Kokia yra pagrindinė dujų sąvoka ir kokią įtaką ji turi pramoninėms reikmėms?

Dėl klaidingų įsitikinimų apie dujas pramonė kasmet patiria milijardinius nuostolius. Inžinieriai dažnai dujas traktuoja kaip skysčius ar kietąsias medžiagas, todėl kyla katastrofiški sistemų gedimai ir pavojus saugai. Suprasdami pagrindines dujų sąvokas išvengsite brangiai kainuojančių klaidų ir optimizuosite sistemos veikimą.

Dujos - tai medžiagos būsena, kuriai būdingi nuolatinio atsitiktinio judėjimo molekuliai, kurių judėjimas yra nežymus. tarpmolekulinės jėgos¹, visiškai užpildantis bet kurį indą ir pasižymintis suspaudžiamuoju elgesiu, kurį lemia slėgio, tūrio ir temperatūros priklausomybės.

Praėjusiais metais konsultavau vokiečių chemijos inžinierių Klausą Miulerį, kurio reaktoriaus sistema nuolat gedo dėl netikėtų slėgio šuolių. Jo komanda dujų sistemoms taikė skysčiais pagrįstus skaičiavimus. Paaiškinę pagrindines dujų sąvokas ir įdiegę tinkamus dujų elgsenos modelius, pašalinome slėgio svyravimus ir padidinome proceso efektyvumą 42%.

Turinys

• Kas apibrėžia dujas kaip medžiagos būseną?
• Kaip dujų molekulės elgiasi mikroskopiniame lygmenyje?
• Kokios yra pagrindinės dujų savybės?
• Kaip slėgis, tūris ir temperatūra sąveikauja dujose?
• Kokie yra skirtingi dujų tipai pramonėje?
• Kaip dujų dėsniai reguliuoja pramoninių dujų elgesį?
• Išvada
• DUK apie pagrindines dujų sąvokas

Kas apibrėžia dujas kaip medžiagos būseną?

Dujos yra viena iš pagrindinių materijos būsenų, išsiskirianti unikalia molekuline sąranga ir elgsena, kuri jas skiria nuo kietųjų kūnų ir skysčių.

Dujas apibūdina molekulės, kurios nuolat atsitiktinai juda, o tarpmolekulinė trauka yra minimali, todėl jos gali visiškai išsiplėsti ir užpildyti bet kokią talpyklą, išlaikydamos gniuždomąsias savybes ir mažą tankį, palyginti su skysčiais ir kietaisiais kūnais.

Molekulinio išsidėstymo charakteristikos

Dujų molekulės yra labai netvarkingos ir turi didžiausią judėjimo laisvę, todėl pasižymi unikaliomis fizikinėmis ir cheminėmis savybėmis.

Pagrindinės molekulinės savybės:

Suspaudžiamumo savybės

Skirtingai nuo kietųjų kūnų ir skysčių, dujos pasižymi dideliu suspaudžiamumu dėl didelių tarpmolekulinių tarpų, kurie, veikiant slėgiui, gali sumažėti.

Suspaudžiamumo palyginimas:

• Dujos: Labai suspaudžiamas (tūris labai kinta priklausomai nuo slėgio)
• Skysčiai: Šiek tiek suspaudžiamas (minimalus tūrio pokytis)
• Kietosios medžiagos: Beveik nesuspaudžiamas (nežymus tūrio pokytis)

Suspaudžiamumo koeficientas²: Z = PV/(nRT)

• Z ≈ 1 idealioms dujoms
• Z < 1 tikrosioms dujoms esant dideliam slėgiui
• Z > 1 realioms labai aukšto slėgio dujoms

Tankio charakteristikos

Dujų tankis yra gerokai mažesnis nei skysčių ar kietųjų kūnų dėl didelio tarpmolekulinio atstumo ir labai kinta priklausomai nuo slėgio ir temperatūros.

Tankio santykiai:

• Dujų tankis: 0,001-0,01 g/cm³ (standartinėmis sąlygomis)
• Skysčių tankis: 0,5-2,0 g/cm³ (tipinis diapazonas)
• Kietasis tankis: 1-20 g/cm³ (tipinis diapazonas)

Dujų tankio formulė: ρ = PM/(RT)
Kur:

• P = slėgis
• M = molekulinė masė
• R = universalioji dujų konstanta
• T = absoliutinė temperatūra

Plėtimosi ir susitraukimo elgsena

Dujos smarkiai plečiasi ir traukiasi, keičiantis temperatūrai ir slėgiui, pagal nuspėjamas termodinamines priklausomybes.

