Растворёнными газами под давлением 1. Введение

Промышленные газы в технике применяются главным образом в качестве:

· топлива;

· сырья для химической промышленности;

· химических агентов при сварке;

· газовой химико-термической обработке металлов;

· создании инертной или специальной атмосферы;

· теплоносителей;

· рабочего тела для выполнения механической работы (огнестрельное оружие, реактивные двигатели и снаряды, газовые турбины, парогазовые установки, пневмотранспорт и др.);

· физической среды для газового разряда (в газоразрядных трубках и др. приборах).

В технике используется свыше 30 различных газов.

Как топливо применяют природные горючие газы и получаемые искусственно в виде основной (генераторный газ) или побочной (коксовый, доменный и др. газы) продукции. Основные потребители природного газа в чёрной металлургии – доменное и мартеновское производство. С использованием природного газа производится ежегодно около 60 % цемента, 60 % стекла, свыше 60 % керамзита, свыше 60 % керамики. Перевод стекловаренных печей на природный газ значительно улучшает технико-экономические показатели производства стекла. В топливном балансе машиностроительной промышленности на долю горючего газа приходится около 40 %. Основными потребителями являются нагревательные и термические печи. Применение в этих печах природного газа вместо других видов топлива позволяет снизить стоимость нагрева, улучшить его качество, повысить КПД печей и создать более благоприятные санитарно-гигиенические условия в производственных помещениях. В топливном балансе электростанций России удельный вес природного газа составляет примерно около 20 %. Применение природного газа на электростанциях даёт значительный эффект. КПД котельных установок на электростанциях при переводе с твёрдого на газовое топливо увеличивается на 1–4 %; уменьшается на 21–26 % количество обслуживающего персонала. Суммарное снижение расхода топлива за счёт повышения КПД и снижения расхода электроэнергии на собственные нужды составляет 6–7 %. Сжигание газа в топках котлов малой производительности увеличивает КПД по сравнению с котлами, использующими твёрдое топливо, на 7–20 % (в зависимости от сорта топлива) и позволяет повысить производительность на 30 % и более. Использование природного газа открывает широкие возможности для создания простых, менее металлоёмких и более экономичных котлов (паровых и водогрейных), работающих на природном газе.

Некоторые газы являются в то же время исходным сырьём для технологических процессов в химической промышленности – из них вырабатывается около 200 видов различных химических продуктов.

Из числа газов, используемых в качестве химических реагентов, воздух (атмосферный или обогащенный кислородом) и кислород получили наибольшее распространение в металлургических, химических и смежных с ними отраслях промышленности. Большое значение имеют также многие другие газы: ацетилен, хлор, фтор и редкие газы.

При газовой сварке большей частью используется пламя ацетиленокислородной смеси, позволяющее развивать очень высокую температуру (около 3200 °C). В отдельных случаях применяют атомноводородную сварку, основанную на нагреве металла водородом, превращенным в атомарное состояние под действием электрической дуги.

Тепловую обработку металлов в печах часто сопровождают воздействием химических агентов, находящихся в газообразном состоянии. Насыщение поверхностного слоя стали углеродом (цементация) производится путём длительного нагрева её в атмосфере газа, диссоциирующего с выделением атомарного углерода. В установках промышленного типа для газовой цементации применяют: природный газ, бутан-пропановую смесь и др. Во избежание чрезмерного выделения сажи (или смолистых веществ) к этим газам подмешивают генераторный газ или дымовые газы, очищенные от углекислого газа и паров воды.

Газы как химические агенты применяются также в практике химико-термической обработки поверхности стали при её азотировании, цианировании, алитировании, хромировании и др. При газовой цементации стали алюминием (или хромом) её нагревают в парах хлористого алюминия (хрома). Азот, генераторный газ из антрацита или древесного угля, продукты горения некоторых газов (после удаления из них углекислого газа и паров воды) и продукты диссоциации аммиака в металлообрабатывающей промышленности служат в качестве специальных атмосфер для борьбы с окислением и обезуглероживанием металлов, которые происходят при их нагреве в атмосфере воздуха или дымовых газов.

