Сжижение газов

Сжижение газов — это физический процесс перевода газообразного вещества в жидкое состояние путём охлаждения ниже критической температуры, часто в сочетании с повышением давления. В результате сжижения объём газа уменьшается в сотни раз (например, природный газ — примерно в 600 раз), что делает его транспортировку и хранение экономически эффективными. Сжиженные газы широко используются в промышленности, энергетике, на транспорте и в быту.

Физические основы процесса

Сжижение газов основано на фазовом переходе «газ — жидкость». Для каждого газа существует критическая температура — температура, выше которой газ невозможно сжижить никаким повышением давления. Выше этой точки вещество находится только в газообразном состоянии (сверхкритический флюид). Ниже критической температуры газ может быть превращён в жидкость путём сжатия до определённого давления (давления насыщенных паров).

Основные методы сжижения:

• Изотермическое сжатие — охлаждение газа до температуры ниже критической с последующим сжатием. Метод эффективен для газов с высокой критической температурой (например, аммиак, хлор, пропан).
• Адиабатическое расширение (эффект Джоуля — Томсона) — газ, проходя через дроссель (сужение), расширяется и охлаждается. При определённых начальных условиях (температура ниже точки инверсии) это приводит к конденсации. Метод лежит в основе большинства промышленных установок для сжижения воздуха, азота, кислорода.
• Внешнее охлаждение — газ охлаждается с помощью холодильных машин (каскадные циклы, цикл Линде, цикл Клода).

История

Первые попытки сжижения газов предпринимались ещё в XVIII веке. В 1780-х годах голландский физик Мартинус ван Марум сжижил аммиак с помощью сжатия. В 1823 году Майкл Фарадей получил жидкий хлор, а затем аммиак, углекислый газ и другие газы. Однако многие газы (кислород, азот, водород, гелий) долгое время считались «постоянными», так как не поддавались сжижению при обычных условиях.

Прорыв произошёл в 1877 году, когда французский инженер Луи Кайете и швейцарец Рауль Пикте независимо друг от друга сжижили кислород. В 1883 году польские учёные Зыгмунт Врублевский и Кароль Ольшевский получили жидкий азот. В 1895 году немецкий инженер Карл фон Линде разработал первый промышленный цикл сжижения воздуха с использованием эффекта Джоуля — Томсона. В 1898 году Джеймс Дьюар впервые сжижил водород, а в 1908 году Хейке Камерлинг-Оннес — гелий, последний из «постоянных» газов.

В XX веке технология сжижения природного газа (СПГ) получила развитие с 1940-х годов. Первый крупный завод по производству СПГ был построен в 1964 году в Алжире (проект «Camel»). В России крупнотоннажное производство СПГ началось в 2009 году с запуском завода «Сахалин-2».

Классификация сжиженных газов

По составу и применению сжиженные газы делятся на несколько групп:

Сжиженные углеводородные газы (СУГ)

• Пропан-бутановая смесь (пропан, бутан, изобутан) — используется как топливо в быту (газовые баллоны), на транспорте (автогаз), в промышленности.
• Сжиженный природный газ (СПГ) — метан с примесями этана, пропана. Криогенная жидкость (температура хранения около −162 °C). Используется как топливо для газовозов, автомобилей, в энергетике.

Криогенные жидкости

• Жидкий азот (LN₂, −196 °C) — применяется в криогенной технике, для заморозки продуктов, в медицине (криохирургия), в металлургии.
• Жидкий кислород (LOX, −183 °C) — окислитель в ракетных топливах, в металлургии (кислородное дутьё), в медицине.
• Жидкий водород (LH₂, −253 °C) — высокоэнергетическое ракетное топливо, перспективное топливо для водородной энергетики.
• Жидкий гелий (LHe, −269 °C) — используется для охлаждения сверхпроводящих магнитов (МРТ, ускорители частиц).

Технические газы

• Жидкий хлор — применяется для обеззараживания воды, в химической промышленности.
• Жидкий аммиак — используется как удобрение, хладагент, сырьё для азотной кислоты.
• Жидкий углекислый газ (CO₂) — применяется в пищевой промышленности (газирование напитков), в огнетушителях, в сварочных работах.

Технологии сжижения

Цикл Линде (дросселирование)

Газ сжимается компрессором, охлаждается в теплообменнике, затем проходит через дроссельный вентиль, где расширяется и охлаждается (эффект Джоуля — Томсона). Часть газа конденсируется, остальной возвращается в цикл. Процесс прост, но энергоёмок. Используется для сжижения воздуха, азота.

Цикл Клода (с детандером)

Включает адиабатическое расширение газа в детандере (турбине) с совершением внешней работы. Это даёт большее охлаждение на единицу массы, чем дросселирование. Применяется для сжижения водорода и гелия.

