Как сжижать газы? Производство и использование сжиженного газа. Чем отличается пропан от бутана Получают газ пропан

Характер, где каждая новая ступень означает сжатие в 5-12 раз, после чего следует охлаждение и переход на следующую ступень. СПГ становится жидким по завершению последней стадии сжатия.

Сжижение газа – очень процесс, на который уходит до четверти всей энергии содержащейся в данном объеме газа. Для сжижения газа используются несколько типов установок – турбинно-вихревые, дроссельные, турбодетандерные и другие. Иногда сжижение производится по комбинированным схемам, куда входят элементы вышеперечисленных циклов. Как показывает практика, большей простотой и надежностью отличаются дроссельные установки.

Развитие современных технологий способствует тому, что сжижение природного газа стало возможным в условиях специализированных мини-заводов. Это тем более актуально для России – страны с развитой сетью магистральных газопроводов, чему способствует наличие многочисленных крупных и мелких газораспределительных станций и автомобильных газонаполнительных станций. Именно на их базе очень выгодно строить мини-заводы по производству СПГ.

Установка по производству сжиженного газа состоит из блока очистки от паров воды и двуокиси углерода, блока ожижения, системы управления и автоматики, криогенного емкостного оборудования для хранения и накопления СПГ и компрессорного оборудования. При выборе места установки мини-завода должны быть учтены характеристики оборудования, наличие коммуникаций – электроснабжения, воды, телефона и газовой магистрали, наличие безопасных расстояний от объекта, дорого и подъездных путей.

Сжиженный природный газ востребован в различных областях деятельности человека - в промышленности, в автомобильном транспорте, в медицине, в сельском хозяйстве, в науке и пр. Немалую популярность сжиженные газы завоевали за счет удобства их использования и транспортировки, а также экологической чистоты и невысокой стоимости.

Инструкция

Перед сжижением углеводородного газа его необходимо предварительно очистить и удалить водяной пар. Углекислый газ удаляют, используя систему трехступенчатых молекулярных фильтров. Очищенный таким образом газ в небольших количествах используется в качестве регенерационного. Восстанавливаемый газ либо сжигается, либо применяется для получения в генераторах мощности.

Просушивание происходит с помощью 3-х молекулярных фильтров. Один фильтр поглощает водяной пар. Другой сушит газ, который далее и проходит через третий фильтр. Для понижения температуры газ пропускается через водяной охладитель.

После очистки и сушки газа начинается процесс его сжижения, который последовательно осуществляется по стадиям. Природный газ на каждой стадии сжижения уплотняется от 5 до 12 раз, далее охлаждается и переходит на другую стадию. При завершении последней стадии сжатия с охлаждением происходит собственно сжижение природного газа. Объем его уменьшается примерно в 600 раз.

Получить газ можно несколькими способами: турбодетандерным, азотным способом, смешанным и др. При турбодетандерном способе на ГРС получают сжиженный природный газ, используя энергию перепада давления. К плюсам этого метода можно отнести небольшие энергозатраты и капиталовложения. А к минусам – низкий КПД сжижения, зависимость от стабильного давления, негибкое производство.

Азотный способ подразумевает производство сжиженного углеводородного газа из любых газовых источников. К преимуществам этого метода можно отнести простоту технологии, высокий уровень безопасности, гибкость производства, легкость и малозатратность эксплуатации. Ограничения этого метода - необходимость источника электроэнергии и высоких капитальных затрат.

При смешанном способе производства сжиженного газа в качестве хладагента используют смесь азота и метана. Получают газ также из любых источников. Этот метод отличается гибкостью производственного цикла и небольшими переменными затратами на производство. Если сравнивать с азотным способом сжижения, здесь капитальные затраты более существенны. Также необходим источник электроэнергии.

Источники:

• Что такое сжижение газов?
• Сжиженный газ: получение, хранение и транспортировка
• что такое сжиженный газ

Любой газ можно превратить в жидкость, если его сжать и сильно охладить. Впервые такой лабораторный эксперимент был проведен с аммиаком в 1779 году. Знаменитый ученый Майкл Фарадей, первооткрыватель электромагнитной индукции, в XIX веке также провел целый ряд успешных опытов по сжижению газов. А в начале ХХ века с развитием низкотемпературных технологий стало возможным переводить в жидкое состояние абсолютно все газы, известные науке.

