☰
Если жидкость нагревать, то при определенной температуре она закипит. При кипении в жидкости образуются пузырьки, которые поднимаются наверх и лопаются. В пузырьках содержится воздух, в котором присутствует водяной пар. Когда пузырьки лопаются, то пар вырывается, и, таким образом, жидкость интенсивно испаряется.
Разные вещества, находящиеся в жидком состоянии, кипят при своей, характерной для них температуре. Причем эта температура зависит не только от характера вещества, но и от атмосферного давления. Так вода при нормальном атмосферном давлении кипит при 100 °C, а в горах, где давление ниже, вода кипит при более низкой температуре.
Когда жидкость закипает, то дальнейший подвод к ней энергии (тепла) не увеличивает ее температуру, а просто поддерживает кипение. То есть энергия тратится на поддержание процесса кипения, а не на поднятие температуры вещества. Поэтому в физике вводится такое понятие как удельная теплота парообразования (L). Она равна количеству тепла, необходимому для того, чтобы полностью выкипел 1 кг жидкости.
В чем же заключается процесс кипения? Когда вода нагревается, но еще не достигнута температура ее кипения, в ней начинают образовываться маленькие пузырьки. Обычно они образуются на дне емкости, так как обычно нагревают под дном, и там температура выше.
Пузырьки содержат воздух. Это значит, что из воды при повышении температуры выделяется растворенный в ней воздух. В пузырьки испаряется вода.
Пузырьки легче окружающей их воды и поэтому начинают подниматься в верхние слои. Однако здесь температура еще ниже, чем у дна. Поэтому пар конденсируется, пузырьки становятся меньше и тяжелее, снова опускаются вниз. Так происходит до тех пор, пока вся вода не прогреется до температуры кипения. В это время слышен шум, предшествующий кипению.
Когда достигнута температура кипения, пузырьки уже не опускаются вниз, а всплывают на поверхность и лопаются. Из них вырывается пар. В это время слышен уже не шум, а бульканье жидкости, которое говорит о том, что она закипела.
Таким образом, при кипении, также как при испарении, происходит переход жидкости в пар. Однако, в отличие от испарения, которое происходит только на поверхности жидкости, кипение сопровождается образованием пузырьков, содержащих пар, по всему объему. Также в отличие от испарения, которое происходит при любой температуре, кипение возможно лишь при определенной, характерной для данной жидкости температуре.
Почему чем выше атмосферное давление, тем температура кипения жидкости больше? Воздух давит на воду, и, следовательно, создается давление внутри воды. Когда образуются пузырьки, в них пар также давит, причем сильнее, чем внешнее давление. Чем больше давление из вне на пузырьки, тем сильнее в них должно быть внутреннее давление. Поэтому они образуются при более высокой температуре. А значит, и вода кипит при более высокой температуре.
Для того чтобы ожижить газ, необходимо охладить его ниже критической температуры Ткр. Во втором столбце таблицы 11 приведены значения критической
Таблица 11
|
Вещество |
Критическая температура, °С |
Температура кипения при атмосферном давлении, °С |
|
Кислород Азот Водород Гелий |
-119 -147 -240 -268 |
-183 -193 -253 -269 |
температуры для некоторых газов. Как видно из таблицы, перевод таких газов, как кислород, азот, водород и гелий, в жидкое состояние требует сильного понижения их температуры. Один из промышленных методов ожижения газов (метод Линде) использует для охлаждения газа эффект Джоуля-Томсона.
На рис. 283 дана принципиальная схема метода Линде. Сжатый компрессором К газ проходит через холодильник X, в котором охлаждается до температуры, лежащей ниже точки инверсии. Эго нужно для того, чтобы при последующем расширении газ в результате эффекта Джоуля-Томсона не нагревался, а охлаждался. Затем газ течет по внутренней трубке теплообменника Т.О. и, пройдя через дроссель Др (выполняющий те же функции, что и ватный тампон в опыте Джоуля-Томсона), сильно расширяется и охлаждается.
