Технология использования сжатых газов (стр. 2 )

Автор считает, что методически правильно рассматривать процессы не только использования газов, но и получения (добычи) тем более, что в реальных технологических процессах они неотделимы (добыча, переработка и транспортировка природного газа, получение аммиака из азотоводородной смеси и т. п.).

Каждый раздел включает несколько тем одной направленности. Изучение каждой темы выполняется по единой методологии: общие сведения о рассматриваемом газе, физические и химические свойства газа, технологии получения (добычи) и использования газа, схемы технологических установок, основное оборудование, хранение и тарнспортировка газа.

Поскольку технологии использования сжатых газов по сути своей компрессионные технологии, в лекциях сознательно делается акцент на особенности применения компрессорной техники.

В конце каждой темы приводятся контрольные вопросы и список необходимой литературы для самостоятельного изучения.

Данный курс лекций предназначен для студентов дневной, заочной форм обучения и экстернатуры соответствующих специальностей.

Автор выражает благодарность сотрудникам кафедры ТТФ технику Казбан Елене Викторовне за компьютерный набор текста и аспиранту Шарапову Сергею Олеговичу за редактирование иллюстраций, а также студентам гр. ХК-61 за участие в подготовке текстов лекций.

ВВЕДЕНИЕ

Все в окружающей природе состоит из твердых, жидких и газообразных веществ. Но это не различные вещества, а различные агрегатные состояния веществ, давно известные человечеству. Это суть материальные субстанции. Однако открытия ХХ века показали, что материя может переходить при определенных условиях в другую субстанцию – в энергию, что предсказал великий Эйнштейн. Последние годы своей жизни ученый потратил на разработку единой теории поля, которая по его представлениям должна быть универсальной, описывающей материальный и нематериальный мир.

Великими достижениями науки XIX и XX веков созданы предпосылки для такой теории. Установлена аналогия в математическом описании различных явлений. Течение жидкостей и газов, теплообмен, упругость твердых тел, магнитные, электрические явления описываются аналогичными системами уравнений математической физики. Отличие лишь в константах.

Современная наука (физика, химия, космогония, информатика, искусственный интелект) смыкается с теориями полевых структур и торсионных полей. В последнее десятилетие трудами выдающихся ученых достигнут прогресс в разработке общей универсальной теории поля, описывающей поведение материальных и нематериальных сред и субстанций. Теория открывает широкие горизонты для изучения возникновения и развития Вселенной и в частности Земли.

Если бы мы захотели построить иерархическую систему мира, то по современным воззрениям она бы выглядела так:

Нематериальный уровень	информационный уровень
энергетический уровень
Физический уровень	плазма
газы
жидкости
твердые тела

Отсюда следует, что газы являются одним из основополагающих элементов мироздания.

Роль газов в формировании Вселенной чрезвычайно высока. По теориям Канта, Лапласа, развитая современной наукой Вселенная образовалась из раскаленного газопылевого облака, которое медленно вращалось в космосе. За счет сил гравитации оно уплотнилось, принимая форму линзы. Вращение увеличивалось, отрывались кольца, которые охлаждаясь, концентрировались, образуя твердые и жидкие вещества будущих планет. Так 4500 миллионов лет назад возникла наша Земля.

Атмосфера Земли вначале состояла из водорода и гелия. Но гравитация их не могла удерживать и постепенно газы улетучились в космическое пространство.

Наша современная атмосфера вторична – она продукт жизнедеятельности организмов и вулканической деятельности Земли. А атмосферный кислород полностью имеет биогенное происхождение. Он был и остается главным жизнетворным элементом Земли.

Постепенно человек научился различать и выделять и другие газы, а также использовать их в своей хозяйственной деятельности. Для этого потребовалось создание специальных технологий и машин как для получения, так и для полезного использования газов.

Главные свойства газов – их текучесть и сжимаемость, а также изменение состояния способствовали их широкому освоению, появлению процесса компримирования (сжатия и перемещения) газов. Этим предопределено появление класса машин – компрессоров и на их основе технологий применения сжатых газов, что и является предметом нашего курса.

Компрессорная техника занимает особое место в современной жизни человечества. Компрессоры наиболее распространенные технические устройства в промышленности, энергетике, транспорте и быту. Технологии получения и использования газов основываются на компрессорных технологиях.

Примитивные компрессоры были едва ли не первыми технологическими устройствами на службе человечества. Сохранились рисунки из Египта, которым 1500 лет, где изображен процесс выплавки золота с помощью ножных мехов – прообраз объемного компрессора. Однако применение компрессоров в том виде, каком мы их знаем, началось лишь с началом промышленной революции в ХIX веке.

Технологии использования сжатых газов направлены на создание наиболее экономичных методов и средств массового получения и переработки технических газов в продукты потребления в различных отраслях материального производства. Эти технологии являются важным разделом общей технологии, разрабатывающей и изучающей совокупность физических и химических процессов в газах и оптимальные пути их осуществления.

Раздел 1

ГАЗЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

Тема 1 РОЛЬ И ЗНАЧЕНИЕ ГАЗОВ В РАЗВИТИИ ЧЕЛОВЕЧЕСТВА

1.1  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.