В качестве инертных веществ для продувки взрывоопасной аппаратуры (газгольдеров, газоочистных коробок, коммуникаций и т.п.) применяют водяной пар, углекислый газ и азот, а также смесь углекислого газа с азотом, например продукты горения газообразного топлива, сжигаемого с малым избытком воздуха. Технологические аппараты большой ёмкости продуваются инертными газами перед их заполнением газом (например, водородом). При этом вытесняется находящийся в аппарате атмосферный воздух и тем самым предотвращается образование взрывчатой смеси газ – воздух.

В электроламповой промышленности для наполнения ламп накаливания применяются азот, криптон, ксенон и др. Наполнение ламп накаливания инертным газом уменьшает скорость испарения нити и тем самым увеличивает срок службы ламп. Использование для этих целей некоторых редких газов позволяет значительно (до 30 %) увеличить световую отдачу ламп накаливания. Широко распространено наполнение ламп накаливания аргон-азотной смесью, особенно подходящими наполнителями являются криптон и ксенон, обладающие высокой плотностью и минимальной теплопроводностью.

Газы применяются также для интенсификации некоторых биохимических процессов. Углекислый газ и чистые продукты горения без сернистого топлива могут быть использованы в качестве углекислого удобрения. Повышенное содержание углекислого газа (до 0,3 %) в атмосфере теплиц и оранжерей ускоряет рост и увеличивает плодоношение некоторых растений. Дозревание сорванных овощей и плодов (томатов, яблок и др.) можно ускорить хранением их в атмосфере этилена.

В качестве теплоносителей широко распространены следующие газы: продукты горения (дымовые газы), воздух и реже газообразные продукты экзотермических процессов (окисления аммиака, получения серного ангидрида и др.). Дымовые газы как теплоноситель используют: для непосредственного обогрева изделий или материалов в печах и сушилках; для получения и подогрева промежуточных теплоносителей (водяного пара, горячей воды, воздуха и др.). Для регулирования процесса нагрева дымовыми газами их можно разбавлять воздухом или отходящими газами. Иногда дымовые газы служат для транспортировки угольной пыли и её подсушки во взвешенном состоянии, В этих случаях дымовые газы являются не только теплоносителем, но и физической средой для переноса твёрдых тел, находящихся в пылевидном состоянии. Воздух как промежуточный теплоноситель используют в тех случаях, когда недопустимо загрязнение нагреваемого продукта сажей и золой, содержащихся в некоторых дымовых газах. Чаще всего воздух как теплоноситель применяется в сушилках и в некоторых системах отопления помещений.

В качестве рабочих веществ для совершения механической работы газы распространены в газовых турбинах, в огнестрельном оружии, в реактивных двигателях и снарядах, а также в двигателях внутреннего сгорания. Для наполнения дирижаблей и аэростатов используются газы, имеющие невысокую плотность.

Электрический разряд в газах (или парах) широко применяется в электротехнике для выпрямления переменного тока, преобразования постоянного тока в переменный, генерации электрических колебаний, освещения газосветными лампами и др. Подбором соответствующих газов или паров металлов можно повышать излучение газосветных ламп на заданном участке спектра. Этим достигается увеличение общей световой отдачи источника света.

Пар, название газообразного состояния веществ в условиях, когда газовая фаза может находиться в равновесии с жидкой (твёрдой) фазой того же вещества. Как правило, термин «пар» применяют в тех случаях, когда фазовое равновесие осуществляется при температурах Т и давлениях p, характерных для обычных природных условий (говорят, например, о паре спирта, бензола, йода, нафталина и т.д.). Как исключение, воду в газообразном состоянии при Т и p, превышающих критические значения, называют паром, а CO₂, даже ниже критической температуры (31,04 °C), – газом. С точки зрения термодинамики фазовых превращений термины «пар» и «газ» эквивалентны.

Различают следующие виды состояний пара химически чистых веществ:

1) насыщенный пар (пар при Т и р насыщения);

2) ненасыщенный пар, т. е. пар при Т > Т_насыщ. для данного p и, следовательно, с плотностью меньшей, чем у насыщенного пара (в технике его называют перегретым паром или просто газом);

3) пересыщенный пар – пар, имеющий давление большее, чем р_насыщ, при той же температуре.