Plėtros charakteristikos:

• Šiluminis plėtimasis: Ženklus tūrio didėjimas, kylant temperatūrai
• Reakcija į slėgį: Tūris atvirkščiai proporcingas slėgiui
• Neribota plėtra: Užpildys bet kokią laisvą vietą
• Greita pusiausvyra: Greitai pasiekia vienodas sąlygas

Kaip dujų molekulės elgiasi mikroskopiniame lygmenyje?

Dujų molekulės elgiasi pagal kinetinės teorijos principus, kurie paaiškina makroskopines dujų savybes mikroskopiniu molekulių judėjimu ir sąveika.

Dujų molekulėms būdingas atsitiktinis transliacinis judėjimas, kurių greičiai atitinka Maksvelo-Bolcmano pasiskirstymą, ir jos patiria tampriuosius susidūrimus, išlaikydamos vidutinę kinetinę energiją, proporcingą absoliutinei temperatūrai.

Kinetinė teorija³ Pagrindai

Kinetinė molekulių teorija suteikia pagrindą suprasti dujų elgseną remiantis molekulių judėjimo principais.

Pagrindinės kinetinės teorijos prielaidos:

1. Taškinės dalelės: Dujų molekulių tūris yra nereikšmingas
2. Atsitiktinis judėjimas: Molekulės juda tiesiomis linijomis iki susidūrimo
3. Elastiniai susidūrimai: Molekulinių susidūrimų metu energija neprarandama
4. Nėra tarpmolekulinių jėgų: Išskyrus trumpų susidūrimų metu
5. Temperatūros santykis: Vidutinė kinetinė energija ∝ absoliutinė temperatūra

Molekulinio greičio pasiskirstymas

Dujų molekulės pasižymi įvairiais greičiais, atitinkančiais Maksvelo-Bolcmano pasiskirstymą, o daugumos molekulių greitis yra artimas vidutiniam greičiui.

Greičio pasiskirstymo parametrai:

• Labiausiai tikėtinas greitis: vₘₚ = √(2RT/M)
• Vidutinis greitis: v̄ = √(8RT/πM)
• Vidutinis kvadratinis greitis: vᵣₘₛ = √(3RT/M)

Kur:

• R = universalioji dujų konstanta
• T = absoliutinė temperatūra
• M = molekulinė masė

Temperatūros poveikis greičiui:

Susidūrimų dažnis ir vidutinis laisvasis kelias

Dujų molekulės nuolat susiduria tarpusavyje ir su talpyklos sienelėmis, taip nustatydamos slėgį ir transportavimo savybes.

Susidūrimo charakteristikos:

Vidutinis laisvasis kelias: λ = 1/(√2 × n × σ)
Kur:

• n = molekulių tankis
• σ = susidūrimo skerspjūvis

Susidūrimų dažnis: ν = v̄/λ

Tipinės vertės standartinėmis sąlygomis:

• Vidutinis laisvasis kelias: 68 nm (oras STP temperatūroje)
• Susidūrimų dažnis: 7 × 10⁹ susidūrimų per sekundę
• Susidūrimo su sienomis dažnis: 2,7 × 10²³ susidūrimų/cm²-s

Energijos pasiskirstymas tarp molekulių

Dujų molekulių kinetinė energija pasiskirsto priklausomai nuo temperatūros, o aukštesnėje temperatūroje ji pasiskirsto plačiau.

Energijos komponentai:

• Transliacijos energija: ½mv² (judėjimas erdvėje)
• Sukimosi energija: ½Iω² (molekulinis sukimasis)
• Vibracinė energija: Potencialas + kinetinis (molekulinė vibracija)

Vidutinė vertimo energija: Eₜᵣₐₙₛ = (3/2)kT
Kur k = Boltzmanno konstanta

Kokios yra pagrindinės dujų savybės?

Dujos pasižymi unikaliomis savybėmis, kurios jas skiria nuo kitų materijos būsenų ir lemia jų elgesį pramonėje.

Pagrindinės dujų savybės yra slėgis, tūris, temperatūra, tankis, suspaudžiamumas, klampumas ir šiluminis laidumas, kurios tarpusavyje susijusios termodinaminiais ryšiais ir molekulių elgsena.

