углеводороды могут образовываться в недрах земли в условиях высоких температур и давлений в результате взаимодействия перегретого пара и расплавленных карбидов тяжелых металлов (в первую очередь железа). В результате химических реакций образуются окислы железа и других металлов, а также  различные углеводороды в газообразном состоянии. При этом вода попадает глубоко в недра Земли по трещинам-разломам в земной коре. Образовавшиеся углеводороды, находясь в газообразном состоянии, в свою очередь по тем же трещинам и разломам поднимаются наверх в зону наименьшего давления, образуя в конечном итоге газовые и нефтяные залежи. Данный процесс, по мнению Д.И. Менделеева и сторонников гипотезы, происходит постоянно. Поэтому, уменьшение запасов углеводородов в виде нефти и газа человечеству не грозит.

 

Химический состав природного газа:

Химический состав добываемого природного газа различается в зависимости от месторождения. В любом случае основным и ценным компонентом является метан (СН4), содержание которого составляет от 70 до 98 %.


В состав добываемого газа входят как углеводородные компоненты (метан СН4 и его гомологи: этан С2Н6, пропан С3Н8, бутан С4Н10, пентан С5Н12, гексан С6Н14, гептан С7Н16, октан С8Н18, нонан С9Н20, декан С10Н22 и т.д. вплоть до доказана С22Н46), так и неуглеводородные компоненты (Ar, H2, He, N2, H2S, водяные пары – H2O, CO, CO2 и пр. серосодержащие соединения и инертные газы). Природный газ также содержит следовые количества других компонентов.

Углеводороды, начиная с этана, считаются тяжёлыми. Они образуются только в процессе образования нефти и также называются специфическими «нефтяными» газами. Они  являются обязательным спутником нефтей. Их наличие в отобранных пробах свидетельствует о залежах нефти.

 

Виды природного газа. Сухой, бедный, тощий, жирный и сырой газы: 

Качество газа как топлива, как энергоносителя зависит от содержания в нем метана. По содержанию в добываемом газе метана и тяжёлых углеводородов различают сухие (бедные, тощие) и жирные (сырые, богатые) газы.

Сухой, бедный или тощий газ – это природный горючий газ из группы углеводородных, характеризующийся резким преобладанием в его составе метана, сравнительно невысоким содержанием этана и низким – остальных тяжелых углеводородов. Он более характерен для чисто газовых залежей.


Жирный или сырой газ – природный горючий газ из группы углеводородных, характеризующийся повышенным содержанием (свыше 15 %) тяжелых углеводородов, начиная от пропана C3H8 и выше. Такой состав газов характерен для газоконденсатных и нефтяных месторождений.

В качестве примера для наглядности ниже в таблице приведен состав сухого и сырого газа.

Состав Сухой газ*, % объема Сырой газ*, % объема
Метан 86,3 36,8
Этан 9,6 32,6
Пропан 3,0 21,1
Бутан 1,1 5,8
Пентан 3,7

* В таблице приведен один из примеров. Реальный состав газов в добываемом природном газе из конкретного месторождения может существенно отличаться от приведенного примера.

Поэтому для углеводородного состава газов применяется понятие «коэффициент сухости», которое представляет собой отношение процентного содержания метана СН4 к сумме его гомологов (этану С2Н6 и выше).

 

Требования ГОСТ к химическому составу природного газа: 

ГОСТом 30319.1-2015 «Газ природный. Методы расчета физических свойств. Общие положения» установлены следующие требования к химическому составу природного газа, транспортируемого по газотранспортным системам:


Компоненты природного газа Диапазоны молярных долей компонентов
Метан 0,7≤ ХСН4<1,0
Этан ХС2Н6≤0,10
Пропан ХС3Н8≤0,035
Бутаны в сумме ХС4Н10≤0,015
Пентаны в сумме ХС5Н12≤0,005
Гексан ХС6Н14≤0,001
Азот ХN2≤0,20
Диоксид углерода ХCO2≤0,20
Остальные компоненты Молярные доли не должны превышать суммарно 0,0025

 

Компоненты и составляющие природного газа:

Метан (CH4) – это бесцветный газ без запаха. Легче воздуха. Горюч и взрывоопасен. Представляет опасность для здоровья человека.

