Промышленные газы — это газообразные материалы, которые производятся для использования в промышленности . Основными поставляемыми газами являются азот , кислород , углекислый газ , аргон , водород , гелий и ацетилен , хотя многие другие газы и смеси также доступны в газовых баллонах. Промышленность, производящая эти газы, также известна как промышленный газ , которая рассматривается как также охватывающая поставку оборудования и технологий для производства и использования газов. [1] Их производство является частью более широкой химической промышленности (где промышленные газы часто рассматриваются как « специальные химикаты »).
Промышленные газы используются в широком спектре отраслей промышленности, включая нефтегазовую , нефтехимическую , химическую , энергетическую , горнодобывающую , сталелитейную , металлургическую , охрану окружающей среды , медицину , фармацевтику , биотехнологии , пищевую , водную , удобрения , атомную энергетику , электронику и аэрокосмическую . Промышленный газ продается другим промышленным предприятиям; как правило, это крупные заказы для корпоративных промышленных клиентов, охватывающие диапазон размеров от строительства технологического объекта или трубопровода до поставки баллонного газа.
Некоторый объемный бизнес ведется, как правило, через местных агентов , которые поставляются оптом . Этот бизнес охватывает продажу или аренду газовых баллонов и сопутствующего оборудования торговцам и иногда широкой публике. Сюда входят такие продукты, как баллонный гелий , газы для розлива пива в пивные бочки , сварочные газы и сварочное оборудование, сжиженный нефтяной газ и медицинский кислород .
Розничные продажи мелкомасштабного газового снабжения не ограничиваются только промышленными газовыми компаниями или их агентами. Широкий выбор переносных небольших газовых контейнеров, которые можно назвать баллонами, бутылками, картриджами, капсулами или канистрами, доступен для поставки сжиженного нефтяного газа, бутана, пропана, углекислого газа или закиси азота. Примерами являются зарядные устройства для взбитых сливок , powerlets , campingaz и sodastream .
Первым газом из естественной среды, который использовали люди, почти наверняка был воздух , когда было обнаружено, что раздувание или раздувание огня заставляло его гореть ярче. Люди также использовали теплые газы от огня для копчения пищи и пар от кипящей воды для приготовления пищи.
Углекислый газ был известен с древних времен как побочный продукт ферментации , особенно для напитков , что было впервые задокументировано в период с 7000 по 6600 год до нашей эры в Цзяху , Китай . [2] Природный газ использовался китайцами примерно в 500 году до нашей эры, когда они обнаружили потенциал транспортировки газа, просачивающегося из-под земли, по грубым бамбуковым трубопроводам, где он использовался для кипячения морской воды. [3] Диоксид серы использовался римлянами в виноделии, поскольку было обнаружено, что горящие свечи, сделанные из серы [4], внутри пустых винных сосудов сохраняют их свежими и предотвращают появление запаха уксуса. [5]
Раннее понимание состояло из эмпирических данных и протонауки алхимии ; однако с появлением научного метода [6] и науки химии эти газы стали определенно идентифицированы и поняты.
История химии свидетельствует о том, что ряд газов были идентифицированы и либо открыты, либо впервые получены в относительно чистом виде во время промышленной революции XVIII и XIX веков выдающимися химиками в их лабораториях . Хронология приписываемых открытий для различных газов следующая: углекислый газ (1754), [7] водород (1766), [8] [9] азот (1772), [8] закись азота (1772), [10] кислород (1773), [8] [11] [12] аммиак (1774), [13] хлор (1774), [8] метан (1776), [14] сероводород (1777), [15] оксид углерода (1800), [16] хлористый водород (1810), [17] ацетилен (1836), [18] гелий (1868) [8] [19] фтор (1886), [8] аргон (1894), [8] криптон, неон и ксенон (1898) [8] и радон (1899). [8]
Углекислый газ, водород, закись азота, кислород, аммиак, хлор, диоксид серы и искусственный топливный газ уже использовались в 19 веке и в основном использовались в пищевых продуктах , холодильной технике , медицине , а также в качестве топлива и газового освещения . [20] Например, газированная вода производилась с 1772 года и продавалась в коммерческих целях с 1783 года, хлор впервые был использован для отбеливания тканей в 1785 году [21] , а закись азота впервые была использована для анестезии в стоматологии в 1844 году. [10] В это время газы часто генерировались для немедленного использования путем химических реакций . Ярким примером генератора является аппарат Киппса , который был изобретен в 1844 году [22] и мог использоваться для получения таких газов, как водород, сероводород , хлор, ацетилен и углекислый газ, путем простых реакций выделения газа . Ацетилен производился в промышленных масштабах с 1893 года, а ацетиленовые генераторы использовались примерно с 1898 года для производства газа для газового приготовления пищи и газового освещения , однако электричество взяло верх как более практичное средство для освещения, и как только с 1912 года началось коммерческое производство сжиженного нефтяного газа, использование ацетилена для приготовления пищи сократилось. [20]
