Промышленные газы: производство и применение

Введение

Газообразные материалы, предназначенные для использования в промышленности. Промышленные газы – это газообразные материалы, производимые для использования в промышленности. Основными поставляемыми газами являются азот, кислород, углекислый газ, аргон, водород, гелий и ацетилен, хотя в газовых баллонах также доступно множество других газов и смесей. Отрасль, производящая эти газы, также известна как производство промышленных газов, которое включает в себя поставку оборудования и технологий для производства и использования этих газов. Их производство является частью более широкой химической промышленности (где промышленные газы часто рассматриваются как "специальные химикаты"). Промышленные газы используются в широком спектре отраслей, включая нефтегазовую, нефтехимическую, химическую, энергетическую, горнодобывающую, сталелитейную, металлургическую, экологическую, медицинскую, фармацевтическую, биотехнологическую, пищевую, водоснабжение, производство удобрений, атомную энергетику, электронику и аэрокосмическую промышленность. Промышленные газы продаются другим промышленным предприятиям, как правило, это крупные заказы для корпоративных клиентов, охватывающие масштабы от строительства производственного объекта или трубопровода до поставки газа в баллонах. Часть коммерческих операций осуществляется через местных агентов, работающих по принципу эксклюзивного договора поставки и осуществляющих оптовые продажи. Этот бизнес включает продажу или аренду газовых баллонов и сопутствующего оборудования мастерам и иногда широкой публике. К таким продуктам относятся гелий для воздушных шаров, газы для розлива пива из кег, газы для сварки и сварочное оборудование, сжиженный нефтяной газ (LPG) и медицинский кислород. Розничные продажи газа в небольших объемах не ограничиваются только компаниями по производству промышленных газов или их агентами. Широкий ассортимент небольших портативных газовых контейнеров, которые могут называться баллонами, бутылками, картриджами, капсулами или баллончиками, доступен для подачи сжиженного нефтяного газа, бутана, пропана, углекислого газа или закиси азота. Примеры включают сифоны для взбитых сливок, баллончики для зажигалок, Campingaz и Sodastream.

Ранняя история газов

Первым газом из природной среды, который использовали люди, был, почти наверняка, воздух, когда обнаружили, что раздувание или обмахивание огня делает его ярче. Люди также использовали горячие газы от огня для копчения пищи и пар от кипящей воды для её приготовления. Углекислый газ был известен с древних времен как побочный продукт брожения, особенно при производстве напитков, что впервые задокументировано в период с 7000 по 6600 гг. до н.э. в Цзяху (Китай). Природный газ использовали китайцы примерно в 500 г. до н.э., когда они обнаружили возможность транспортировать газ, просачивающийся из земли, по примитивным трубопроводам из бамбука к месту его использования для кипячения морской воды. Диоксид серы использовали римляне в виноделии, поскольку обнаружили, что горящие свечи из серы внутри пустых винных сосудов сохраняют вино свежим и предотвращают появление уксусного запаха. Раннее понимание газов основывалось на эмпирических данных и протонауке – алхимии; однако с развитием научного метода и химии эти газы были точно идентифицированы и изучены. История химии показывает, что ряд газов был идентифицирован, открыт или впервые получен в относительно чистом виде во время промышленной революции XVIII и XIX веков выдающимися химиками в их лабораториях. Даты открытия различных газов: углекислый газ (1754), водород (1766), азот (1772), кислород (1773), аммиак (1774), хлор (1774), сероводород (1777), оксид углерода (1800), хлористый водород (1810), ацетилен (1836), гелий (1868), фтор (1886). Например, газированную воду начали производить с 1772 года, а коммерчески – с 1783 года, хлор впервые использовали для отбеливания тканей в 1785 году, а закись азота – для стоматологической анестезии в 1844 году. Газы, такие как водород, сероводород, хлор, ацетилен и углекислый газ, можно было получать с помощью простых реакций выделения газа. Ацетилен начали производить в промышленных масштабах с 1893 года, а ацетиленовые генераторы использовали примерно с 1898 года для получения газа для приготовления пищи и освещения, однако электричество оказалось более практичным для освещения, а после начала коммерческого производства сжиженного углеводородного газа (СУГ) с 1912 года использование ацетилена для приготовления пищи сократилось. Развитие холодильной техники также способствовало прогрессу в кондиционировании воздуха и сжижении газов. Углекислый газ впервые был сжижен в 1823 году. Первый цикл парокомпрессионного охлаждения с использованием эфира был изобретен Джейкобом Перкинсом в 1834 году, а аналогичный цикл с использованием аммиака – в 1873 году, и ещё один – с диоксидом серы в 1876 году. Хотя ни одно событие не знаменует собой начало промышленной газовой отрасли, многие считают, что это произошло в 1880-х годах с началом строительства первых газовых баллонов высокого давления, в частности благодаря Карлу фон Линде, что позволило увеличить объемы производства кислорода. В 1896 году было открыто, что большое количество ацетилена можно растворить в ацетоне, сделав его невзрывоопасным, что позволило безопасно разливать ацетилен по баллонам. Особенно важным применением стало развитие сварки и резки металлов с использованием кислорода и ацетилена с начала 1900-х годов. С развитием производственных процессов для других газов многие газы стали продаваться в баллонах без необходимости использования газогенераторов.