Этан (C2H6) – бесцветный газ, без запаха и вкуса. Тяжелее воздуха. Горюч и взрывоопасен. Не используется как топливо. Малотоксичен. Представляет опасность для здоровья человека.

Пропан (C3H8) – бесцветный газ, без запаха. Ядовит. В отличие от метана сжижается при комнатной температуре и сравнительно невысоком давлении (12-15 атм), что позволяет его легко хранить и транспортировать.

Бутан (C4H10) – бесцветный газ, со специфическим запахом. Ядовит. Вдвое тяжелее воздуха.

Пентан5Н12) имеет три изомера (нормальный пентан, изопентан и неопентан).  Нормальный пентан и изопентан – легколетучие подвижные жидкости с характерным запахом. Неопентан – бесцветный газ с характерным запахом. Горюч и взрывоопасен. Токсичен.

Гексан6Н14) – бесцветная жидкость со слабым запахом, напоминающим дихлорэтан. Горюч и взрывоопасен. Токсичен.

Азот (N2) – бесцветный газ, без запаха и вкуса. Весьма инертен. Является основным компонентом воздуха – 78,09 % объёма.


Аргон (Ar) – газ без цвета, вкуса и запаха. Инертен. В 1,3 раза тяжелее воздуха. Не горит. Представляет опасность для здоровья человека.

Водород (H2) – лёгкий бесцветный газ, без вкуса и запаха. В смеси с воздухом или кислородом горюч и взрывоопасен. Легче воздуха.

Гелий (He) – очень лёгкий газ без цвета, вкуса и запаха. Легче воздуха. Инертен, при нормальных условиях не реагирует ни с одним из веществ. Не горит. Представляет опасность для здоровья человека.

Сероводород (H2S) – бесцветный газ со сладковатым вкусом, с характерным неприятным запахом (тухлых яиц, тухлого мяса). Ядовит. Горюч и взрывоопасен. Тяжелее воздуха.

Углекислый газ (CO2) – бесцветный газ, почти без запаха (в больших концентрациях с кисловатым «содовым» запахом). Не горит. Тяжелее воздуха в 1,5 раза. Представляет опасность для здоровья человека.

 

Физические свойства природного газа:


Наименование параметра: Значение:
Внешние признаки без цвета, запаха и вкуса
Плотность, кг/м3:
Сухой газообразный от 0,68 до 0,85
Жидкий 400
Температура самовозгорания, °C 650
Взрывоопасные концентрации смеси газа с воздухом, % объёмных от 4,4 до 17
Удельная теплота сгорания, МДж/м³ 28-46
Удельная теплота сгорания, Мкал/м³ 6,7-11
Удельная теплота сгорания, кВт·ч/м³ 8-12
Октановое число при использовании в двигателях внутреннего сгорания 120-130
Легче воздуха в 1,8 раза. При утечке не собирается в низинах, а поднимается вверх.

 

Добыча природного газа:

Залежи природного газа находятся глубоко в земле, на глубине от одного до нескольких километров. Поэтому, чтобы добыть его необходимо пробурить скважину. Самая глубокая скважина имеет глубину более 6 километров.

В недрах Земли газ находится микроскопических пустотах  – порах, которыми обладают некоторые горные породы. Поры соединены между собой микроскопическими каналами – трещинами. В порах и трещинах газ находится под высоким давлением, которое намного превышает атмосферное. Природный газ движется в порах и трещинах, поступая из пор с высоким давлением в поры с более низким давлением.


При бурении скважины газ вследствие действия физических законов полностью поступает в скважину, стремясь в зону низкого давления. Таким образом, разность давления в месторождении и на поверхности Земли является естественной движущей силой, которая выталкивает газ из недр.

Газ добывают из недр земли с помощью не одной, а нескольких и более скважин. Скважины стараются разместить равномерно по всей территории месторождения для равномерного падения пластового давления в залежи. Иначе возможны перетоки газа между областями месторождения, а также преждевременное обводнение залежи.