Теплообменник состоит из двух длинных трубок разных диаметров, вставленных одна в другую (для сокращения размеров теплообменника обе трубки свиваются в спираль). Стенки внутренней трубки делаются хорошо проводящими тепло. Наружная трубка покрывается тепловой изоляцией. Если по
Рис. 283.
трубкам пустить встречные потоки газов, имеющих на входе разную температуру, то в результате теплообмена через стенки внутренней трубки температура газов будет выравниваться: газ, имевший на входе в теплообменник более высокую температуру, по мере прохождения по теплообменнику охлаждается, встречный поток нагревается. Сразу после запуска установки понижение температуры газа при расширении не достаточно для того, чтобы вызвать ожижение газа. Слегка охладившийся газ направляется по внешней трубке теплообменника, чем достигается некоторое охлаждение газа, текущего по внутренней трубке по направлению к дросселю.
Рис. 284
Поэтому каждая последующая порция газа, поступающая к дросселю, имеет более низкую температуру, чем предыдущая. Вместе с тем, чем ниже начальная температура газа, тем больше понижается его температура за счет эффекта Джоуля — Томсона. Следовательно, каждая последующая порция газа имеет до расширения более низкую температуру, чем предыдущая, и, кроме того, охлаждается при расширении сильнее. Таким образом, достигается все большее понижение температуры газа в сборнике Сб и, в конце концов, температура понижается настолько, что часть газа после расширения конденсируется в жидкость.
Второй промышленный метод ожижения газов (метод Клода) основан на охлаждении газа при совершении им работы. Сжатый газ направляется в поршневую машину (детандер), где он, расширяясь, совершает работу над поршнем за счет запаса внутренней энергии. В результате температура газа понижается. Этот. метод был усовершенствован советским физиком П. Л. Капицей, который вместо поршневого детандера применял для охлаждения газа турбодетандер, т. е. турбину, приводимую во вращение предварительно сжатым газом
Жидкие газы с низкой температурой кипения хранятся в сосудах специальной конструкции, называем сосудами Дьюара. Они имеют двойные стенки (рис. 28), зазор между которыми тщательно эвакуируется. В условиях вакуума теплопроводность газа убывает с уменьшением давления (см. §115). Поэтому эвакуированный зазор между стенками сосуда создает высокую тепловую изоляцию. Сосуды Дьюара делаются как из стекла, так и из металла и бывают емкостью от нескольких десятков миллилитров до нескольких тысяч литров.
Температура ожиженного газа определяется давлением, под которым он находится. В таблице 11 даны температуры кипения при атмосферном давлении. Понижая давление, при котором кипит ожиженный газ (это можно сделать непрерывно отсасывая образующиеся пары), можно снижать его температуру. Таким способом можно снизить температуру настолько, что жидкость перейдет в твердое состояние.
Сжиженные углеводородные газы
Сжиженный углеводородный газ (СУГ) — это углеводороды или их смеси, которые при нормальном давлении и температуре окружающего воздуха находятся в газообразном состоянии, но при увеличении давления на относительно небольшую величину без изменения температуры переходят в жидкое состояние.
Сжиженные газы получают из попутных нефтяных газов, а также газоконденсатных месторождений. На перерабатывающих заводах из них извлекают этан, пропан, а также газовый бензин. Наибольшую ценность для отрасли газоснабжения имеют пропан и бутан. Их главное преимущество в том, что их легко хранить и перевозить в жидком виде, а использовать в виде газа. Другими словами, для перевозки и хранения сжиженных газов используются плюсы жидкой фазы, а для сжигания — газообразной, «паровой фазы».