The first gas from the natural environment used by humans was almost certainly air when it was discovered that blowing on or fanning a fire made it burn brighter. Humans also used the warm gases from a fire to smoke foods and steam from boiling water to cook foods. Carbon dioxide has been known from ancient times as the byproduct of fermentation, particularly for beverages, which was first documented dating from 7000 to 6600 B. C. in Jiahu, China. Natural gas was used by the Chinese in about 500 B. C. when they discovered the potential to transport gas seeping from the ground in crude pipelines of bamboo to where it was used to boil sea water. Sulfur dioxide was used by the Romans in winemaking as it had been discovered that burning candles made of sulfur inside empty wine vessels would keep them fresh and prevent them gaining a vinegar smell. Early understanding consisted of empirical evidence and the protoscience of alchemy; however with the advent of scientific method and the science of chemistry, these gases became positively identified and understood. The history of chemistry tells us that a number of gases were identified and either discovered or first made in relatively pure form during the Industrial Revolution of the 18th and 19th centuries by notable chemists in their laboratories. The timeline of attributed discovery for various gases are carbon dioxide (1754), hydrogen (1766), nitrogen (1772), oxygen (1773), ammonia (1774), chlorine (1774), hydrogen sulfide (1777), carbon monoxide (1800), hydrogen chloride (1810), acetylene (1836), helium (1868) fluorine (1886), For example, carbonated water was being made from 1772 and commercially from 1783, chlorine was first used to bleach textiles in 1785 and nitrous oxide was first used for dentistry anaesthesia in 1844. and could be used to generate gases such as hydrogen, hydrogen sulfide, chlorine, acetylene and carbon dioxide by simple gas evolution reactions. Acetylene was manufactured commercially from 1893 and acetylene generators were used from about 1898 to produce gas for gas cooking and gas lighting, however electricity took over as more practical for lighting and once LPG was produced commercially from 1912, the use of acetylene for cooking declined. The development of uses in refrigeration also enabled advances in air conditioning and the liquefaction of gases. Carbon dioxide was first liquefied in 1823. The first Vapor compression refrigeration cycle using ether was invented by Jacob Perkins in 1834 and a similar cycle using ammonia was invented in 1873 and another with sulfur dioxide in 1876. Although no one event marks the beginning of the industrial gas industry, many would take it to be the 1880s with the construction of the first high pressure gas cylinders. most notably by Carl von Linde allowing larger quantities of oxygen production and in 1896 the discovery that large quantities of acetylene could be dissolved in acetone and rendered nonexplosive allowed the safe bottling of acetylene. A particularly important use was the development of welding and metal cutting done with oxygen and acetylene from the early 1900s. As production processes for other gases were developed many more gases came to be sold in cylinders without the need for a gas generator.