После того, как газы были обнаружены и произведены в скромных количествах, процесс индустриализации подстегнул инновации и изобретение технологий для производства большего количества этих газов. Известные разработки в промышленном производстве газов включают электролиз воды для получения водорода (в 1869 году) и кислорода (с 1888 года ), процесс Брина для производства кислорода, который был изобретен в 1884 году, хлорщелочной процесс для производства хлора в 1892 году и процесс Габера для производства аммиака в 1908 году. [23]
Развитие использования в охлаждении также способствовало прогрессу в кондиционировании воздуха и сжижении газов. Углекислый газ был впервые сжижен в 1823 году. Первый цикл охлаждения с компрессией пара с использованием эфира был изобретен Якобом Перкинсом в 1834 году, а аналогичный цикл с использованием аммиака был изобретен в 1873 году, а другой с диоксидом серы в 1876 году. [20] Жидкий кислород и жидкий азот были впервые получены в 1883 году; жидкий водород был впервые получен в 1898 году, а жидкий гелий в 1908 году. Сжиженный нефтяной газ был впервые получен в 1910 году. Патент на СПГ был подан в 1914 году, а первое коммерческое производство — в 1917 году. [24]
Хотя нет какого-либо определенного события, которое бы ознаменовало начало промышленной газовой промышленности, многие считают, что это произошло в 1880-х годах, когда были построены первые газовые баллоны высокого давления . [20] Первоначально баллоны в основном использовались для углекислого газа при газировании или розливе напитков. В 1895 году холодильные компрессионные циклы получили дальнейшее развитие, чтобы обеспечить сжижение воздуха , [25] в частности, Карлом фон Линде [26], что позволило производить большее количество кислорода, а в 1896 году открытие того, что большие количества ацетилена можно растворить в ацетоне и сделать невзрывоопасными, позволило безопасно разливать ацетилен. [27]
Особенно важным применением стало развитие сварки и резки металла с использованием кислорода и ацетилена с начала 1900-х годов. По мере развития производственных процессов для других газов все больше газов стали продаваться в баллонах без необходимости в газогенераторе .
Воздухоразделительные установки очищают воздух в процессе разделения и, таким образом, позволяют производить в больших объемах азот и аргон в дополнение к кислороду - эти три часто также производятся в виде криогенной жидкости . Для достижения требуемых низких температур дистилляции воздухоразделительная установка (ВРУ) использует холодильный цикл , который работает с помощью эффекта Джоуля-Томсона . Помимо основных воздушных газов, разделение воздуха также является единственным практическим источником для производства редких благородных газов неона , криптона и ксенона .
Криогенные технологии также позволяют сжижать природный газ , водород и гелий . При переработке природного газа криогенные технологии используются для удаления азота из природного газа в блоке удаления азота ; этот процесс также может использоваться для производства гелия из природного газа, если месторождения природного газа содержат достаточно гелия, чтобы сделать это экономически выгодным. Крупные промышленные газовые компании часто инвестировали в обширные патентные библиотеки во всех областях своего бизнеса, но особенно в криогенике.
Другой основной производственной технологией в отрасли является риформинг. Паровой риформинг — это химический процесс, используемый для преобразования природного газа и пара в синтез-газ, содержащий водород и оксид углерода с диоксидом углерода в качестве побочного продукта . Частичное окисление и автотермический риформинг — это похожие процессы, но для них также требуется кислород из ASU. Синтез-газ часто является предшественником химического синтеза аммиака или метанола . Полученный диоксид углерода является кислым газом и чаще всего удаляется путем аминовой обработки . Этот отделенный диоксид углерода потенциально может быть изолирован в резервуаре улавливания углерода или использован для повышения нефтеотдачи .