Сжиженные газы находят широкое в самых разных областях науки и техники. Например, жидкий используется в качестве хладоагента при хранении скоропортящихся продуктов. Жидкий водород используют как компонент ракетного топлива. Сжиженная смесь пропана и бутана применяется в качестве автомобильного топлива. Примеры можно продолжать бесконечно. Кроме того, сжижение газов экономически выгодно при их транспортировке на большие расстояния.

Таким образом транспортируется ценнейшее полезное – природный газ. До сих пор самый распространенный способ его передачи от производителя потребителю реализован с помощью трубопроводов. Газ прокачивают по трубам под высоким давлением (порядка 75 атмосфер). При этом газ постепенно теряет кинетическую энергию и , поэтому необходимо время от времени охлаждать его, одновременно увеличивая давление. Это делается на компрессорных станциях. Легко можно понять, что строительство и обслуживание газопровода требует больших затрат. Однако при транспортировке газа на относительно небольшие расстояния это самый дешевый способ.

Если же газ необходимо транспортировать на очень большие расстояния, то гораздо выгоднее использовать специальные суда – танкеры-газовозы. От места добычи газа до ближайшего подходящего места на морском побережье протягивают трубопровод, а на берегу строят газовый терминал. Там газ сильно сжимают и охлаждают, переводя в жидкое состояние, и закачивают в изотермические емкости танкеров (при температурах порядка -150оС).

Этот способ транспортировки имеет ряд преимуществ перед трубопроводным. Во-первых, один подобный танкер за один рейс может перевезти громадное количество газа, ведь плотность вещества, находящегося в жидком состоянии, гораздо выше. Во-вторых, основные расходы приходятся не на транспортировку, а на погрузку-разгрузку продукта. В-третьих, хранение и перевозка сжиженного газа гораздо безопаснее, чем сжатого. Можно не сомневаться, что доля природного газа, транспортируемого в сжиженном виде, будет неуклонно возрастать по сравнению с газопроводными поставками.

В современном мире экономических отношений компании нередко ищут возможность минимизировать затраты на все процессы, связанные с производством, хранением, транспортировкой того или иного продукта. Не исключение и продукты газа.

Природный газ является полезным ископаемым, который добывают при помощи скважин. На территории месторождения природного газа располагают большое количество таких скважин, чтобы обеспечить равномерное падение пластового давления в залежи. Конечным пунктом доставки добытого газа являются различные фабрики, заводы, предприятия, ТЭЦ, газовые службы города.

Тысячи ученых в различных лабораториях ежедневно проводят огромное количество экспериментов, технологи на заводах и фабриках, следуя четким предписаниям, ломают головы при поиске наиболее выгодных способов доведения до конечного потребителя газа - вещества в газообразном агрегатном состоянии, которое катастрофически плохо поддается обработке и тем более транспортировке в исходном виде.

Сегодня природный газ научились транспортировать в жиженном виде. Так как газ не имеет ни цвета, ни запаха, то с целью предупреждения его утечки, а как следствие, отравления людей или возгорания помещения, в него добавляют различные одоранты , то есть химические вещества, которые имеют неприятный для человека запах.

• Чистый сжиженный природный газ не горит и не может самовоспламеняться. Но в результате испарения и при контакте с огнем это свойство возобновляется. Для того чтобы начать его использовать, газ снова необходимо подогреть.

Как газ делают жидким

Для упрощения перемещения, хранения, использования газ сжижают. Весь процесс сжижения проходит в специальных регазификационных терминалах. Сжиженный природный газ – это абсолютно бесцветная жидкость, лишенная запаха.

• После перехода из газообразного состояния в жидкость, его объем уменьшается в раз.

Сам процесс состоит из последовательного сжатия и охлаждения, которое продолжается до тех пор, пока сжижение не происходит. Следует отметить, что процесс этот весьма энергозатратен. Для уменьшения количества затраченной энергии используют потенциальную энергию газа и его естественное охлаждение.

Хранение газа осуществляется в специализированных цистернах, которые называются криоцистернами. А перевоз осуществляется на морских судах и спецавтомобилях. Конечный путь следования происходит по трубопроводам.