Так как добытый газ содержит множество примесей, то его сразу же после добычи очищают на специальном оборудовании, после чего транспортируют потребителю.

 

Применение и использование природного газа: 

Природный газ применяется и используется как топливо, а также как сырье в химической промышленности для получения различны органических вещества, например, пластмасс.

 

Источник: xn--80aaafltebbc3auk2aepkhr3ewjpa.xn--p1ai

Газы в природе

Газы содержатся в атмосфере, в водах Мирового океана, в земной коре.

Атмосфера состоит из N2 – 78%, O2– 21%, Ar –0,9%, остальное: неон, гелий, криптон, ксенон, H2, CO2, NH4, NO2, озон. Атмосферный воздух – неисчерпаемый и возобновляемый источник получения N2, O2 и инертных газов, которые извлекаются попутно.

В земной коре газы содержатся в свободном состоянии, растворенные в воде и нефти и в состоянии сорбированном породами, особенно ископаемыми углями.

Газы катагенического происхождения – возникают в результате преобразований естественных органических веществ в осадочных породах, при их погружении на глубину и увеличении давления от 100 до 2500 атм и температуры от +20 до +300оС. Это природные газы.

В зависимости от происхождения газы разделяются на:

газы возрождения – возникают при дальнейшем повышении параметров;

газы вулканические – из глубин Земли;

газы биохимические – при бактериальном разложении органических веществ – метан, СО2, сероводород и др. Это так называемые болотные газы, а также искусственно получаемые;

газы радиоактивные – возникают в процессе распада радиоактивных элементов – гелий.

Три основных группы газов, важные для деятельности человечества:

— углеводородные горючие (соединения С и Н);

— азотные;

— углекислотные (соединения С и О).

Углеводородные газы находятся в земной коре в виде сухих скоплений в пластах, а также растворены в нефти (попутный газ) и особенно в подземных водах, здесь они во много раз превышают все запасы газовых и нефтяных месторождений.

Из таблицы Менделеева следует, что «чистыми» газами, то есть газами, состоящими из молекул, образованных атомами одного элемента, являются водород, кислород, азот, аргон, гелий и др.*) Понятие «чистый» газ применяется также и к газам, чьи молекулы образованы соединением атомов различных элементов, например: метан (NH3), углекислый газ (CO2), сероводород (H2S) и др.**) Однако в природе не существует «чистых» газов. Природные газы, как правило, являются смесью различных газов, паров и примесей (жидких и твердых). Например, атмосферный воздух есть смесь, состоящая из:

N2+O2+Ar+CO2+Ne+He+пары Н2О+примеси;

природный газ различных месторождений может существенно отличаться друг от друга, но обычно включает в себя, кроме метана, также этан, пропан, бутан, пентан, гексан, азот, двуокись углерода, сероводород, водяные пары.

В практике применяются так называемые технические газы, содержащие некоторое количество примесей, что в большинстве случаев технологически допустимо.

Технические газы, получаемые из природных компонентов путем разделения или синтеза, также не являются строго говоря чистыми, а содержат, пусть и в малой степени, добавки других газов. Здесь следует иметь в виду, что получение очень чистых газов промышленным путем – задача сложная и дорогостоящая. Вместе с тем в большинстве случаев применения газов такая чистота и не требуется.

Широкое использование естественных газов (воздуха, природного газа и продуктов их переработки) имеет колоссальное значение для развития человечества. Объемы использования этих газов громадны и растут с каждым годом. Но если запасы атмосферного воздуха практически неисчерпаемы, к тому же и возобновляется природным путем, то запасов природного газа при современных темпах добычи может хватить на 50-100 лет. Поэтому уже сейчас остро стоит проблема сокращения потребления природного газа за счет сберегающих и альтернативных технологий. На Земле имеются гигантские запасы сероводорода, содержащегося в водах Мирового океана и в вулканических недрах. Добыча и использование этого газа – задача ближайшего будущего.