Технологии разделения воздуха и риформинга водорода являются краеугольным камнем промышленности промышленных газов, а также являются частью технологий, необходимых для многих схем газификации топлива (включая IGCC ), когенерации и схем превращения газа в жидкости по Фишеру-Тропшу . Водород имеет много методов производства и может быть почти углеродно-нейтральным альтернативным топливом, если производится электролизом воды (предполагая, что электричество производится на ядерной или другой электростанции с низким углеродным следом вместо риформинга природного газа, который является доминирующим методом). Одним из примеров вытеснения использования углеводородов являются Оркнейские острова; [28] см. водородную экономику для получения дополнительной информации об использовании водорода. жидкий водород используется НАСА в космическом челноке в качестве ракетного топлива .
Более простые технологии разделения газа , такие как мембраны или молекулярные сита, используемые в адсорбции с переменным давлением или вакуумной адсорбции с переменным давлением, также используются для получения газов воздуха низкой чистоты в азотных генераторах и кислородных установках . Другими примерами, производящими меньшие количества газа, являются химические генераторы кислорода или кислородные концентраторы .
Помимо основных газов, получаемых путем разделения воздуха и реформинга синтез-газа, эта отрасль поставляет много других газов. Некоторые газы являются просто побочными продуктами других отраслей промышленности, а другие иногда покупаются у других крупных производителей химической продукции, очищаются и переупаковываются; хотя у некоторых из них есть свои собственные производственные процессы. Примерами являются хлористый водород, получаемый путем сжигания водорода в хлоре, закись азота, получаемая путем термического разложения нитрата аммония при медленном нагревании, электролиз для получения фтора, хлора и водорода и электрический коронный разряд для получения озона из воздуха или кислорода.
Могут быть предоставлены сопутствующие услуги и технологии, такие как вакуум , который часто предоставляется в системах больничного газа ; очищенный сжатый воздух ; или охлаждение . Другая необычная система — генератор инертного газа . Некоторые промышленные газовые компании могут также поставлять сопутствующие химикаты , в частности, жидкости, такие как бром , фтористый водород и оксид этилена .
Большинство материалов, которые являются газообразными при температуре и давлении окружающей среды, поставляются в виде сжатого газа. Газовый компрессор используется для сжатия газа в сосудах высокого давления для хранения (таких как газовые баллоны , газовые цилиндры или трубчатые прицепы ) через трубопроводные системы. Газовые цилиндры являются наиболее распространенным хранилищем газа [29], и большое количество их производится на предприятии по «заполнению баллонов» .
Однако не все промышленные газы поставляются в газообразной фазе . Некоторые газы представляют собой пары , которые могут быть сжижены при температуре окружающей среды под давлением , поэтому их также можно поставлять в виде жидкости в соответствующем контейнере. Этот фазовый переход также делает эти газы полезными в качестве хладагентов окружающей среды , и наиболее значимыми промышленными газами с этим свойством являются аммиак (R717), пропан (R290), бутан (R600) и диоксид серы (R764). Хлор также обладает этим свойством, но он слишком токсичен, едкий и реактивный, чтобы когда-либо использоваться в качестве хладагента. Некоторые другие газы демонстрируют этот фазовый переход, если температура окружающей среды достаточно низкая; к ним относятся этилен ( R1150), диоксид углерода (R744), этан (R170), закись азота (R744A) и гексафторид серы ; однако их можно сжижать только под давлением, если поддерживать их ниже критических температур , которые составляют 9 ° C для C2H4 ; 31 °C для CO2 ; 32 °C для C 2 H 6 ; 36 °C для N 2 O ; 45 °C для SF 6 . [30] Все эти вещества также поставляются в виде газа (не пара) при давлении 200 бар в газовом баллоне, поскольку это давление выше их критического давления . [30]
Постоянные газы (с критической температурой ниже температуры окружающей среды) могут поставляться в жидком виде только в том случае, если они также охлаждаются. Все газы потенциально могут использоваться в качестве хладагента при температурах, близких к температурам, при которых они находятся в жидком состоянии; например, азот (R728) и метан (R50) используются в качестве хладагента при криогенных температурах. [25]
В исключительных случаях диоксид углерода может быть получен в виде холодного твердого вещества , известного как сухой лед , который сублимируется при нагревании в условиях окружающей среды; свойства диоксида углерода таковы, что он не может быть жидким при давлении ниже тройной точки 5,1 бар. [30]
Ацетилен также поставляется по-разному. Поскольку он настолько нестабилен и взрывоопасен, он поставляется в виде газа, растворенного в ацетоне в упаковочной массе в баллоне. Ацетилен также является единственным другим распространенным промышленным газом, который сублимируется при атмосферном давлении. [30]
Основные промышленные газы могут производиться оптом и поставляться потребителям по трубопроводу , а также могут упаковываться и транспортироваться.