Смесь пропана и бутана с давних времен используется во многих сферах промышленности, производства и быта, это обусловлено особыми свойствами смеси этих газов. Пропан-бутан отличается уникальной способностью переходить из жидкой консистенции в газообразную ее форму и наоборот. При этом для получения необходимого состояния не требуется задействовать какие-либо криогенные агрегаты.

Как получают пропан-бутан

Пропан-бутан получают из нефти и конденсата попутных ее газов, иное название пропан-бутана – сжиженный нефтяной газ. Жидкую или газообразную его форму определяют климатические условия: при повышении температуры он преобразуется в пар, при ее снижении и одновременном увеличении давления, принимает жидкую форму.

Где и как используется пропан-бутан

Нефтяной газ считается экологически чистым видом топлива, поэтому его используют в системах отопления домов, применяют в агропромышленности, иных производстве в качестве топлива для котельных или автотранспорта, а также при сварочных работах или резке металлов. При этом бутан выступает как само топливо, а пропан создает необходимое давление. Пропан-бутан выпускается в баллонах, пропорции строго регулируются государством, поскольку смесь крайне взрывоопасна.

Как происходят газосварочные работы на производстве:

Для производственных работ смесь пропан-бутана выпускается в виде специальных газосварочных горелок, в которые из баллонов подаются горючий газ и кислород. Если требуется разрезать металл, процесс происходит за счет его сжигания в кислородной струе и удаления оксидов, которые она образует.

В процессе сварки с помощью пропан-бутановой смеси металл, который нужно приварить и присадочный его аналог, расплавляются пламенем, который образует нефтяной газ. Края изделий расплавляются, и щель между ними заполняет присадочный металл, который аккуратно вводят в центр пламени горелки со смесью.

Пропан-бутановая смесь неспроста широко используется в бытовых и производственных сферах. Наряду со своими уникальными свойствами, она имеет относительно низкую и стабильную стоимость. Кроме того, большинство котельных домов и предприятий рассчитаны на два типа топлива – их устройства горения попеременно могут сжигать пропан-бутановую смесь и природный газ, что дает хорошую экономию.

Основным компонентом автономной системы газоснабжения является пропан-бутановая смесь. При этом многие не понимают, зачем смешивают пропан и бутан , ведь каждый газ может использоваться как самостоятельное топливо. Тем не менее, в некоторых регионах России данные углеводороды нельзя применять в чистом виде для газификации объектов, что связано с их физико-химическими свойствами и климатическим фактором.

Свойства СУГ

Чтобы понять, зачем смешивают пропан с бутаном, необходимо знать особенности каждого компонента, в том числе их взаимодействие с внешней средой. С точки зрения молекулярного строения они относятся к углеводородным соединениям, которые можно хранить в жидком состоянии, что значительно упрощает транспортировку и эксплуатацию.

Одним из условий образования жидкого газа является высокое давление, поэтому его хранят в специальных резервуарах под давлением 16 бар. Второе условие для перехода углеводородных газов из одного состояния в другое – внешняя температура воздуха. Пропан закипает при -43°С, тогда как преобразование из жидкого в газообразное состояние у бутана происходит при -0,5°С, что является основным отличием данных углеводородов.

Таблица с некоторыми другими свойствами данных газов

Дополнительную информацию о свойствах сжиженного углеводородного газа можно прочитать в статье: пропан-бутан для газгольдера – свойства и особенности применения .

Зачем смешивают пропан и бутан в автономной системе газоснабжения

Учитывая физико-химические характеристики насыщенных углеводородов, их применение во многом зависит от климатических условий. Сжиженный бутан в чистом виде не будет работать при отрицательных температурах. Тогда как применение чистого пропана противопоказано в условиях жаркого климата, поскольку высокая температура вызывает чрезмерное повышение давления в газовом резервуаре.

Так как для каждого региона нецелесообразно производить отдельную марку газа, с целью унификации ГОСТом предусмотрена смесь с определенным содержанием двух компонентов в рамках установленных норм. Согласно ГОСТ 20448-90 максимальное содержание бутана в данной смеси не должно превышать 60%, при этом для северных регионов и в зимнее время года доля пропана должно быть не меньше 75%.

