Номенклатура и транспортные особенности грузов, находящихся в двухфазном состоянии

Обычно, говоря о сжиженных газах, мы имеем в виду вещества, которые при нормальном атмосферном давлении и температуре окружающей среды находятся в газообразном состоянии. Наиболее важной характеристикой сжиженных газов, которая часто используется в процессе их переработки и транспортировки, является давление насыщенных паров, характеризующее равновесное состояние жидкостной и газовой фаз груза при заданной температуре.

ИМО с целью классификации грузов, перевозимых на танкерах, определяет понятие сжиженный газ следующим образом: жидкость, абсолютное давление насыщенных паров которой при t°= 37,8°C составляет не менее 2,8 кг/см2. Дополнительной характеристикой сжиженных газов является температура насыщения паров при атмосферном давлении, или температура кипения. Температура кипения при атмосферном давлении определяет возможные условия транспортировки груза.

Ряд химических грузов, не являющихся сжиженными газами (этиленоксид), также включен в Газовый Кодекс по своим свойствам.

Сжиженные газы, перевозимые морем, можно разделить на шесть основных групп:

LPG — Liquefied Petroleum Gases (сжиженные нефтяные газы),

NGL — Natural Gas Liquids (природный газовый конденсат),

LEG — Liquefied Ethylene Gas (сжиженный этилен),

LNG — Liquefied Natural Gas (сжиженный природный газ),

NH 3 — Ammonia (аммиак), Cl 2   — Chlorine (хлор).

В основе деления грузов на такие группы лежат различные характеристики газов, а также их температура кипения при атмосферном давлении, химическая совместимость с другими газами и материалами конструкций судна, токсичность, взрывоопасность и другие свойства.

Значения абсолютного давления паров и температуры кипения для некоторых газов приведены ниже:

 

Название газа	Давление насыщения паров при + 37,8°С (100 F)	Температура кипения aтмосферном давлении, °С	при
Метан	Газ (t критическая -82° С)	-161
Пропан	12,9	-43
Бутан	3.6	-0,5
Аммиак	14,7	-33
Винилхлорид	5,7	-14
Бутадиен	4,0	-5
Этиленоксид	2,7	10,7

 

Сжиженные нефтяные газы (LPG). Газы, сопутствующие нефти и добываемые вместе с ней из газонефтяных месторождений. Эти газы либо полностью растворены в нефти, где образуют нефтегазовый пласт, либо растворены частично (более тяжелые углеводороды), а часть газов собирается над нефтью, образуя газовую «шапку». LPG производят в результате крекинг-процесса из природного газа или из сырой нефти путем дистилляции на нефтеперерабатывающих заводах. Примерно 1—3% сырой нефти составляют нефтяные газы.

Термин «сжиженные нефтяные газы» используют в нефтяной индустрии для обозначения целой группы углеводородов или их смесей, большей частью состоящих из пропана и бутана. Однако такое определение недостаточно точное, поскольку каждый из различных типов углеводородов может стать жидкостью при ряде условий. По общепринятым меркам к числу сжиженных нефтяных газов относят обычно следующие: пропан, пропилен, нормальный бутан, изобутан, бутилен.

Все эти газы имеют температуру кипения при атмосферном давлении от 0 до —50°С. Нефтяные газы используют в основном как сырье для химической промышленности, а также в качестве топлива.

Природный газовый конденсат (NGL), или, как его еще называют, мокрый газ, обычно находится в растворенном состоянии в сырой нефти. При ее очистке и стабилизации происходит его отделение. Газовый конденсат представляет собой смесь этана, пропана, бутана и тяжелых углеводородов, причем состав газа может меняться в зависимости от вида нефтяного месторождения. В основном природный конденсат используют для производства этилена.

Сжиженный этилен (LEG). В природе в свободном состоянии практически не встречается, однако в химической и нефтяной промышленности его получают как побочный продукт производства при переработке натурального газового конденсата, сырой нефти или нефтяных газов. Температура кипения этилена при атмосферном давлении — 104°С, поэтому часто его называют еще «холодным газом».

Основное применение этилен находит в химической промышленности при производстве множества продуктов, таких как пластик, полиэтилен, полиэтиленовая пена, стирол, пищевые красители, используют его также при сварке и резке металла.

Сжиженный природный газ (LNG), т. е. газ, добываемый из чисто газовых месторождений; природный газ представляет собой сухой газ без тяжелых углеводородов и представляет собой смесь различных газов, которые находятся в земле в виде месторождений, так же, как и нефть. В основном природный газ состоит из метана (95—98%), содержит и небольшие примеси неорганических газов: азот, углекислый газ, окислы серы, пары воды. Температура кипения метана при атмосферном давлении около —164° С.