Пропан
Для систем газоснабжения, эксплуатируемых в России, наиболее подходящим является технический пропан (C3H8), так как он имеет высокую упругость паров вплоть до минус 35°C (температура кипения пропана при атмосферном давлении — минус 42,1°C). Даже при низких температурах из баллона или газгольдера, наполненного пропаном, легко отбирать нужное количество паровой фазы в условиях естественного испарения. Это позволяет устанавливать газовые баллоны со сжиженным пропаном на улице зимой и отбирать паровую фазу при низких температурах.
Бутан
Бутан (C4H10) — более дешевый газ, но отличается от пропана низкой упругостью паров, поэтому применяется только при положительных температурах. Температура кипения бутана при атмосферном давлении — минус 0,5°C.
Температура газа в резервуарах системы автономного газоснабжения должна быть положительной, иначе испарение бутановой составляющей СУГ будет невозможно. Для обеспечения температуры газа выше 0°C используется геотермальное тепло. Как правило, газгольдер для частного дома устанавливается подземно.
Смесь пропана и бутана
В коммунально-бытовой сфере используется смесь пропана и бутана технических (СПБТ), в быту называемая пропан-бутаном. При содержании бутана в СПБТ свыше 60% бесперебойная работа резервуарных установок в климатических условия России невозможна, либо нужны специальные испарители.
Свойства сжиженных газов влияют на меры безопасности, а также конструктивные и технические особенности оборудования, в котором они хранятся, перевозятся и используются.
Отличительные особенности сжиженных газов:
- Высокая упругость паров;
- Не имеют запаха. Для своевременного выявления утечек сжиженным газам придают специфический запах — производят одоризацию этилмер-каптаном (C2H5SH);
- Не высокие температуры и пределы воспламеняемости.Температура воспламенения бутана — 430°C, пропана — 504°C. Нижний предел воспламеняемости пропана — 2,3%, бутана — 1,9%;
- Пропан, бутан и их смеси тяжелее воздуха. В случае утечки сжиженный газ может скапливаться в колодцах или подвалах. Запрещается устанавливать оборудование, работающее на сжиженном газе, в помещениях подвального типа;
- Переход в жидкую фазу при увеличении давления или уменьшении температуры;
- Высокая теплотворная способность. Для сжигания СУГ необходимо большое количество воздуха (для сжигания 1 м³ газовой фазы пропана необходимо 24 м³ воздуха, а бутана — 31 м³ воздуха);
- Большой коэффициент объемного расширения жидкой фазы(коэффициент объемного расширения жидкой фазы пропана в 16 раз больше, чем у воды). Баллоны и резервуары заполняются не более чем на 80% геометрического объема. Заполнение более чем на 80% может привести к их разрыву, последующему быстрому истечению и испарению газа, а также воспламенению смеси с воздухом;
- В результате испарения 1 кг жидкой фазы СУГ при н. у. получается 450 литров паровой фазы. Другими словами, 1 м³ паровой фазы пропан-бутановой смеси имеет массу 2,2 кг;
- При сгорании 1 кг пропан-бутановой смеси выделяется около 11,5 кВт×ч тепловой энергии;
- Сжиженный газ интенсивно испаряетсяи, попадая на кожу человека, вызывает обморожение.
Продажа Производство Доставка
Газообразный
Пропан относиться к органическим веществам класса алканов. Пропан содержится в природном газе и может быть образован при крекинге нефтепродуктов. Пропан считается одним из самых ядовитых газов.
Физические свойства
Пропан – это бесцветный газ, который слабо растворяется в воде. Точка кипения пропана — 42,1С. При контакте с воздухом пропан образует взрывоопасную смесь (при концентрации паров от 2 до 9,5%). При давлении 760 мм ртутного столба температура возгорания пропана может составить порядка 466 °С.
Химические свойства
Химические свойства пропана аналогичны большинству свойств ряда алканов. К таким свойствам относятся: хлорирование, дегидрирование и так далее.
Применение пропана
Пропан широко используется как топливо для различных нужд. Он является важным компонентом сжиженных углеводородных газов. Используется пропан для производства растворителей и в пищевой промышленности (в качестве пропеллента, добавки E944).