Большинство газов продаются в газовых баллонах , а некоторые продаются в виде жидкости в соответствующих контейнерах (например, сосудах Дьюара ) или в виде жидкости, доставляемой наливом на грузовиках. Первоначально отрасль поставляла газы в баллонах, чтобы избежать необходимости в локальной генерации газа; но для крупных клиентов, таких как сталелитейные заводы или нефтеперерабатывающие заводы , поблизости может быть построен большой завод по производству газа (обычно называемый «локальным» объектом), чтобы избежать использования большого количества баллонов, соединенных вместе . В качестве альтернативы промышленная газовая компания может поставлять завод и оборудование для производства газа, а не сам газ. Промышленная газовая компания может также предложить выступить в качестве оператора завода по контракту на эксплуатацию и техническое обслуживание газового объекта для клиента, поскольку у нее обычно есть опыт эксплуатации таких объектов для производства или обработки газов для себя.
Некоторые материалы опасны для использования в качестве газа; например, фтор очень реактивен, и промышленная химия, требующая фтора, часто использует вместо него фтористый водород (или плавиковую кислоту ). Другой подход к преодолению реактивности газа заключается в генерации газа по мере необходимости, что делается, например, с помощью озона .
Таким образом, вариантами доставки являются местная выработка газа, трубопроводы , массовая транспортировка ( автомобильный , железнодорожный , морской транспорт ), а также упакованные газы в газовых баллонах или других контейнерах. [1]
Наливные сжиженные газы часто перекачиваются в резервуары для хранения конечного пользователя . Газовые баллоны (и сосуды, содержащие жидкий газ) часто используются конечными пользователями для собственных небольших систем распределения. Баллоны с токсичными или легковоспламеняющимися газами часто хранятся конечными пользователями в газовых шкафах для защиты от внешнего пожара или от любой утечки.
Несмотря на попытки стандартизации для обеспечения безопасности пользователей и спасателей, универсальной кодировки для баллонов с промышленными газами не существует, поэтому используются несколько стандартов цветовой кодировки. В большинстве развитых стран мира, в частности, в странах Европейского союза и Великобритании, используется стандарт EN 1089-3, за исключением баллонов со сжиженным нефтяным газом .
В Соединенных Штатах Америки не существует официальных правил цветовой кодировки газовых баллонов, и они не соблюдаются. [31]
Промышленный газ — это группа материалов, которые специально производятся для использования в промышленности и также являются газообразными при температуре и давлении окружающей среды. Это химикаты, которые могут быть элементарным газом или химическим соединением , которое является либо органическим , либо неорганическим , и, как правило, представляет собой молекулы с низкой молекулярной массой . Они также могут быть смесью отдельных газов. Они имеют ценность как химикаты; будь то в качестве сырья , в улучшении процесса, в качестве полезного конечного продукта или для конкретного использования; в отличие от ценности как «простого» топлива .
Термин «промышленные газы» [32] иногда узко определяется как просто основные продаваемые газы, к которым относятся: азот, кислород, углекислый газ, аргон, водород, ацетилен и гелий. [33] Различные промышленные газовые компании дают газам за пределами этого основного списка множество названий, но в целом газы попадают в категории «специальные газы», « медицинские газы », « топливные газы » или « хладагенты ». Однако газы также могут быть известны по их использованию или отраслям, которые они обслуживают, отсюда «сварочные газы» или « дыхательные газы » и т. д.; или по их источнику, как в «воздушных газах»; или по их способу поставки, как в «упакованных газах». Основные газы также могут быть названы «объемными газами» или «тоннажными газами».
В принципе любой газ или газовая смесь, продаваемая «промышленностью промышленных газов», вероятно, имеет некоторое промышленное применение и может быть названа «промышленным газом». На практике «промышленные газы», скорее всего, будут чистым соединением или смесью точного химического состава , упакованными или в небольших количествах, но с высокой чистотой или приспособленными для конкретного использования (например, оксиацетилен ). Списки наиболее значимых газов приведены в разделе «Газы» ниже.
Бывают случаи, когда газ обычно не называют «промышленным газом»; в основном, когда газ перерабатывается для последующего использования его энергии , а не производится для использования в качестве химического вещества или препарата.