Промышленное применение метан нашел в качестве топлива взамен угля или нефти, а также при производстве минеральных удобрений и аммиака.

Аммиак (NH 3) не встречается в природе в свободном виде, его производят сжиганием нефти и газа, а также при каталитических процессах при обработке природного газа. Температура кипения аммиака при атмосферном давлении составляет —33°С. Свое основное применение аммиак находит при производстве минеральных удобрений, пластмасс, красителей, взрывчатки и различных чистящих жидкостей.

Хлор (Cl 2) в свободном виде в природе не встречается, однако он может быть довольно легко получен искусственным путем, например при электролизе раствора обычной поваренной соли. Температура кипения хлора при атмосферном давлении —34°С.

Промышленное применение хлор нашел в химической индустрии и в целлюлозобумажной промышленности как отбеливатель.

В дополнение к вышеперечисленным газам существует множество различных химических веществ, которые в силу своих свойств также перевозятся на судах-газовозах.

По транспортным характеристикам сжиженные газы (СГ) резко отличаются от других, в том числе и наливных грузов. Сжиженные газы являются насыщенными (кипящими) жидкостями и в процессе транспортировки находятся в двухфазном состоянии

(жидкость - газ). Давление паров внутри емкости зависит от температуры жидкой фазы. Плотность СГ с изменением температуры меняется больше, чем у других жидких грузов. Сжиженный газ легко переходит в газообразное состояние, забирая необходимую для этого теплоту парообразования из окружающей среды. Переход вещества в газообразное или жидкое состояние зависит от давления, температуры и объема газа. Благодаря сравнительной простоте фазового перехода сжиженные газы обладают преимуществами жидкости при транспортировке и хранении и преимуществами газа - при потреблении. Давление внутри емкости со сжиженным газом остается постоянным независимо от количества жидкости в сосуде при условии постоянства температуры жидкой фазы. При интенсивном отборе паров сжиженного газа из емкости температура жидкости снижается, падает давление в емкости.

Некоторые физические свойства газов могут создавать опасности при их транспортировке.

Воздействие низких температур (Brittle fracture). Многие металлы и материалы под воздействием низких температур могут изменять свои свойства. При температуре ниже 0°С механические характеристики корабельной стали ухудшаются. У обычной корабельной стали при температурах ниже —10°С меняется структура металла, ослабляются связи между атомами в кристаллической решетке, в результате чего металл теряет пластичность, прочность и в результате растрескивается даже без явного внешнего механического воздействия.

Добавка к стали никеля или использование специальных алюминиевых сплавов в конструкциях грузовых танков и трубопроводов позволяет обрабатывать грузы с очень низкими температурами кипения (-164° С для метана).

Всплескивание груза (Sloshing). Поскольку сжиженный газ обладает всеми свойствами жидкости, то при его транспортировке должное внимание необходимо уделять воздействию свободной поверхности жидкости на остойчивость судна. Более того, при неполном заполнении танка грузом и значительной свободной поверхности жидкости в танке гидродинамические удары, возникающие в танке, могут привести к разрушению как устройств и механизмов внутри танка, так и самого танка. Именно для уменьшения гидродинамических ударов и воздействия свободной поверхности жидкости грузовые танки больших газовозов имеют продольную переборку или же сужающуюся верхнюю часть. Всплескивание груза может привести также к образованию внутри груза пузырьков воздуха, которые увеличивают электростатический заряд в танке.

Переворачивание груза (Rollover). Переворачивание груза — это процесс быстрого самопроизвольного перемешивания сжиженного газа в танке, который происходит в результате температурного расслоения груза и образовавшейся разницы плотности слоев.

Практически все жидкие углеводороды подвержены переворачиванию в той или иной степени. Однако наиболее ярко оно проявляется у криогенных жидкостей. Самым опасным грузом в этом смысле является природный газ (LNG). Его способность к спонтанному перемешиванию зависит от фракционного состава, температуры и давления, при которых происходит его обработка и хранение.

Если при хранении сжиженного газа в береговых емкостях или в грузовых танках газовоза происходит отбор выпара компрессорными установками, то за счет испарения понижается температура поверхностного слоя жидкости, в результате чего слегка повышается его плотность. Таким образом, слой жидкости вблизи поверхности танка становится несколько тяжелее, чем жидкость на нижних уровнях танка. Как только расслоение по плотности достигнет критической величины (обычно разность температур должна составить 5—7° С), поверхностный слой груза моментально как бы проваливается в глубь танка. Такое спонтанное перемешивание представляет значительную опасность для больших судов с мембранными или полумембранными танками, поскольку при перемешивании теплый груз оказывается у поверхности, усиливается его парообразование, значительно и резко повышается давление в танке. В лучшем случае это приведет к срабатыванию предохранительных клапанов, а в худшем — к разрушению танка.

