Кіріспе

Өнеркәсіптік газдар – өнеркәсіпте пайдалану үшін өндірілетін газ тәрізді материалдар. Өнеркәсіптік газдарға азот, оттегі, көмірқышқыл газы, аргон, сутегі, гелий және ацетилен жатады, бірақ газ баллондарында олардан өзге де көптеген газдар мен қоспаларды табуға болады. Осы газдарды өндіретін сала да өнеркәсіптік газ деп аталады, ол газдарды өндіру және пайдалануға қажетті жабдықтар мен технологияларды ұсынуды да қамтиды. Олардың өндірісі – химия өнеркәсібінің бір бөлігі (мұнда өнеркәсіптік газдар көбінесе «арнайы химиялық заттар» ретінде қарастырылады). Өнеркәсіптік газдар мұнай және газ, мұнай-химия, химия, энергетика, кен өндіру, болат қорыту, металлургия, қоршаған ортаны қорғау, медицина, фармацевтика, биотехнология, тағам, су, тыңайтқыштар, ядролық энергетика, электроника және ғарыш өнеркәсібі сияқты көптеген салаларда қолданылады. Өнеркәсіптік газ басқа өнеркәсіптік кәсіпорындарға сатылады, көбінесе ірі тапсырыстар корпоративтік клиенттерге беріледі, бұл өндірістік объектілерді немесе құбырларды салудан бастап баллондармен газбен жабдықтауға дейін қамтиды. Сауда көлеміндегі бизнес көбінесе жергілікті агенттер арқылы көтерме саудамен жүзеге асырылады. Бұл бизнес газ баллондарын және олармен байланысты жабдықтарды саудагерлерге және кейде жалпы халыққа сатуды немесе жалға беруді қамтиды. Мұнда гелиймен толтырылған шарлар, сыра бөшкелеріне газ беру, дәнекерлеу газдары мен жабдықтары, сұйытылған газ және медициналық оттегі сияқты өнімдер бар. Кішкентай көлемдегі газды бөлшек саудасы тек өнеркәсіптік газ компанияларымен немесе олардың агенттерімен ғана шектелмейді. СЖГ, бутан, пропан, көмірқышқыл газы немесе азот тотығын жеткізу үшін қолмен тасымалданатын цилиндрлер, бөтелкелер, картридждер, капсулалар немесе канистрлер сияқты түрлі кішкентай газ контейнерлерін табуға болады. Мысалы, қамырға арналған баллондар, қуат беруге арналған құрылғылар, Campingaz және Sodastream.