Процентное соотношение газов в разное время года

Кстати, больше статей нашего блога о газификации — в этом разделе.

Технологический фактор

Помимо климатического фактора, существует технологическое обоснование того, зачем смешивают пропан и бутан. На нефтеперерабатывающих предприятиях в процессе переработки попутных газов пропан и бутан производятся в разных количествах. Поэтому для оптимизации сырьевой политики данные углеводороды смешивают между собой в определенной пропорции. При этом, независимо от технологии изготовления сжиженного углеводородного газа, процентное содержание двух составляющих должно находиться в рамках, установленных ГОСТом.

Ценовая политика при заправке СУГ

Стоимость пропана-бутана зависит от содержания в нем первого (более дорогого) компонента. Поэтому неудивительно, что «зимняя» смесь для заправки автономной системы газоснабжения будет дороже «летней». Однако, если какая-либо компания предлагает заправку по цене, значительно уступающей среднерыночной, тогда ее представителю необходимо задать следующие вопросы:

• Почему стоимость СУГ такая низкая?
• Какое соотношение пропана-бутана?
• Как этот состав будет работать зимой?
• Есть ли в наличии соответствующая техническая документация?
• Можно ли обратиться в компанию при возникновении проблем?

Будьте осторожны! Дешевая смесь может затем обойтись гораздо дороже.

Некоторые компании хитрят, предоставляя «зимнюю» смесь, которая не соответствует ГОСТу. Поэтому невысокая стоимость СУГ должна, как минимум, насторожить покупателя.

Чтобы избежать проблем с газификацией своего дома, обращайтесь в компанию «Промтехгаз», которая уже доказала свой профессионализм и надежность. О чем свидетельствуют хорошие позиции на рынке, и отсутствие отрицательных отзывов от клиентов.

Более 30 лет в СССР, затем в России сжиженные и сжатые газы применяются в народном хозяйстве. За это время пройден достаточно трудный путь по организации учета сжиженных газов, разработке технологий по их перекачке, измерению, хранению, транспортировке.

От сжигания до признания

Исторически сложилось, что потенциал газа как источника энергии был недооценен в нашей стране. Не видя экономически обоснованных сфер применения, нефтепромышленники старались избавиться от легких фракций углеводородов, сжигали их без пользы. В 1946 году выделение газовой промышленности в самостоятельную отрасль революционно изменило ситуацию. Объём добычи этого типа углеводородов резко увеличился, как и соотношение в топливном балансе России.

Когда ученые и инженеры научились сжижать газы, стало возможным строить газосжижающие предприятия и доставлять голубое топливо в отдаленные районы, не оборудованные газопроводом, и использовать в каждом доме, в качестве автомобильного топлива, на производстве, а также экспортировать его за твердую валюту.

Что такое сжиженные углеводородные газы

Они делятся на две группы:

1. Сжиженные углеводородные газы (СУГ) - представляют собой смесь химических соединений, состоящую в основном из водорода и углерода с различной структурой молекул, то есть смесь углеводородов различной молекулярной массы и различного строения.
2. Широкие фракции легких углеводородов (ШФЛУ) - включают большей частью смеси легких углеводородов гексановой (С6) и этановой (С2) фракций. Их типичный состав: этан 2-5 %, сжиженный газ фракций С4-С5 40-85%, гексановая фракция С6 15-30%, на пентановую фракцию приходится остаток.

Сжиженный газ: пропан, бутан

В газовом хозяйстве именно СУГ применяются в промышленном масштабе. Их основными компонентами являются пропан и бутан. Также в виде примесей в них содержатся более легкие углеводороды (метан и этан) и более тяжелые (пентан). Все перечисленные компоненты являются предельными углеводородами. В состав СУГ могут входить также непредельные углеводороды: этилен, пропилен, бутилен. Бутан-бутилены могут присутствовать в виде изомерных соединений (изобутана и изобутилена).

Технологии сжижения

Сжижать газы научились в начале XX века: в 1913 году за сжижение гелия вручена Нобелевская премия голландцу К. О. Хейке. Некоторые газы доводятся до жидкого состояния простым охлаждением без дополнительных условий. Однако большинство углеводородных «промышленных» газов (углекислый, этан, аммиак, бутан, пропан) сжижаются под давлением.