Технология добычи газа

Разделительные установки очищают воздух в процессе разделения, что позволяет производить азот и аргон в больших объемах, помимо кислорода. Эти три газа часто также производятся в виде криогенной жидкости. Для достижения необходимых низких температур дистилляции воздухоразделительная установка (ASU) использует холодильный цикл, работающий на основе эффекта Джоуля-Томсона. Помимо основных газов воздуха, разделение воздуха является единственным практичным источником для получения редких благородных газов – неона, криптона и ксенона. Криогенные технологии также позволяют сжижать природный газ, водород и гелий. В процессе переработки природного газа криогенные технологии используются для удаления азота из природного газа в блоке отбора азота – процессе, который также может быть использован для производства гелия из природного газа, если месторождения содержат достаточное количество гелия для экономической целесообразности. Крупные промышленные газовые компании часто инвестируют в обширные патентные портфели во всех областях своей деятельности, особенно в криогенике. Другая основная технология производства в отрасли – это риформинг. Паровой риформинг – это химический процесс, используемый для преобразования природного газа и пара в синтез-газ, содержащий водород и монооксид углерода, с диоксидом углерода в качестве побочного продукта. Частичное окисление и автотермический риформинг – аналогичные процессы, но они также требуют кислорода от ASU. Синтез-газ часто является предшественником химического синтеза аммиака или метанола. Образующийся диоксид углерода является кислым газом и обычно удаляется методом аминной очистки. Этот выделенный диоксид углерода потенциально может быть секвестрирован в резервуар для улавливания углерода или использован для повышения нефтеотдачи. Технологии разделения воздуха и риформинга водорода являются основой промышленной газовой отрасли и также входят в состав технологий, необходимых для многих схем газификации топлива (включая IGCC), когенерации и производства жидкого топлива по Фишеру-Тропшу. Водород имеет множество методов производства и может быть почти углеродно-нейтральным альтернативным топливом, если он производится путем электролиза воды (при условии, что электроэнергия производится на атомных электростанциях или других электростанциях с низким углеродным следом, а не путем риформинга природного газа, который является доминирующим методом). Одним из примеров отказа от использования углеводородов является Оркней; подробности об использовании водорода можно найти в статье «Водородная экономика». Жидкий водород используется НАСА в космических шаттлах в качестве ракетного топлива. Более простые технологии разделения газов, такие как мембраны или молекулярные сита, используемые в адсорбции при переменном давлении или вакуумной адсорбции, также используются для производства воздушных газов низкой чистоты в азотных генераторах и кислородных установках. Другими примерами, производящими небольшие объемы газа, являются химические генераторы кислорода или концентраторы кислорода. Помимо основных газов, производимых путем разделения воздуха и риформинга синтез-газа, отрасль поставляет множество других газов. Некоторые газы являются просто побочными продуктами других отраслей промышленности, а другие иногда закупаются у других крупных производителей химической продукции, очищаются и переупаковываются, хотя некоторые имеют собственные производственные процессы. Примерами являются хлористый водород, полученный при сжигании водорода в хлоре, оксид азота, полученный при термическом разложении нитрата аммония при мягком нагревании, электролиз для производства фтора, хлора и водорода, а также электрический коронный разряд для получения озона из воздуха или кислорода. Также поставляются сопутствующие услуги и технологии, такие как вакуум, который часто используется в газовых системах больниц, очищенный сжатый воздух или охлаждение. Еще одна необычная система – генератор инертных газов. Некоторые промышленные газовые компании также могут поставлять сопутствующие химические вещества, особенно жидкости, такие как бром, фтороводород и оксид этилена.