Газдардың алғашқы тарихы

Адамдар табиғи ортадан алғашқы қолданған газ – ауа болды, себебі отты үрлеп немесе желдейтін болғанда оның жалысы күшейетіні байқалды. Адамдар оттың жылуын тамақ түтінуге, ал қайнаған судың буын тамақ пісіруге пайдаланған. Көмірқышқыл газы ежелгі заманнан бері ашыту процесінің, әсіресе сусындардың қосалқы өнімі ретінде белгілі, оның алғашқы жазбалары Қытайдың Цзяхуында б.з.д. 7000-6600 жылдарға дейін жетеді. Қытайлықтар шамамен б.з.д. 500 жылы табиғи газды пайдаланған, олар жерден шығатын газды бамбук құбырлар арқылы теңіз суын қайнатуға қолданатын жерге жеткізген. Римдіктер шарап жасау кезінде күкірт диоксидін қолданған, себебі бос шарап ыдыстарының ішінде күкірттен жасалған шамдарды жағу оларды жаңарып, сірке иісінің пайда болуын болдырмаған. Бастапқы түсініктер тәжірибелік деректер мен алхимияның протоғылымына негізделген; алайда ғылыми әдіс пен химия ғылымының дамуымен осы газдар нақты анықталып, түсіндірілді. Химия тарихы көптеген газдардың анықталғанын, немесе алғаш рет табылғанын, немесе салыстырмалы түрде таза күйде жасалғанын көрсетеді. Әртүрлі газдардың ашылу мерзімі: көмірқышқыл газы (1754), сутек (1766), азот (1772), оттек (1773), аммиак (1774), хлор (1774), күкірт сутегі (1777), көміртек монооксиді (1800), сутек хлориді (1810), ацетилен (1836), гелий (1868), фтор (1886). Мысалы, газдалған су 1772 жылдан бастап, ал 1783 жылдан бастап коммерциялық түрде жасалды, хлор алғаш рет 1785 жылы маталарды ақтарту үшін қолданылды, ал азот тотығы 1844 жылы стоматологиялық анестезия үшін пайдаланылды. Сонымен қатар, қарапайым газ эволюциясы реакциялары арқылы сутек, күкірт сутегі, хлор, ацетилен және көмірқышқыл газы сияқты газдарды өндіруге болады. Ацетилен 1893 жылдан бастап коммерциялық өндіріске енгізілді, ал ацетилен генераторлары 1898 жылдан бастап газбен пісіру және газбен жарықтандыру үшін газ өндіруге қолданылды, бірақ электр жарығы жарықтандыру үшін тиімдірек болды, ал 1912 жылдан бастап сұйық газ (LPG) коммерциялық өндіріске енгізілгеннен кейін ацетиленді тамақ пісіру үшін пайдалану азайды. Салқындату технологиясының дамуы ауа кондициялау және газдарды сұйықтандырудағы жетістіктерге де ықпал етті. Көмірқышқыл газы алғаш рет 1823 жылы сұйытылды. Эфирді пайдаланып алғашқы буды қысыммен салқындату циклін 1834 жылы Джейкоб Перкинс ойлап тапты, ал аммиакты пайдаланып ұқсас цикл 1873 жылы, күкірт диоксидімен бірге 1876 жылы құрылды. Өнеркәсіптік газ өнеркәсібінің басталуын нақты бір оқиға белгілемейді, бірақ көптеген адамдар оны 1880 жылдардағы алғашқы жоғары қысымды газ баллондарының құрылысымен байланыстырады, әсіресе Карл фон Линде жасаған баллондар, олардың көмегімен үлкен мөлшерде оттек өндіруге мүмкіндік болды. 1896 жылы ацетиленнің ацетонға көп мөлшерде ерітіліп, жарылғыш емес болатындығының ашылуы ацетиленді қауіпсіз бөтелкелерге салуға мүмкіндік берді. Ерекше маңызды қолданылуы – 1900 жылдардың басында оттегі мен ацетиленді пайдаланып дәнекерлеу және металл кесу технологиясының дамуы. Басқа газдарды өндіру процестері дамыған сайын, газ генераторларының қажеті болмайтын, цилиндрлерде сатылатын газдардың саны көбейді.