Производство сжиженного газа осуществляется на газосжижающих заводах, расположенных либо около месторождений углеводородов, либо на пути магистральных газопроводов около крупных транспортных узлов. Сжиженный (или сжатый) природный газ можно легко доставить автомобильным, железнодорожным или водным транспортом к конечному потребителю, где его можно хранить, после чего снова преобразовать в газообразное состояние и подавать в сеть газоснабжения.

Специальное оборудование

Для того чтобы сжижать газы, используются специальные установки. Они значительно уменьшают объём голубого топлива и повышают плотность энергии. С их помощью можно осуществлять различные способы переработки углеводородов в зависимости от последующего применения, свойств исходного сырья и условий окружающей среды.

Установки по сжижению и сжатию предназначены для обработки газа и имеют блочное (модульное) исполнение либо полностью контейнеризированы. Благодаря регазификационным станциям становится возможным обеспечение дешёвым природным топливом даже самых отдалённых регионов. Система регазификации также позволяет хранить природный газ и подавать его необходимое количество в зависимости от потребности (например, в периоды пикового потребления).

Большинство различных газов в сжиженном состоянии находят практическое применение:

• Жидкий хлор используют для дезинфекции и отбеливания тканей, применяется как химическое оружие.
• Кислород - в лечебных учреждениях для пациентов с проблемами дыхания.
• Азот - в криохирургии, для замораживания органических тканей.
• Водород - как реактивное топливо. В последнее время появились автомобили на водородных двигателях.
• Аргон - в промышленности для резки металлов и плазменной сварки.

Также можно сжижать газы углеводородного класса, наиболее востребованные из которых - пропан и бутан (н-бутан, изобутан):

• Пропан (C3H8) является веществом органического происхождения класса алканов. Получают из природного газа и при крекинге нефтепродуктов. Бесцветный газ без запаха, малорастворим в воде. Применяют как топливо, для синтеза полипропилена, производства растворителей, в пищевой промышленности (добавка E944).
• Бутан (C4H10), класс алканов. Бесцветный горючий газ без запаха, легко сжижаемый. Получают из газового конденсата, нефтяного газа (до 12%), при крекинге нефтепродуктов. Используют как топливо, в химической промышленности, в холодильниках как хладоген, в пищевой промышленности (добавка E943).

Характеристики СУГ

Основное преимущество СУГ - возможность их существования при температуре окружающей среды и умеренных давлениях как в жидком, так и в газообразном состоянии. В жидком состоянии они легко перерабатываются, хранятся и транспортируются, в газообразном имеют лучшую характеристику сгорания.

Состояние углеводородных систем определяется совокупностью влияний различных факторов, поэтому для полной характеристики необходимо знать все параметры. К основным из них, поддающимся непосредственному измерению и влияющим на режимы течения, относятся: давление, температура, плотность, вязкость, концентрация компонентов, соотношение фаз.

Система находится в равновесном состоянии, если все параметры остаются неизменными. При таком состоянии в системе не происходит видимых качественных и количественных метаморфоз. Изменение хотя бы одного параметра нарушает равновесное состояние системы, вызывая тот или иной процесс.

Свойства

При хранении сжиженных газов и транспортировании их агрегатное состояние меняется: часть вещества испаряется, трансформируясь в газообразное состояние, часть конденсируется - переходит в жидкое. Это свойство сжиженных газов является одним из определяющих при проектировании систем хранения и распределения. При отборе из резервуаров кипящей жидкости и транспортировании ее по трубопроводу часть жидкости испаряется из-за потерь давления, образуется двухфазный поток, упругость паров которого зависит от температуры потока, которая ниже температуры в резервуаре. В случае прекращения движения двухфазной жидкости по трубопроводу давление во всех точках выравнивается и становится равным упругости паров.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

В обычных условиях (при 25 o С и атмосферном давлении) пропан представляет собой бесцветный газ без запаха (строение молекулы приведено на рис. 1), который при концентрации паров 1,7 - 10,9% образует с воздухом взрывоопасную смесь.

Пропан практически не растворим в воде, так как его молекулы малополярны и не взаимодействуют с молекулами воды. Он хорошо растворяется в неполярных органических растворителях, таких как бензол, тетрахлорметан, диэтиловый эфир и др.

