Gas Tanker Familiarisation – kurs #9 | Prawa zachowania ładunku
Prawa zachowania ładunku. Lipcowy wpis otwieram artykułem, który wielu osobom spędza sen z powiek wielu przynajmniej na początku kariery na zbiornikach przewożących różnorakie gazy. Artykuł będzie krótki ale dosyć ważny w przyszłym zrozumieniu procesów zachodzących podczas obsługi ładunków gazowych, a w szczególności podczas planowania kolejnych kroków. Zamysłem każdego artykułu ma być jego prostota i mam nadzieję, że tutaj również mi się to uda. Nie zwlekając dłużej, zapraszam do lektury.
W procesie pracy z ładunkiem rozróżniamy kilka “cykli życia” ładunki i o nich trochę opowiem.
Parowanie
Zmiana cieczy w gaz nazywana jest parowaniem. Może to nastąpić poprzez odparowanie lub wrzenie. Aby rozpocząć proces parowania, potrzebne jest ciepło parowania. Niektóre ciecze odparowują bardzo szybko, np. benzyna i eter. Inne substancje ciekłe parują bardzo powoli, jak np. ropa naftowa. Parowanie to inaczej para ładunku powstająca z powierzchni cieczy i występuje w każdej temperaturze. Wynika to z faktu, że niektóre z cząsteczek powierzchniowych cieczy jest oddawana do środowiska, co jest najsilniejsze w wysokich temperaturach i suchym powietrzu. Temperatura właściwa nazywa się ilością ciepła potrzebną do tego, aby jeden kilogram cieczy o stałej temperaturze przekształcić w kilogram pary o tej samej temperaturze”. Ciepło z parowania jest uwalniane, gdy para ponownie zamienia się w ciecz, czyli skrapla się. Ciepło potrzebne do odparowania jednego kilograma danej cieczy nazywane jest “Ciepłem właściwym parowania”, w skrócie (r). Jednostką dla ciepła właściwego jest J/kg.
Wrzenie
Wrzenie to para wodna powstająca wewnątrz cieczy. Wrzenie zachodzi przy określonej temperaturze, zwanej “punktem wrzenia”. Woda jest podgrzewana w normalnym ciśnieniu atmosferycznym (1 atm). Wzrost temperatury jest odczytywany z termometru umieszczonego na powierzchni cieczy. Gdy temperatura osiągnie 100oC, wówczas wewnątrz ciekłej substancji powstaną pęcherzyki pary wodnej, szczególnie w dolnej części naczynia. Przy ciągłym dostarczaniu ciepła tworzenie bąbelków będzie wzrastać jako strumień w kierunku powierzchni i dalej w górę do powietrza, wówczas woda znajduje się w stanie wrzenia.
Powstawanie bulgoczącej pary można wyjaśnić w następujący sposób: Podczas ogrzewania wzrasta energia kinetyczna cząsteczek wody, w konsekwencji cząsteczki wymagają więcej miejsca. Podczas wrzenia, tak długo, jak woda znajduje się w pojemniku, temperatura będzie wynosić 100oC. Temperatura wrzenia zależy od ciśnienia. Jeśli ciśnienie pary lub ciśnienie atmosferyczne wzrasta powyżej substancji ciekłej, temperatura wrzenia będzie również wzrastać. Jeśli temperatura na powierzchni jest poniżej temperatury wrzenia, wtedy para wodna będzie parować wyłącznie na powierzchni. Ciśnienie z otaczającej cieczy jest całkowitą sumą ciśnienia nad cieczą + ciśnienie statyczne cieczy.
P = Pa + (ρ x g x h )
P = ciśnienie w paskalach (100 000 Pa + 1 bar)
Pa = ciśnienie barometryczne
ρ = gęstość cieczy w kg/m3
g = siła przyspieszenia grawitacyjnego (9,81 m/s2 )
h = słup cieczy w metrach.
Przy niższym ciśnieniu nad cieczą, temperatura wrzenia będzie również niższa. Praktycznym zastosowaniem tej właściwości jest produkcja świeżej wody wody za pomocą generatora świeżej wody.
Kondensacja
Kondensacja jest przeciwieństwem parowania. Jeśli gaz ma zostać zamieniony na ciecz w tej samej temperaturze, musimy usunąć ciepło parowania z gazu. Gaz może ulec skropleniu we wszystkich temperaturach poniżej temperatury krytycznej. Chłodząc gaz zmniejszamy prędkość cząsteczek a więc i prędkość kinetyczną. Zmniejsza się energia wewnętrzna, jak również ilość molekuł cieczy i w ten sposób tworzy się ciecz.