Нефтегазовая промышленность рассматривается как отдельная отрасль. Таким образом, хотя верно, что природный газ является «газом», используемым в «промышленности» — часто в качестве топлива, иногда в качестве сырья, и в этом общем смысле является «промышленным газом»; этот термин обычно не используется промышленными предприятиями для углеводородов , производимых нефтяной промышленностью непосредственно из природных ресурсов или на нефтеперерабатывающем заводе . Такие материалы, как сжиженный нефтяной газ и сжиженный природный газ, представляют собой сложные смеси, часто не имеющие точного химического состава, который также часто изменяется во время хранения.
Нефтехимическая промышленность также рассматривается как отдельная отрасль. Поэтому нефтехимические продукты (химикаты, полученные из нефти ), такие как этилен , также обычно не описываются как «промышленные газы».
Иногда химическую промышленность рассматривают отдельно от промышленных газов; поэтому такие материалы, как аммиак и хлор, можно считать « химическими веществами » (особенно если они поставляются в жидком виде) вместо или иногда вместе с «промышленными газами».
Небольшие поставки газа в переносных контейнерах иногда не считаются промышленным газом, поскольку их использование считается личным, а не промышленным; а поставщики не всегда являются специалистами по газу.
Эти разграничения основаны на воспринимаемых границах этих отраслей (хотя на практике есть некоторое совпадение), и точное научное определение трудно. Для иллюстрации «пересечения» между отраслями:
Газообразный топливный продукт (такой как городской газ ) исторически считался бы промышленным газом. Синтез-газ часто считается нефтехимическим продуктом, хотя его производство является основной технологией промышленных газов. Аналогичным образом, проекты по использованию свалочного газа или биогаза , схемы переработки отходов в энергию , а также производство водорода демонстрируют перекрывающиеся технологии.
Гелий — это промышленный газ, хотя его источником является переработка природного газа .
Любой газ, помещенный в газовый баллон, скорее всего, будет считаться промышленным газом (за исключением, возможно, случаев, когда он используется в качестве топлива).
Пропан будет считаться промышленным газом при использовании в качестве хладагента, но не при использовании в качестве хладагента при производстве СПГ, хотя это пересекающиеся технологии.
Известные химические элементы , которые есть или могут быть получены из природных ресурсов (без трансмутации ) и которые являются газообразными, - это водород, азот, кислород, фтор, хлор, а также благородные газы; и химики совместно называют их «элементарными газами». [34] Все эти элементы являются первичными, за исключением благородного газа радона , который является следовым радиоизотопом , который встречается в природе, поскольку все изотопы являются радиогенными нуклидами, образующимися в результате радиоактивного распада . Все эти элементы являются неметаллами .
( Синтетические элементы не имеют отношения к промышленной газовой промышленности; однако для научной полноты следует отметить, что было высказано предположение, но научно не доказано, что металлические элементы 112 ( Коперниций ) и 114 ( Флеровий ) являются газами. [35] )
Элементы, которые являются стабильными двухатомными гомоядерными молекулами при стандартной температуре и давлении (СТП), это водород (H 2 ), азот (N 2 ) и кислород (O 2 ), а также галогены фтор (F 2 ) и хлор (Cl 2 ). Все благородные газы одноатомны .
В промышленности промышленных газов термин «элементарные газы» (или иногда менее точно «молекулярные газы») используется для того, чтобы отличить эти газы от молекул, которые также являются химическими соединениями .
Радон химически стабилен, но он радиоактивен и не имеет стабильного изотопа . Его самый стабильный изотоп , 222 Rn , имеет период полураспада 3,8 дня. Его применение обусловлено его радиоактивностью, а не его химией, и он требует специального обращения вне норм промышленной газовой промышленности. Однако он может быть получен как побочный продукт переработки урановых руд . Радон является следовым природным радиоактивным материалом (NORM), встречающимся в воздухе, обрабатываемом в ASU.
Хлор — единственный элементарный газ, который технически является паром , поскольку СТП находится ниже критической температуры ; в то время как бром и ртуть являются жидкостями при СТП, и поэтому их пар находится в равновесии с их жидкостью при СТП.
В этом списке показаны другие наиболее распространённые газы, продаваемые промышленными газовыми компаниями. [1]
Возможны различные газовые смеси.
В этом списке представлены наиболее важные сжиженные газы: [1]
Применение промышленных газов разнообразно.
Ниже приведен небольшой список областей применения:
Медиа, связанные с Промышленные газы на Wikimedia Commons