Рис. 1. Строение молекулы пропана.

Таблица 1. Физические свойства пропана.

Получение пропана

Основными источниками пропана являются нефть и природный газ. Его можно выделить фракционной перегонкой природного газа или бензиновой фракции нефти.

В лабораторных условиях пропан получают следующими способами:

— гидрированием непредельных углеводородов

CH 3 -CH=CH 2 + H 2 →CH 3 -CH 2 -CH 3 (kat = Ni, t o);

— восстановлением галогеналканов

C 3 H 7 I + HI →C 3 H 8 + I 2 (t o);

— по реакции щелочного плавления солей одноосновных органических кислот

C 3 H 7 -COONa + NaOH → C 3 H 8 + Na 2 CO 3 (t o);

— взаимодействием галогеналканов с металлическим натрием (реакция Вюрца)

C 2 H 5 Br + СH 3 Br + 2Na → CH 3 -CH 2 -CH 3 + 2NaBr.

Химические свойства пропана

В обычных условиях пропан не реагирует с концентрированными кислотами, расплавленными и концентрированными щелочами, щелочными металлами, галогенами (кроме фтора), перманганатом калия и дихроматом калия в кислой среде.

Для пропана наиболее характерны реакции, протекающие по радикальному механизму. Энергетически более выгоден гомолитический разрыв связей C-H и C-C, чем их гетеролитический разрыв.

Все химические превращения пропана протекают с расщеплением:

1. cвязей C-H

• галогенирование (S R)

CH 3 -CH 2 -CH 3 + Br 2 → CH 3 -CHBr-CH 3 + HBr (hv ).

• нитрование (S R)

CH 3 -CH 2 -CH 3 + HONO 2 (dilute) → CH 3 -C(NO 2)H-CH 3 + H 2 O (t o).

• сульфохлорирование (S R)

C 3 H 8 + SO 2 + Cl 2 → C 3 H 7 -SO 2 Cl + HCl (hv ).

• дегидрирование

CH 3 -CH 2 -CH 3 → CH 2 =CH-CH 3 + H 2 (kat = Ni, t o).

• дегидроциклизация

CH 3 -CH 2 -CH 3 → C 3 H 6 + H 2 (kat = Cr 2 O 3 , t o).

1. связей C-H и C-C

• окисление

C 3 H 8 + 5O 2 →3CO 2 + 4H 2 O (t o).

Применение пропана

Пропан применяется как автомобильное топливо, а также используется в быту (баллонный газ).

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

Задание	Рассчитайте объемы хлора и пропана, приведенные к нормальным условиям, которые потребуются для получения 2,2-дихлорпропана массой 8,5 г.
Решение	Запишем уравнение реакции хлорирования пропана до 2,2-дихлорпропана (реакция происходит под действием УФ-излучения): H 3 C-CH 2 -CH 3 + 2Cl 2 = H 3 C-CCl 2 -CH 3 + 2HCl. Рассчитаем количество вещества 2,2-дихлорпропана (молярная масса равна - 113 г/моль): n(C 3 H 6 Cl 2) = m (C 3 H 6 Cl 2) / M (C 3 H 6 Cl 2); n(C 3 H 6 Cl 2) = 8,5 / 113 = 0,07 моль. Согласно уравнению реакции n(C 3 H 6 Cl 2) : n(CH 4) = 1:1, т.е. n(C 3 H 6 Cl 2) = n(C 3 H 8) = 0,07 моль. Тогда объем пропана будет равен: V(C 3 H 8) = n(C 3 H 8) × V m ; V(C 3 H 8) = 0,07 × 22,4 = 1,568 л. По уравнению реакции найдем количество вещества хлора. n(C 3 H 6 Cl 2) : n(Cl 2) = 1:2, т.е. n(Cl 2) = 2 × n(C 3 H 6 Cl 2) = 2 × 0,07 = 0,14 моль. Тогда объем хлора будет равен: V(Cl 2) = n(Cl 2) × V m ; V(Cl 2) = 0,14 × 22,4 = 3,136л.
Ответ	Объемы хлора и пропана равны 3,136 и 1,568 л соответственно.