Destylacja
Destylacja to rozdzielanie ciekłej mieszaniny wieloskładnikowej poprzez parowanie (czyli przejście cieczy w parę), a następnie skroplenie jej składników (przejście pary do cieczy). Stosuje się ją w celu wyizolowania lub oczyszczenia jednego lub więcej związków składowych. Proces wykorzystuje różną lotność względną składników mieszaniny. Kiedy mieszanina dwóch cieczy o różnej temperaturze wrzenia jest ogrzewana, najbardziej lotna ciecz wyparuje pierwsza. Przykładem użycia na statku jest wyparownik, który destyluje wodę morską.
Para nasycona, nienasycona lub przegrzana
Wyobraźmy sobie gotującą się wodę, wydzielającą parę z pojemnika, prowadzącą parę do bezpośrednio do cylindra, który wyposażony jest w tłok, manometr i dwa zawory. Para przepływa przez cylinder i przechodzi przez zawory, po czym zawory się zamykają. W cylindrze znajduje się teraz ograniczona i stała objętość pary w cylindrze. Wokół tego cylindra zamontowany jest element grzejny. Para ze zbiornika jest stale przepuszczana przez ten element grzejny, aby zapewnić utrzymanie stałej temperatury. Tłok jest wciskany do wewnątrz, a manometr powinien teraz pokazać wzrost ciśnienia. Ale manometr pokazuje niezmienione ciśnienie, niezależnie od tego jak bardzo zmniejsza się objętość. To, co się dzieje, to fakt, że im bardziej tłok jest wciskany do środka, niektóre części pary są mocniej skraplane zajmując mniejszą objętość. Para z elementu grzejnego usuwa ciepło skraplania, które jest uwalniane podczas procesu kondensacji. Stwierdzić można, że ilość pary, którą można zmieścić w jednostce objętości, pozostaje stała, gdy temperatura pary jest równa punktowi kondensacji przy zadanym ciśnieniu. Przestrzeń nie może wchłonąć więcej pary, jeśli jest nasycona parą wodną i to zjawisko nazywamy “nasyceniem”. Jeśli tłok zostanie wciśnięty na zewnątrz, ciśnienie nadal będzie stałe, a więc wniosek jest taki:
-
- Przy temperaturze równej punktowi kondensacji przy zadanym ciśnieniu, para jest nasycona.
- Para nad wrzącą wodą jest nasycona.
- Para nasycona o zadanej temperaturze ma zadane ciśnienie. Nazywa się to ciśnieniem nasycenia.
- Przy stałej temperaturze para nasycona nie może być sprężana.
Kiedy para nasycona rozpręża się bez dostarczania nowej pary, nazywa się ją parą nienasyconą. Przestrzeń posiada pojemność, aby zgromadzić określoną ilość pary. Para nienasycona zawiera niższe ciśnienie niż para nasycona w tej samej temperaturze. Para nienasycona w cylindrze może zostać nasycona na dwa sposoby. Albo przez popchnięcie tłoka do wewnątrz (sprężanie) albo pozwolić parze nienasyconej na wystarczające schłodzenie. Gdy temperatura zostanie obniżona, ciśnienie nasycenia ulegnie się obniża. Para nienasycona będzie miała, innymi słowy, zbyt wysoką temperaturę, aby mogła być nasycona w temperaturze, którą miała pierwotnie. Dlatego często określa się ją mianem pary przegrzanej.
Jeżeli jeszcze nie czytałeś poniższego wpisu to serdecznie zapraszam
Gas Tanker Familiarisation – kurs #3 | Typy gazowców i charakterystyka
Gazowce możemy podzielić na kilka grup od małych zbiornikowców ciśnieniowych od 500m3 do 6000m3 wykorzystywanych do transportu propanu, butanu i gazów chemicznych w temperaturze otoczenia, do całkowicie chłodzonych tankowców o pojemności ponad 100 000m3 służących do transportu LNG i LPG. Przemieszczanie skroplonych gazów drogami wodnymi jest obecnie przemysłem dojrzałym, obsługiwanym przez flotę wielu tankowców, sieć
Pozdrawiam was wszystkich serdecznie i do usłyszenia w kolejnym wpisie.