Для возникновения перемешивания не требуется никаких внешних воздействий — вибрации или подачи дополнительного груза в танк, достаточно лишь небольшого изменения температуры внутри груза, и под действием силы тяжести произойдет быстрое перемешивание содержимого танка.

Для того чтобы избежать переворачивания, необходимо регулярно перемешивать груз с помощью грузовых насосов.

Статическое электричество. Существует три этапа, последовательно приводящих к возникновению опасности воспламенения горючих смесей при воздействии статического электричества, а именно: разделение заряда, накопление заряда, разряд статического электричества.

При электризации тел заряды не создаются, а только разделяются: часть отрицательных зарядов переходит с одного тела на другое. Всякий раз, когда в контакт входят два неоднородных материала, на поверхности, разделяющей эти материалы, происходит разделение заряда. Эта поверхность может разделять два твердых тела, твердое тело и жидкость или две несмешивающиеся жидкости.

Интенсивное разделение зарядов происходит в результате таких действий, как:

• прохождение потока жидкости через трубы или мелкоячеистые фильтры,

• осаждение частиц твердого тела или несмешивающейся жидкости через другую жидкость,

• выброс мелких капель или частиц из сопла,

• всплескивание или взбалтывание жидкости при ее соприкосновении с твердой поверхностью,

• сильное трение друг о друга некоторых материалов.

Когда заряды разъединяются, между ними образуется большая разность потенциалов. При этом в окружающем пространстве также происходит распределение разности потенциалов, иначе говоря, формируется электрическое поле.

Ранее разделенные заряды стремятся вновь соединиться между собой и нейтрализовать друг друга. Этот процесс известен как релаксация заряда. Если один из материалов или оба эти материала, несущие электростатический заряд, обладают низкой токопроводностью, то повторное соединение зарядов затруднено и данный материал аккумулирует (накапливает) заряд на себе.

Выделяют следующие формы электростатических разрядов.

Корона - ионное излучение голубоватого цвета. Его можно увидеть на острых углах или вантах при некоторых погодных условиях. Это сияние известно под названием «Огни Святого Эльма». Такое излучение не несет в себе достаточно энергии для возникновения пламени.

Северное, или полярное, сияние - это слабые лучи, сформированные из очень маленьких искр, испускаемых заряженными острыми углами или выступами конструкций в направлении заряженных облаков или тумана. Такое свечение может возникнуть в танках супертанкеров, оно также не несет в себе достаточной энергии для возникновения пламени.

Искра возникает только в том случае, если напряженность электрического поля достигает некоторой критической величины. Ионный луч увеличивается с повышением напряженности поля, и конечный результат такого увеличения — возникновение настоящей искры. При большой напряженности поля образуется разряд, более известный как молния. Однако если мы поместим в электрическое поле заземленный проводник, то возникнет искровой разряд, достаточный для воспламенения смеси даже при малых величинах напряженности поля.

 

 

Типы газовозов.

Газы более выгодно перевозить в виде жидкостей, так как вес сжиженного газа примерно в 650 раз больше, чем вес его в состоянии газовой фазы. Но, даже при перевозке газов в жидком состоянии, их относительная плотность будет довольно низка, например, для метана она составит 0,42, а для VCM — 0,97. Температура, при которой газ можно сконденсировать, зависит от давления, под которым находится газ. Поэтому значения и давления, и температуры транспортируемых газов учитывают при проектировании и оборудовании судов для их перевозки. Большинство коммерческих газов имеет плотность, которая составляет примерно половину плотности воды, и грузовместимость будет определяться полезным объемом грузовых танков судна. С учетом температурных характеристик груза, давления, при котором он перевозится, низкой плотности перевозимых грузов, конструктивно газовозы представляют собой суда с высоким надводным бортом и сравнительно небольшой осадкой. Такие особенности конструкции газовозов совместно с воздействием свободной поверхности жидкого груза требуют повышенного внимания к остойчивости судов данного типа.

Все газовозы можно разделить на три основные группы (рис.) в зависимости от давления и температуры грузов, которые судовые системы могут поддерживать в грузовых танках при их перевозке:

• напорного типа (без охлаждения груза);

• полунапорного типа (с частичным охлаждением груза);

• рефрижераторного типа (с полным охлаждением груза, когда давление насыщенных паров близко к атмосферному).