Хладагент
Смесь изобутана (R-600a) и чистого пропана (R-290a) не наносит вред озоновому слою и имеет низкий показатель парникового потенциала (GWP). Поэтому данную смесь широко применяют в качестве хладагента. Эта смесь заменила устаревшие хладагенты в холодильных установках и кондиционерах.
Бутан (C4H10) — как и пропан, относиться к классу алканов. Это органическое соединение, которое очень токсично и вызывает отравление организма человека при вдыхании. В химии обычно бутаном называют смесь н-бутана и его изомера изобутана CH(CH3)3. Название бутан состоит из двух частей, корня «бут-«, что с английского языка означает масляная кислота (butyric acid) и окончания «-ан», которое говорит о принадлежности этого вещества к алканам.
Изомерия
Бутан имеет два изомера:
|
название |
формула |
структурная формула |
температура плавления, °С |
температура кипения, °С |
|
н-бутан |
CH3–CH2–CH2–CH3 |
−138,3 |
−0,5 |
|
|
изобутан |
CH(CH3)3 |
−159,6 |
−11,7 |
Физические свойства
Бутан представляет собой бесцветный и легковоспламеняемый газ. При нормальном давлении и температуре ниже 0 °C легко сжижается. При повышении давления и обычной температуре — легколетучая жидкость. Растворимость в воде бутана составляет 6,1 мг на 100 миллилитров воды. Бутан при давлении 10 атмосфер и температуре 100 °C может образовывать азеотропное соединение с водой.
Нахождение и получение
Бутан находиться в нефтяном и газовом конденсате (его доля составляет примерно 12%). Получают бутан и методом гидрокаталитического или каталитического крекинга нефтяных фракций. В лабораторных условиях бутан получают по реакции Вюрца:
2 C2H5Br + 2Na → CH3-CH2-CH2-CH3 + 2NaBr
Применение и реакции
При свободнорадикальном хлорировании получается смесь 2-хлорбутана и 1-хлора. На воздухе при сгорании образуется вода и углекислый газ. Бутан широко используется в качестве смеси с пропаном в зажигалках и газовых баллонах. В них он находиться в сжиженном состоянии и имеет определенный запах из-за наличия в смеси одорантов. Различают «летние» и «зимние» смеси, которые имеют разные составы. Теплота сгорания одного килограмма бутана составляет примерно 45 МДж (12,72 кВт•ч).
2C4H10 + 13 O2 → 8 CO2 + 10 H2O
При недостатке кислорода образуется сажа или угарный газ или того и другого вместе.
2C4H10 + 5 O2 → 8 C + 10 H2O
2C4H10 + 9 O2 → 8 CO + 10 H2O
Компания Дюпон запатентовала метод получения малеинового ангидрида при каталитическом окислении из н-бутана
2 CH3CH2CH2CH3 + 7 O2 → 2 C2H2(CO)2O + 8 H2O
н-Бутан является хорошим сырьем для производства бутена, 1,3-бутадиена, которые являются важными компонентом бензина с высоким октановым числом. Чистый бутан используется как хладагент в холодильных установках и кондиционерах. Бутан лучше фреона за счет своей экологичности и безопасности для окружающей среды, но менее производителен, чем фреоновые хладагенты. Бутан зарегистрирован как пищевая добавка E943a в пищевой промышленности, а изобутан как добавка E943b, пропеллент. Эти вещества применяются в дезодорантах.
В пищевой промышленности бутан зарегистрирован в качестве пищевой добавкиE943a, а изобутан — E943b, как пропеллент, например, в дезодорантах.
Влияние бутана на организм человека
Вдыхание человеком бутана может вызвать сердечную недостаточность и смерть от удушья. Попадание жидкого бутана или струи газа-бутан вызывает охлаждение до минус двадцати градусов, что очень опасно для человека.