Gas Tanker Familiarisation – kurs #5 | Saturated Vapour Pressure

Kolejny wpis z tematyki transportu gazów skroplonych. Dzisiaj dowiemy się o ciśnieniu pary nasyconej. Jest ona ściśle powiązana z punktem wrzenia i tym samym parowaniem cieczy oraz ciśnieniem wewnątrz zbiornika. Proces parowania w zbiorniku postępuje, dopóki do cieczy nie powróci tyle cząsteczek, ile z niej wyparowało. W tym momencie mówi się, że para jest nasycona, a ciśnienie tej pary (zwykle wyrażane w mmHg) nazywa się ciśnieniem pary nasyconej czyli Saturated Vapour Pressure.

Jeżeli nie czytałeś poprzedniego artykułu to zapraszam gorąco poprzez ten link lub za pomocą spisu treści powyżej.

Saturated vapour pressure – ciśnienie pary nasyconej

Definicja IMO mówi, że skroplony gaz został zdefiniowany pod względem ciśnienia par jako substancja, której ciśnienie pary w temperaturze 37,8C jest równe lub większe niż 2,8 bar (bezwzględne).

Para w przestrzeni nad cieczą nie jest nieruchoma (statyczna), ponieważ cząsteczki cieczy na jej powierzchni oraz w jej pobliżu stale starają się przejść z jednego stanu do drugiego (ciecz >> para >> ciecz). Mówi się, że przestrzeń nad cieczą jest nienasycona (w określonej temperaturze), jeśli ta przestrzeń może przyjąć więcej parującej pary z cieczy w tej samej temperaturze. Nasycona para (w jakiejkolwiek temperaturze) to para będąca w równowadze z jej cieczą w tej samej temperaturze. W tym stanie przestrzeń nad cieczą nie może przyjąć dodatkowej pary z cieczy, pomimo ciągłej przemiany cząsteczek pomiędzy parą a cieczą. Ciśnienie wywierane przez parę nasyconą w określonej temperaturze nazywane jest ciśnieniem pary nasyconej.

Istnieją różne metody pomiaru ciśnienia pary nasyconej.

Barometr składa się z:

• rurki wypełnionej rtęcią;
• przestrzeń nad rtęcią jest wypełniona próżnią

Chociaż nie jest to doskonałe rozwiązanie z uwagi na obecność oparów rtęci w przestrzeni zamkniętej to jednak jest proste w wykonaniu. Wysokość słupa rtęci jest miarą ciśnienia atmosfery.

Niewielką ilość badanej cieczy wprowadza się do barometru rtęciowego, gdzie owa ciecz natychmiast paruje, a para wywiera ciśnienie na ścianki barometru. To ciśnienie pary wypycha rtęć w rurce barometru na nowy poziom. Ciśnienie pary nasyconej jest równie różnicy ciśnienia atmosferycznego oraz aktualnego (wypartego przez parującą ciecz) i jest wyrażona w milimetrach słupa rtęci (mmHg). Jeżeli zaczniemy podgrzewać rtęć, wówczas poziom rtęci zacznie spadać, a to będzie wskazywać, że ciśnienie pary nasyconej wzrosło pod względem rosnącej temperatury. W ten sposób można bardzo łatwo określić ciśnienie pary nasyconej dla badanej cieczy w różnych temperaturach.

Ten eksperyment jest o wiele łatwiejszy do omówienia niż do zrobienia, biorąc pod uwagę problemy bezpieczeństwa związane z obchodzeniem się z rtęcią ze względu na jej trujące opary. Będzie to szczególnie duży problem, jeśli chcesz znaleźć ciśnienie pary nasyconej cieczy w wyższej temperaturze. Musiałbyś użyć bardziej złożonego urządzenia. Ale to nie jest problem, o który musisz się martwić na statku. 🙂

Pamiętajmy natomiast, że parowanie jest zjawiskiem powierzchniowym i to właśnie na powierzchni cząsteczki parują szybciej niż powracają do stanu cieczy, a wrzenie następuje już w samej cieczy (gdy ciśnienie pary jest równe ciśnieniu cieczy).

Regulując ciśnienie pary, jest możliwe rozpocząć proces wrzenia cieczy w różnych temperaturach. Zmniejszenie ciśnienia nad cieczą obniża punkt wrzenia i odwrotnie zwiększając ciśnienie podnosi się temperaturę wrzenia. Proces ten możemy zaobserwować na poniższym rysunku:

Krzywa oznaczona P ilustruje zmiany ciśnienia pary nasyconej (SVP) w zależności od temperatury propanu. Należy zauważyć, że wzrost temperatury cieczy powoduje nieliniowy wzrost temperatury pary. Na rysunku pokazano również zmiany wartości gęstości propanu (φ’) i gęstości pary nasyconej (φ”) pod względem zmian temperatury.

Różne gazy (skroplone) wywierają różne ciśnienie, co widać poniższych rysunkach. Oś pionowa przedstawia ciśnienie pary nasyconej w skali logarytmicznej, która zmienia kształt krzywych (z rysunku powyżej o propanie – krzywa P). Zauważyć można, że w przypadku gazów węglowodorowych (hydrocarbon), mniejsze cząsteczki wywierają większe ciśnienie pary niż te większe molekuły.

Dla gazów chemicznych zauważamy natomiast, że wywierają one znacznie niższe ciśnienie niż cząsteczki węglowodorów.

Punkt przecięcia tych krzywych z osią poziomą wskazuje punkt wrzenia cieczy w atmosferze [1 bar] (czyli jak wcześniej wspomniałem w temperaturze, w której ciśnienie pary nasyconej jest równe ciśnieniu atmosferycznemu) i to jest temperatura przy której te ładunki powinny być transportowane jako całkowicie schłodzone (fully refrigerated).

Dla przykładu Propan to -41C dla SVP równego 1 bar.

Gazy węglowodorowe

Gazy chemiczne

Jednostka bar jest obecnie najczęściej używaną jednostką pomiarową w gazownictwie jako wartość ciśnienia, ale też istnieją inne jednostki które często można spotkać w tabelach, takie jak kgf/cm2, jednostka atmosfery lub milimetrów słupa rtęci.

Istnieją Współczynniki przeliczeniowe dla tych jednostek ciśnienia, ale o nich opowiem w kolejnym wpisie. Wszystkie manometry używane do pomiaru ciśnienia, mierzą je za pomocą różnicy ciśnień. A więc ciśnienie względne jest zatem różnicą między ciśnieniem, do którego podłączony jest manometr (zbiornik), a ciśnieniem otaczającym manometr (atmosfera).

Wartość bezwzględna mierzonego ciśnienia jest uzyskiwana poprzez dodanie ciśnienia zewnętrznego do ciśnienia manometrycznego (czyli + 1 bar). Ciśnienie pary, choć najczęściej określane za pomocą manometru, są jednak podstawową charakterystyką cieczy podawaną na wykresach i zasadniczo są to ciśnienia absolutne.

Projektując zbiornik pod względem ciśnienia roboczego oraz ustawienia zaworów bezpieczeństwa (Relief Valve – zawór nadmiarowy) bierze się rónież pod uwagę, że wskazania manometru pokazują również różnice między ciśnieniem wewnętrznym (w zbiorniku) i zewnętrznym (atmosfera), a zatem są to ciśnienia manometryczne i bardzo często w różnych publikacjach zaznacza się je jako barg czyli jednostka ciśnienia manometrycznego.