*) В химии такие вещества (в том числе и газы) называются простыми веществами.**) В химии такие вещества называются сложными веществами.

Следует отметить также возможность проявления неисследованной пока опасности влияния опорожненных полостей коры Земли на внутренние геологические процессы, могущие повлечь катастрофические последствия. За нерачительное использование земных богатств человечество может заплатить высокую плату.

1.2 Практическое использование газов

Значение газов в народном хозяйстве трудно переоценить. Сегодня уже трудно представить жизнь человека без использования различных газов, даже на бытовом уровне. Большинство населения использует природный газ для приготовления пищи, нагрева воды, отопления помещений и т.п. Газы используются в медицине в лечебных и профилактических целях: кислород (кислородные подушки, коктейли и др.), углекислый газ (лечебные ванны), сжиженный азот – для криохирургии и т.п. Но особо впечатляют масштабы применения газов в промышленности, где их применение разнообразно:

— в качестве энергетического топлива (природный газ, попутный нефтяной газ, газ, получаемый при газификации твердых топлив, коксовый газ, газ, получаемый при сжигании бытовых отходов);

— в качестве сырьевого компонента для получения химических продуктов (пластмасс, удобрений, синтетических волокон, химических веществ и газов);

— в качестве энергоносителей (сжатый воздух, перегретый пар, иногда инертные газы);

— в качестве рабочих тел энергетических машин (ПГ, ГТ, ПГТ, реактивные двигатели) и для выполнения механической работы (огнестрельное оружие, снаряды);

теплоносители (например, фреоны в холодильных установках, диссоциирующие газы в теплоэнергетических установках);

физические среды для газовых разрядов (лазеры);

— в качестве расходных материалов для выполнения технологических процессов (кислород-ацетилен для газорезки металлов, нейтральные газы для сварки – аргонодуговая сварка, кислородное дутье в плавильных печах).

Газы и газовые смеси применяются для систем жизнеобеспечения подводных и космических аппаратов.

В сельскохозяйственном производстве все большее распространение получает применение азота в овоще- и фруктохранилищах, использование биогазов, выделяющихся при переработке навозных масс.

В различных отраслях техники используется более 30 различных газов и газовых смесей.

Газ как топливо – обычно природные газы и получаемые искусственно специально (генераторный газ) или как побочный продукт (коксовый, доменный и др.). Основные потребители: черная металлургия (домны, мартены), производство стройматериалов (цемент, стекло, керамика, керамзит), в машиностроении (нагреватели, термические печи, газосварка и резка). В качестве топлива для ТЭС – удельный вес природного газа составляет около 30%. Перевод котлов на газ повышает их к.п.д. на 20%, удешевляет обслуживание и автоматизацию, снижает расход электроэнергии на собственные нужды на
7-20%. Топливо в быту (плитки, АГВ, котлы, конвекторы).

Газ как исходное сырье – в химической промышленности вырабатываются из газов около 200 видов продукции, в том числе огромное количество пластмасс, удобрений и т.п.

Газ в качестве энергоносителя – сжатый воздух КС (стационарные и передвижные, переносные), пар водяной – для паровых молотов, прессов и др.

Рабочие тела для совершения работы – это газовые смеси – продукты сгорания топлив в воздухе или других окислителях в ГТ, в ракетных двигателях, двигателях внутреннего сгорания (ДВС). Водяной пар – в ПТ. Комбинированные установки ПГТУ – совместное использование водяного пара и газа.

Теплоносители – очень часто в различных технологических процессах химической, металлургической промышленности используется горячий воздух для нагрева продуктов, в сушилках, в отоплении и кондиционировании. Используются также горячие продукты горения (дымовые газы) для обогрева изделий и материалов в печах и сушилках, для подогрева промежуточных теплоносителей (пар, воздух, вода). Для обогрева помещений используют паровое отопления.

Электрический разряд в газовых средах применяется широко в электротехнике для выпрямления переменного тока, в газосветных осветителях (лампах) и неоновых рекламах. Отдельный класс устройств – газовые лазеры (медицинские, технологические и военные).