Газ өндіру технологиясы

Ауаны бөлу қондырғылары ауаны бөлу процесінде тазартады және азот пен аргонды көп мөлшерде өндіруге мүмкіндік береді. Қажетті төмен температураға жету үшін ауа бөлгіш қондырғысы (ASU) Джоуль-Томсон эффектісі арқылы жұмыс істейтін тоңазытқыш циклді қолданады. Негізгі ауа газдарынан басқа, ауаны бөлу сирек кездесетін асыл газдар – неон, криптон және ксенонды өндірудің жалғыз практикалық көзі болып табылады. Криогендік технологиялар табиғи газды, сутегін және гелийді сұйытуға мүмкіндік береді. Табиғи газды өңдеуде криогендік технологиялар азотты лақтыру блогында табиғи газдан азотты алу үшін қолданылады; бұл процесс табиғи газ кен орындарында жеткілікті гелий бар жерде табиғи газдан гелий өндіру үшін де қолданылуы мүмкін. Ірі өнеркәсіптік газ компаниялары өздерінің барлық салалары бойынша кең патенттік кітапханаларға, әсіресе криогендіктерге инвестиция салады. Өндірістегі басқа негізгі технология – реформалау. Буды реформалау – табиғи газ бен буды жанама өнім ретінде көмірқышқыл газы мен көміртек оксиді бар синтез-газға айналдыру үшін қолданылатын химиялық процесс. Жарым-жартылай тотығу және автотермиялық реформалау ұқсас процестер, бірақ олар да ASU-дан оттегі қажет етеді. Синтез-газ көбінесе аммиак немесе метанолдың химиялық синтезіне қажетті зат болып табылады. Көмірқышқыл газы қышқыл газ болып табылады және көбінесе аминмен өңдеу арқылы алынады. Бұл бөлінген көмірқышқыл газы көміртекті жинап алу ошағына немесе мұнайды жақсарту үшін пайдаланылуы мүмкін. Ауаны бөлу және сутегін реформалау технологиялары өнеркәсіптік газдар индустриясының тірегі болып табылады және көптеген отын газдандыру (IGCC қоса алғанда), когенерация және Fischer Tropsch газдан сұйықтыққа айналу схемаларына қажетті технологиялардың бір бөлігін құрайды. Сутегінің көптеген өндіріс әдістері бар және егер суды электролиз арқылы өндірсе, ол көміртегіне бейтарап балама отын болуы мүмкін (электр энергиясы табиғи газды реформалаудың орнына ядролық немесе басқа да төмен көміртекті электр станцияларында өндіріледі деп есептесек). Көмірсутектерді ығыстырудың бір мысалы – Оркней; сутегінің қолданылуы туралы толық ақпарат алу үшін сутек экономикасын қараңыз. Сұйық сутегі NASA ғарыш кемесінде зымыран отыны ретінде қолданылады. Қысымды ауыстыруда немесе вакуумды ауыстыруда қолданылатын мембраналар немесе молекулалық сілемдер сияқты қарапайым газды бөлу технологиялары азот генераторлары мен оттегі зауыттарында төмен тазалықтағы ауа газдарын өндіру үшін де қолданылады. Газдың аз мөлшерін өндіретін басқа мысалдар – химиялық оттегі генераторлары немесе оттегі концентраторлары. Ауаны бөлу және синтез-газды реформалаудан алынатын негізгі газдардан басқа, индустрия көптеген басқа газдарды да ұсынады. Кейбір газдар басқа өнеркәсіптердің қосымша өнімдері болып табылады, ал басқалары кейде басқа ірі химиялық өндірушілерден сатып алынып, тазартылып, қайта қапталады; бірақ олардың біразының өз өндіріс процестері бар. Мысал ретінде хлордағы сутегін жағу арқылы алынатын хлорлы сутек, аздап қыздырылғанда аммоний нитратының термиялық ыдырауынан алынатын азот оксиді, фтор, хлор және сутек өндіру үшін электролиз және ауадан немесе оттегіден озон өндіру үшін электрлік короналық разряд. Қатынас қызметтер мен технологияларды ұсынуға болады, мысалы, аурухана газ жүйелерінде жиі қолданылатын вакуум, тазартылған қысылған ауа немесе тоңазыту. Тағы бір ерекше жүйе – инерттік газ генераторы. Кейбір өндірістік газ компаниялары сонымен қатар осыған байланысты химиялық заттарды, әсіресе бром, фторсутек және этилен оксиді сияқты сұйықтықтарды жеткізуі мүмкін.

Газбен жабдықтау түрі

Қоршаған орта температурасы мен қысымында газ күйінде болатын көптеген материалдар қысылған газ түрінде жеткізіледі. Газ компрессоры газды құбыр жүйелері арқылы сақтау ыдыстарына (мысалы, газ баллондары, газ контейнерлері немесе құбыр тіркемелері) қысыммен жібереді. Газ баллондары газды сақтаудың ең көп таралған тәсілі болып табылады және олардың көп бөлігі "баллонды толтыру" орнатылымында өндіріледі. Дегенмен, барлық өнеркәсіптік газдар газ фазасында жеткізілмейді. Кейбір газдар – бұл тек қысым арқылы қоршаған орта температурасында сұйытылатын булар, сондықтан оларды тиісті ыдыста сұйық түрінде де жеткізуге болады. Бұл фазалық өзгеріс осы газдарды қоршаған ортаны салқындату үшін де пайдалы етеді, ал осы қасиетке ие ең маңызды өнеркәсіптік газдар – аммиак (R717), пропан (R290), бутан (R600) және күкірт диоксиді (R764). Хлор да осы қасиетке ие, бірақ ол тым уытты, коррозиялық және реактивті болғандықтан суытқыш ретінде қолданылған емес. Тағы да басқа газдар да егер қоршаған орта температурасы жеткілікті төмен болса, осы фазалық өзгеріске ұшырайды; олар этилен (R1150), көмірқышқыл газы (R744), этан (R170), азот оксиді (R744A) және күкірт гексафторидін қамтиды. Алайда, оларды қысыммен сұйыту үшін олардың критикалық температурасын сақтау қажет: C2H4 үшін 9 °C; CO2 үшін 31 °C; C2H6 үшін 32 °C; N2O үшін 36 °C; SF6 үшін 45 °C. Бұл заттардың барлығы газ баллонында 200 бар қысымда газ (бу емес) түрінде де ұсынылады, себебі бұл қысым олардың критикалық қысымынан жоғары.