Slėgio savybės

Dujų slėgis susidaro dėl molekulių susidūrimų su talpyklos sienelėmis, todėl ploto vienetui tenkanti jėga priklauso nuo molekulių tankio ir greičio.

Slėgio charakteristikos:

• Kilmė: Molekuliniai susidūrimai su paviršiais
• Vienetai: Paskalis (Pa), atmosfera (atm), PSI
• Matavimas: Absoliutusis ir manometrinis slėgis
• Variacija: Temperatūros ir tūrio pokyčiai

Slėgio santykiai:

Kinetinė teorija Slėgis: P = (1/3)nmv̄²
Kur:

• n = skaičiaus tankis
• m = molekulinė masė
• v̄² = vidutinis kvadratinis greitis

Tūrio savybės

Dujų tūris - tai molekulių užimama erdvė, įskaitant molekulinį tūrį ir tarpmolekulinę erdvę.

Tūrio charakteristikos:

• Priklauso nuo konteinerio: Dujos visiškai užpildo turimą erdvę
• Suspaudžiamas: Tūris labai kinta priklausomai nuo slėgio
• Jautrus temperatūrai: Didėjant temperatūrai plečiasi
• Molinis tūris: Vieno molio tūris standartinėmis sąlygomis

Standartinės sąlygos:

• STP (standartinė temperatūra ir slėgis): 0 °C, 1 atm
• Molinis tūris esant STP: 22,4 l/mol idealioms dujoms
• SATP (standartinė aplinka): 25 °C, 1 baras

Temperatūros savybės

Temperatūra matuoja vidutinę molekulinę kinetinę energiją ir pagal termodinaminius sąryšius lemia dujų elgseną.

Temperatūros poveikis:

Tankis ir savitasis tūris

Dujų tankis labai kinta priklausomai nuo slėgio ir temperatūros, todėl jis yra labai svarbi savybė pramoniniams skaičiavimams.

Tankio santykiai:

Idealus dujų tankis: ρ = PM/(RT)
Savitasis tūris: v = 1/ρ = RT/(PM)

Tankio pokyčiai:

• Slėgio poveikis: Tankis didėja tiesiškai didėjant slėgiui
• Temperatūros poveikis: Tankis mažėja, kylant temperatūrai
• Molekulinės masės poveikis: Sunkesnių dujų tankis didesnis
• Aukščio poveikis: Tankis mažėja su aukščiu

Klampos savybės

Dujų klampumas lemia pasipriešinimą tekėjimui ir turi įtakos šilumos ir masės perdavimui pramoniniuose procesuose.

Klampos savybės:

• Priklausomybė nuo temperatūros: Didėja su temperatūra (skirtingai nei skysčių)
• Nepriklausomybė nuo slėgio: Minimalus poveikis esant vidutiniam slėgiui
• Molekulinė kilmė: Jėgos momento perdavimas tarp dujų sluoksnių
• Matavimo vienetai: Pa-s, cP (centipoizė)

Klampos ir temperatūros priklausomybė:

Sutherlando formulė: μ = μ₀(T/T₀)^(3/2) × (T₀ + S)/(T + S)
Kur S yra Sutherlando konstanta

Šilumos laidumas

Dujų šiluminis laidumas lemia šilumos perdavimo galimybes ir kinta priklausomai nuo temperatūros ir molekulinių savybių.

Šiluminio laidumo savybės:

• Molekulinis mechanizmas: Energijos perdavimas per molekulinius susidūrimus
• Priklausomybė nuo temperatūros: Paprastai didėja su temperatūra
• Nepriklausomybė nuo slėgio: Pastovus esant vidutiniam slėgiui
• Dujų tipo priklausomybė: Skiriasi priklausomai nuo molekulinės masės ir struktūros

Kaip slėgis, tūris ir temperatūra sąveikauja dujose?

Dujų slėgio, tūrio ir temperatūros sąveika vyksta pagal pagrindinius termodinaminius sąryšius, kurie lemia visų pramonėje naudojamų dujų elgseną.

Dujų slėgis, tūris ir temperatūra yra tarpusavyje susiję per idealiųjų dujų dėsnis⁴ PV = nRT, kai bet kurios savybės pokyčiai turi įtakos kitoms savybėms pagal konkrečius termodinaminius procesus ir apribojimus.

Idealiųjų dujų dėsnio sąsajos

Idealiųjų dujų dėsnis nurodo pagrindinį dujų savybių ryšį ir yra daugelio dujų skaičiavimų pagrindas.