Материалы для промышленности – газовая сварка (ацетилен-кислород), химико-термическая (азотирование, хромирование сталей) и тепловая обработка в печах (цементация – насыщение углеродом). Инертные газы – для безопасности производства и испытаний машин и аппаратов, специальная сварка – аргон.

В сельском хозяйстве – добавки СО в теплицы, этилена, азота – в хранилища овощей. Установки энергетические, биогазовые.

К сожалению, производственная деятельность человечества, особенно в последнее столетие, обуславливается не только производством и потреблением различных газов, но и

выбросами недоиспользованных газов, которые как-то предотвратить не представляется возможным вследствие сложности и дороговизны технологических процессов. А они, эти выбросы, представляют большую угрозу для человечества ввиду не только локальных, но и глобальных негативных процессов и изменений в среде обитания и в атмосфере. Главным и грозным проявлением этого есть так называемый парниковый эффект атмосферы.

Микромодель этого явления – обычный парник, защищенный прозрачным стеклом или пленкой участок грунта для выращивания рассады различных культур. Происходит солнечный обогрев грунта, тепло удерживается стеклом или пленкой. Возможен также искусственный обогрев – биотопливом, водяной, электрический.

Парниковый эффект атмосферы – это свойство атмосферы Земли регулировать лучевой тепловой обмен Земли с космосом. Атмосфера Земли пропускает коротковолновую солнечную радиацию, которую поглощает поверхность Земли (рис 1.1). Поверхность нагревается и в свою очередь излучает длинное волновое излучение, которое в значительной мере поглощается атмосферой (водяной пар + СО2 ), а 10-20% — излучается в космос. Благодаря такому механизму средняя температура земной поверхности остаётся постоянной(+15оС) . Если бы не было атмосферы, она была бы равна -23оС.

Какие газы существуют в природе

Рисунок 1.1 –Схема лучевого теплообмена Земли

В результате техногенной деятельности человечества концентрация парниковых газов, особенно СО2, в атмосфере увеличилась, что приводит к дополнительному подогреву атмосферы Земли. Сегодня эта величина (2-3оС) уже составляет значительную угрозу для экосистемы Земли. Главным образом это проявляется в таянии ледников, наступлении пустынь, изменении привычных условий обитания живых организмов.

Основные парниковые газы в порядке их воздействия на тепловой баланс Земли располагаются следующим образом:

  • водяной пар;

  • углекислый газ;

  • метан;

  • озон;

  • галоуглероды;

  • оксиды азота.

Наиболее вредное воздействие на атмосферу оказывают углекислый газ и метан.

Источники поступления СО2 в атмосферу:

– производство энергии (тепла, горячей воды, пара) – 43,6%;

– производственные предприятия – 18,5%;

– автотранспорт – 7,7%;

– другой транспорт – 6,3%;

– жизнеобеспечение – 8%;

– коммерческие услуги – 5,8%.

Источники поступления метана:

— утечки при разработке и эксплуатации месторождений природного газа, нефти и угля- 16%;

— биогаз от захоронения отходов – 12%;

— скот – 16%;

— рисовые поля – 22%;

— болота – 23% и др.

Количественной характеристикой выбросов парниковых газов является удельный выброс газов:

выброс в СО2-эквиваленте, кг .

на 1 дол. ВВП

Данные по выбросам некоторых стран в 1 кг экв. СО2/долл:

  • Япония – 0,39;

  • ЕС – 0,42;

  • США – 0,67;

  • Россия – 1,58;

  • Украина – 2,04.

Как видно, удельные выбросы парниковых газов в Украине в 3-5 раз выше передовых стран. Это обусловлено тем, что в Украине (также как и в других постсоветских странах) в течение нескольких десятилетий не проводилось масштабное техническое перевооружение производств, не внедрялись новейшие технологии, альтернативные источники энергии и т.п.

Мировое сообщество, озабоченное стремительным нарастанием парникового эффекта, предложило ограничить вредные выбросы газов на основании Киотского протокола.