Кроме того, газовозы можно дополнительно разделить на группы в зависимости от вида перевозимых грузов:

1. LPG (LPG/ NH3). Груз перевозится под атмосферным давлением/под частичным давлением паров/под полным давлением паров.

2. LEG (LEG/LPG/NH3). Под атмосферным давлением/под частичным давлением паров.

3. LNG (LNG/LEG/LPG). Под давлением паров, равным атмосферному. 4. Хлоровозы. Под полным давлением паров.

4. Комбинированные суда газовозы/химовозы. (LEG/LPG/NH3/Chemicals). Под частичным давлением паров.

 

 

Суда 1-й и 2-й групп обычно объединяют в одну, поскольку конструктивно они похожи, и разница между ними - в материале, используемом для изготовления танков, изоляции танков и в системе охлаждения груза. Суда 3-й группы обычно используют только для перевозки природного газа. Суда для перевозки хлора существенно отличаются от всех вышеупомянутых в силу особых свойств хлора, который, не будучи взрывоопасным, в то же время является чрезвычайно опасным.

 

Газовозы напорного типа.

Перевозки сжиженных газов морем начались еще в конце 20-х гг., и первое судно, предназначенное для перевозки сжиженного пропана и бутана, было именно напорного типа (рис.). До начала 60-х гг. суда для перевозки газов под полным давлением паров доминировали на рынке. Однако за последние годы было построено лишь несколько судов такого типа, хотя они все еще продолжают пользоваться спросом, правда, в основном в прибрежном плавании.

 

Вместимость судов для перевозки газов под давлением обычно небольшая — до 2000 м3. Так как газы перевозятся при температуре окружающей среды, отпадает необходимость в установке на таких судах системы охлаждения груза, а также в изоляции танков. Суда, перевозящие газы при полном давлении паров, соответствующем температуре окружающей среды, предназначены для перевозки нефтяных газов, аммиака и некоторых других газов, за исключением этилена и природного газа, которые могут быть сжижены только при низких температурах.

Грузовые танки на подобных судах обычно выдерживают давление 18,5 бар. Танки представляют собой вертикально или горизонтально расположенные цилиндрические баллоны, установленные в корпусе судна, как под главной палубой, так и выше нее, и закрепленные одним или двумя рамными суппортами.

Суда для перевозки газов под давлением строят также со сферическими танками. Они располагаются ниже грузовой палубы и оборудуются так называемыми куполами, которые выступают над грузовой палубой. Все необходимые соединения для погрузки, выгрузки, замеров уровня, температуры и давления груза, отбора проб выведены через купол. Система трубопроводов на судах этого типа весьма простая и состоит обычно из одного погрузочно-разгрузочного трубопровода и газоотводной магистрали. Суда, перевозящие газы под давлением, не нуждаются в грузовых насосах. Выгрузка жидкого груза производится за счет избыточного давления в танке, которое вытесняет груз в береговые емкости. При необходимости для дополнительного повышения давления используют судовой или береговой компрессор.

Преимущества судов напорного типа:

• Поскольку грузы перевозятся при температуре окружающей среды, то при постройке танков используется обычная сталь.

• Нет необходимости устанавливать изоляцию грузовых танков.

• Нет необходимости в установке дорогостоящей системы охлаждения груза.

• Минимальные требования к дополнительному оборудованию для проведения грузовых операций, т.е. при достаточно высоком давлении в танках отпадает надобность в грузовых насосах.

• Не требуется установка вторичного барьера, поскольку грузовые танки изготовлены из достаточно толстой стали, предотвращающей значительную протечку груза в случае аварии.

Недостатки судов напорного типа:

• Ограниченное использование полезного объема корпуса судна, поскольку груз перевозится в цилиндрах или сферических танках.

• Ограниченный размер судов — экономически невыгодно использовать суда такого типа при объеме танков свыше 2000 м3.

• Слишком тяжелые грузовые танки, поскольку их материал и конструкция должны быть достаточно прочными, чтобы выдержать давление 17,5 бар, что приводит к увеличению водоизмещения судна при довольно низкой грузовместимости, т. е. увеличению «мертвого фрахта».

• Возможность использования таких судов только в районах прибрежного плавания.

• Необходимость установки грузовых танков над главной палубой для увеличения полезного объема.

• Довольно низкая грузовместимость по сравнению с судами такой же вместимости полунапорного или рефрижераторного типа.