Каскадные циклы

Используют несколько холодильных контуров с разными хладагентами (пропан, этилен, метан), работающими последовательно. Каждый контур охлаждает следующий. Эффективны для крупнотоннажного производства СПГ. Пример — процесс APCI (Air Products and Chemicals Inc.).

Смешанные хладагенты

В одном контуре циркулирует смесь углеводородов (метан, этан, пропан, бутан, азот), что позволяет достичь низких температур с меньшим числом ступеней. Используется на многих современных заводах СПГ (процесс SMR — Single Mixed Refrigerant).

Применение

Энергетика

• СПГ — альтернатива трубопроводному газу для экспорта и газификации удалённых регионов. Россия является одним из крупнейших производителей СПГ (заводы «Сахалин-2», «Ямал СПГ», строящийся «Арктик СПГ 2»).
• СУГ — используется для автономного газоснабжения (газовые баллоны, газгольдеры), в качестве моторного топлива (пропан-бутан).

Промышленность

• Жидкий кислород — окислитель в металлургии (конвертерное производство стали), в химической промышленности (окисление аммиака).
• Жидкий азот — инертная среда для сварки, закалки, хранения биоматериалов, криогенная сепарация газов.
• Жидкий водород — ракетное топливо (например, в двигателях РД-0146, используемых на разгонных блоках).

Медицина

• Жидкий азот — для криохирургии (удаление новообразований), криоконсервации клеток и тканей.
• Жидкий кислород — в дыхательных аппаратах, барокамерах.

Транспорт

• СПГ — топливо для морских судов (газовозы), грузовых автомобилей, железнодорожных локомотивов.
• СУГ — автомобильное топливо (пропан-бутан), менее экологичное, чем СПГ, но дешевле.

Криогенная техника

• Жидкий гелий — охлаждение сверхпроводящих магнитов в МРТ-томографах, ускорителях (Большой адронный коллайдер), в научных исследованиях.
• Жидкий водород — в нейтронных источниках, в экспериментах по физике низких температур.

Хранение и транспортировка

Сжиженные газы хранятся в криогенных резервуарах (сосуды Дьюара, сферические танки) с многослойной теплоизоляцией (вакуум, перлит, многослойные экраны). Для СПГ используются крупные изотермические хранилища (до 200 000 м³) при температуре −162 °C и давлении, близком к атмосферному.

Транспортировка:

• СПГ — морские газовозы (танкеры) с мембранными или сферическими танками (тип «Moss» или «GTT»). В России крупнейшие газовозы — ледового класса (проект «Ямал СПГ»).
• СУГ — железнодорожные цистерны, автомобильные газовозы, трубопроводы (на короткие расстояния).
• Криогенные жидкости — специальные контейнеры (криоцистерны) для азота, кислорода, водорода.

Экономические и экологические аспекты

Сжижение газов — энергоёмкий процесс. На производство 1 тонны СПГ затрачивается от 8 до 15% энергии, содержащейся в самом газе. Однако транспортировка СПГ на большие расстояния (например, из России в Японию) экономически выгоднее, чем строительство газопровода.

С экологической точки зрения сжигание сжиженных газов (СПГ, СУГ) даёт меньше выбросов CO₂, NOₓ и сажи, чем уголь или нефтепродукты. Однако утечки метана при производстве и транспортировке СПГ могут нивелировать этот эффект, так как метан — парниковый газ в 25 раз сильнее CO₂.

Безопасность

Сжиженные газы представляют опасность из-за низких температур (криогенные ожоги), высокой летучести (испарение с образованием взрывоопасных облаков) и токсичности (например, хлор, аммиак). При работе с ними требуются специальные средства защиты (термостойкие перчатки, вентиляция, детекторы утечек). В России действуют нормативы «Правила безопасности при производстве, хранении и транспортировке сжиженных углеводородных газов» (ПБ 12-609-03).

Интересные факты

• Жидкий гелий обладает уникальными свойствами: при температуре ниже 2,17 К он переходит в сверхтекучее состояние (течёт без трения).
• Первый в мире завод по сжижению природного газа был построен в 1941 году в США (Кливленд, Огайо), но в 1944 году он был разрушен взрывом.
• В России крупнейшее производство СПГ — завод «Ямал СПГ» (мощность 17,4 млн тонн в год), работающий в условиях вечной мерзлоты.

Источники

• Физическая энциклопедия / под ред. А. М. Прохорова. — М.: Советская энциклопедия, 1988—1998. — Т. 1–5.
• Справочник по сжиженным углеводородным газам / под ред. В. А. Ишкова. — М.: Недра, 1985.
• Технология сжижения природного газа / В. И. Кудряшов, В. А. Маринин. — СПб.: Недра, 2010.
• «Криогенные жидкости и их применение» // Химическая энциклопедия. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1995.
• «Сжижение газов» // Большая советская энциклопедия. — 3-е изд. — М., 1969—1978.
• Нормативные документы РФ: ПБ 12-609-03 «Правила безопасности при производстве, хранении и транспортировке сжиженных углеводородных газов».