Air separation plants refine air in a separation process and so allow the bulk production of nitrogen and argon in addition to oxygen these three are often also produced as cryogenic liquid. To achieve the required low distillation temperatures, an Air Separation Unit (ASU) uses a refrigeration cycle that operates by means of the Joule–Thomson effect. In addition to the main air gases, air separation is also the only practical source for production of the rare noble gases neon, krypton and xenon. Cryogenic technologies also allow the liquefaction of natural gas, hydrogen and helium. In natural gas processing, cryogenic technologies are used to remove nitrogen from natural gas in a Nitrogen Rejection Unit; a process that can also be used to produce helium from natural gas where natural gas fields contain sufficient helium to make this economic. The larger industrial gas companies have often invested in extensive patent libraries in all fields of their business, but particularly in cryogenics. The other principal production technology in the industry is Reforming. Steam reforming is a chemical process used to convert natural gas and steam into a syngas containing hydrogen and carbon monoxide with carbon dioxide as a byproduct. Partial oxidation and autothermal reforming are similar processes but these also require oxygen from an ASU. Synthesis gas is often a precursor to the chemical synthesis of ammonia or methanol. The carbon dioxide produced is an acid gas and is most commonly removed by amine treating. This separated carbon dioxide can potentially be sequestrated to a carbon capture reservoir or used for Enhanced oil recovery. Air Separation and hydrogen reforming technologies are the cornerstone of the industrial gases industry and also form part of the technologies required for many fuel gasification ( including IGCC), cogeneration and Fischer Tropsch gas to liquids schemes. Hydrogen has many production methods and may be almost a carbon neutral alternative fuel if produced by water electrolysis (assuming the electricity is produced in nuclear or other low carbon footprint power plant instead of reforming natural gas which is by far dominant method). One example of displacing the use of hydrocarbons is Orkney; see hydrogen economy for more information on hydrogen's uses. liquid hydrogen is used by NASA in the Space Shuttle as a rocket fuel. Simpler gas separation technologies, such as membranes or molecular sieves used in pressure swing adsorption or vacuum swing adsorption are also used to produce low purity air gases in nitrogen generators and oxygen plants. Other examples producing smaller amounts of gas are chemical oxygen generators or oxygen concentrators. In addition to the major gases produced by air separation and syngas reforming, the industry provides many other gases. Some gases are simply byproducts from other industries and others are sometimes bought from other larger chemical producers, refined and repackaged; although a few have their own production processes. Examples are hydrogen chloride produced by burning hydrogen in chlorine, nitrous oxide produced by thermal decomposition of ammonium nitrate when gently heated, electrolysis for the production of fluorine, chlorine and hydrogen, and electrical corona discharge to produce ozone from air or oxygen. Related services and technology can be supplied such as vacuum, which is often provided in hospital gas systems; purified compressed air; or refrigeration. Another unusual system is the inert gas generator. Some industrial gas companies may also supply related chemicals, particularly liquids such as bromine, hydrogen fluoride and ethylene oxide.

Способ подачи газа

Большинство веществ, находящихся в газообразном состоянии при комнатной температуре и давлении, поставляются в виде сжатого газа. Газовый компрессор используется для сжатия газа в сосуды для хранения под давлением (такие как газовые баллоны, газовые баллоны или автоцистерны) через трубопроводные системы. Газовые баллоны – наиболее распространенный способ хранения газов, и большое их количество производится на предприятиях по заполнению баллонов. Однако не все промышленные газы поставляются в газообразном состоянии. Некоторые газы являются парами, которые могут быть сжижены при комнатной температуре только под давлением, поэтому они также могут поставляться в виде жидкости в подходящей таре. Это изменение фазового состояния также делает эти газы полезными в качестве хладагентов, а наиболее значимыми промышленными газами с таким свойством являются аммиак (R717), пропан (R290), бутан (R600) и диоксид серы (R764). Хлор также обладает этим свойством, но он слишком токсичен, коррозионноактивен и реакционноспособен, чтобы его когда-либо использовали в качестве хладагента. Некоторые другие газы демонстрируют это изменение фазового состояния, если температура окружающей среды достаточно низкая; к ним относятся этилен (R1150), диоксид углерода (R744), этан (R170), закись азота (R744A) и гексафторид серы. Однако эти газы могут быть сжижены под давлением только при условии поддержания температуры ниже их критических температур, которые составляют 9 °C для C2H4; 31 °C для CO2; 32 °C для C2H6; 36 °C для N2O; 45 °C для SF6. Все эти вещества также поставляются в виде газа (а не пара) под давлением 200 бар в газовых баллонах, поскольку это давление превышает их критическое давление.