Механизм действия Киотского протокола состоит в том, что каждой стране-подписанту устанавливается квота на вредные выбросы. За превышение квоты – штраф, за уменьшение выбросов — материальные льготы. Например, страны (или промышленные компании), не использующие в полной мере установленную квоту, могут продавать “избыток” другим странам, где квота превышена, используя полученные средства на модернизацию производств.

Гибкая процедура квотирования предусматривает постепенное снижение вредных выбросов до безопасного уровня.

1.3 Основы технологий использования газов

1.3.1 Суть технологий использования сжатых газов

Технология в общем понимании – это наука, изучающая способы и процессы переработки продуктов природы (сырья) в предметы потребления и средства производства.

Если газы являются сырьем для переработки их в продукцию или они сами являются продуктами переработки какого-либо сырья, то говорят о технологических процессах переработки или получения газов. С другой стороны, газы как продукт используются различными потребителями для различных целей. В этом случае говорят о технологиях использования газов.

Понятие «технология использования сжатых газов» не следует понимать буквально, т.к. это неизбежно приведет к узости понимания изучаемого предмета. Непосредственное использование (синоним – полезное применение) сжатых газов для производства полезного продукта ограничивается лишь узким кругом применений, среди которых:

— применение сжатых газов (воздуха) как энергоносителя и рабочего тела для совершения механической работы: пневмопривод, пневмоинструмент, пневмоавтоматика;

— применение сжатых газов (прежде всего воздуха) в различных технических устройствах: автошины, пневмотормоза, пневмоподъемники, балластные цистерны подводных аппаратов, понтоны и др.

Однако в гораздо большей степени сжатые газы применяются в разнообразных технологических процессах различных производств, где использование сжатых газов является необходимой и неотъемлемой частью общего процесса, направленного на получение конечной полезной продукции. При этом компримируемые (т.е. сжатые и перемещаемые) газы являются основным материальным потоком вещества, которое затем претерпевает ряд превращений по пути к конечному продукту. Эти превращения происходят под воздействием специально организуемых различных факторов (параметров процессов, реагентов, катализаторов и т.п.).

Используются достаточно много известных элементарных процессов в газах, которые в определенном наборе и последовательности реализуются в той или иной технологии.

1.3.2 Процессы технических газов

Технологии применения газов связаны с изменением параметров их состояния (давления, температуры), перемещением газов, а также с разнообразными физическими и химическими процессами.

Технологии использования сжатых газов основываются на осуществлении физических и химических процессов с целью получения полезного продукта. Полезным продуктом может быть вещество (твердое, жидкое, газообразное), теплота (или холод).

Основные используемые физические процессы газов:

— сжатие (расширение);

— диффузия (разделение);

— фильтрация;

— осушка (увлажнение);

— сепарация;

— сжижение (газификация);

— растворение в жидких и твердых телах (дегазация);

— кристаллизация;

— ионизация;

— газовые разряды и др.

К химическим процессам относятся:

— химические реакции получения соединений;

— полимеризация;

— окисление (в т.ч. горение);

— газовая коррозия.

Процессы в газах бывают непрерывные и прерывные. В непрерывных процессах производится непрерывная подача компонентов и отвод продуктов. Характерным примером может

быть крупнотоннажные производства минеральных удобрений. В прерывных процессах загрузка и выгрузка веществ (для газов – закачка и отсос) производятся периодически. Это, например, производства с применением автоклавов.

Во всех этих случаях требуется транспортировка, перемещение требуемых масс газов. Для реализации же физических процессов и химических реакций необходимо создавать требуемые параметры газов, а именно: давление (от вакуума до очень высоких давлений) и температуры (отводом или подводом тепла).

Сжатие и перемещение газов – компримирование – осуществляется компрессорными машинами различного типа. Можно утверждать, что основа производственных процессов использующих газы – это компрессорные технологии. Конечно, кроме компрессорных машин применяются и другие газовые машины для преобразования энергии газов: газовые турбины, детандеры, а также устройства струйной техники: эжекторы, инжекторы и множество других аппаратов.

1.3.3 Общие сведения о технологиях использования газов

Прежде всего технологии с использованием газов необходимо разделить на два вида:

— технологии добычи (получения) газов;

— технологии использования газов.

Процессы получения газов бывают:

— добыча – извлечение газов из природных источников (природный газ, атмосфера);

— искусственное получение – синтез как результат химических реакций.

Технологии применения газов можно представить следующими основными группами:

— применение технических газов непосредственно потребителем (природный газ, кислород, азот, аргон, ацетилен
и др.) для технологических нужд заводов и других предприятий различных отраслей;

— использование газов как компонентов технологических процессов получения полезных продуктов (удобрений, пластмасс и т.п.).

Технологии добычи (получения) и использования технических газов требуют специальных технологических комплексов (завод, линия, цех, установка). Например, газоперерабатывающий завод, воздухоразделительная установка, цех производства аммиака и т.п.

В свою очередь, эти технологические комплексы оснащены самым разнообразным оборудованием необходимым для функционирования: компрессоры, сепараторы, реакторы, нагреватели, охладители, насосы, другие аппараты.

Процесс получения промежуточного или окончательного продукта производится по технологической цепочке от подвода компонентов сырья, энергетических ресурсов (пар, электроэнергия, вода) до отвода готового продукта. Комплекс оборудования для получения продукта называется технологической линией. Для получения сложных по технологии продуктов могут использоваться несколько линий (цехов), работающих в одном комплексе. Как правило, на таких линиях и заводах получают не один продукт, а несколько, с целью как можно более полного использования исходных компонентов и продуктов реакции.

Технологические процессы химических производств состоят из двух неразделимых составляющих: химическая технология и необходимое оборудование.

Химическая технология отвечает на вопросы:

─ какие нужны химические реагенты;

─ какие параметры реализации реакций;

─ какие массовые потоки компонентов;

─ какие необходимы катализаторы и ингибиторы и др.

К оборудованию предъявляются требования: какие необходимы машины, аппараты и другие технические устройства для реализации данной химической технологии. Отсюда следует и необходимость в раздельных службах на заводах – службы главного технолога и главного механика. Первая из них отвечает за соблюдением технологического регламента и выпуска качественной продукции, а вторая – за нормальное и надежное функционирование технологического оборудования.

1.3.4 Технологические схемы

Последовательное описание и графическое изображение процессов и соответствующих им машин и аппаратов называется технологической схемой производства. Схемы бывают двух типов: открытые и циклические (циркуляционные).

Схемы открытые применяются для производственных процессов, в которых происходит полное превращение вещества в полезный продукт за один проход через установку.

Циклическая схема предусматривает выделение продукта из реакционной смеси, которая затем многократно возвращается в технологический цикл вплоть до полного превращения в продукт.

Технологические схемы производств с использованием газов сложны и очень разнообразны. Не существует общих универсальных технологий, а значит, и схем. Можно выделить лишь основные составляющие, обязательные для всех технологических процессов с газами (рис. 1.2).

Какие газы существуют в природе

Рисунок 1.2 – Структурная схема газовых технологий

Схемы составляются на основе выбранного метода (или способа) производства продукта, в основе которого лежат физические превращения, химические реакции и механические процессы, протекающие при определенных условиях.

Графически схемы изображаются упрощенно, без излишней детализации, с использованием принятых условных обозначений, буквенных сокращений и надписей, цифровых позиций элементов.

После разработки схемы выполняется ее расчет – составление материального и энергетического балансов.

Материальный баланс означает, что масса веществ, поступивших на технологическую операцию – приход, равна массе всех веществ, получившихся в результате ее – расход:

Какие газы существуют в природе,

где Какие газы существуют в природе — суммарный расход сырья, кг;

Какие газы существуют в природе — основной продукт, кг;

Какие газы существуют в природе — побочный продукт (отходы), кг;

Какие газы существуют в природе — непроизводительные затраты сырья, кг.

Энергетический баланс для химикотехнологических процессов составляется в виде теплового баланса: приход тепла в данном цикле производства должен быть равен расходу его в этом же цикле (с учетом всех потерь).

Источник: gigabaza.ru


Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.