Idealiųjų dujų dėsnio formos:

PV = nRT (molinė forma)
PV = mRT/M (masinė forma)
P = ρRT/M (tankio forma)

Kur:

• P = absoliutinis slėgis
• V = tūris
• n = molių skaičius
• R = universalioji dujų konstanta (8,314 J/mol-K)
• T = absoliutinė temperatūra
• m = masė
• M = molekulinė masė
• ρ = tankis

Nuolatiniai nuosavybės procesai

Dujų elgsena priklauso nuo to, kurios savybės termodinaminių procesų metu išlieka pastovios.

Procesų tipai ir ryšiai:

Kombinuotas dujų įstatymas

Kai masė išlieka pastovi, bet keičiasi kelios savybės, taikomas kombinuotasis dujų dėsnis.

Kombinuotoji dujų dėsnio formulė:

(P₁V₁)/T₁ = (P₂V₂)/T₂

Šie santykiai yra labai svarbūs:

• Dujų saugojimo skaičiavimai
• Vamzdynų projektavimas
• Procesų įrangos dydžio nustatymas
• Saugos sistemos projektavimas

Tikrieji dujų nuokrypiai

Realios dujos tam tikromis sąlygomis nukrypsta nuo idealios elgsenos, todėl reikalingi pataisos koeficientai arba alternatyvios būsenos lygtys.

Nukrypimo sąlygos:

• Aukštas slėgis: Molekulinis tūris tampa reikšmingas
• Žema temperatūra: Svarbios tampa tarpmolekulinės jėgos
• Netoli kritinio taško: Atsiranda fazės pokyčio poveikis
• Poliarinės molekulės: Elektros sąveika turi įtakos elgesiui

Suspaudžiamumo koeficiento korekcija:

PV = ZnRT
Kur Z yra suspaudžiamumo koeficientas, atitinkantis realią dujų elgseną.

Neseniai padėjau prancūzų procesų inžinierei Marie Dubois iš Liono, kurios dujų saugojimo sistemoje netikėtai pakito slėgis. Tinkamai atsižvelgę į realią dujų elgseną, naudodami suspaudžiamumo koeficientus, padidinome slėgio prognozavimo tikslumą 95% ir pašalinome saugumo problemas.

Kokie yra skirtingi dujų tipai pramonėje?

Pramonėje naudojamos įvairių rūšių dujos, kurių kiekviena pasižymi unikaliomis savybėmis ir elgsena, lemiančiomis jų tinkamumą konkretiems procesams ir taikymams.

Pramoninės dujos apima inertines dujas (azotą, argoną), reaktyviąsias dujas (deguonį, vandenilį), kuro dujas (gamtines dujas, propaną) ir specialiąsias dujas (helį, anglies dioksidą), kurių tvarkymui ir saugai reikia specialių reikalavimų.

Inertinės dujos

Inertinės dujos yra atsparios cheminėms reakcijoms, todėl idealiai tinka apsauginei atmosferai ir saugos reikmėms.

Įprastos inertinės dujos:

Inertinių dujų naudojimas:

• Apsauga nuo atmosferos: Apsaugokite nuo oksidacijos ir užteršimo
• Gaisro gesinimas: Išstumti deguonį, kad būtų išvengta degimo
• Procesų uždengimas: Išlaikyti inertinę aplinką
• Kokybės kontrolė: Užkirskite kelią cheminėms reakcijoms sandėliavimo metu

Reaktyviosios dujos

Reaktyviosios dujos dalyvauja cheminiuose procesuose, todėl dėl jų cheminio aktyvumo su jomis reikia elgtis atsargiai.

Pagrindinės reaktyviosios dujos:

• Deguonis (O₂): Palaiko degimo, oksidacijos procesus
• Vandenilis (H₂): Kuro dujos, reduktorius, didelis energijos tankis
• Chloras (Cl₂): Cheminis apdorojimas, vandens valymas
• Amoniakas (NH₃): Trąšų gamyba, šaldymas

Saugos aspektai:

• Degumas: Daugelis reaktyviųjų dujų yra degios arba sprogios
• Toksiškumas: Kai kurios dujos yra kenksmingos arba mirtinos esant nedidelei jų koncentracijai
• Ėsdinantis: Cheminės reakcijos gali sugadinti įrangą
• Reaktyvumas: Netikėtos reakcijos su kitomis medžiagomis

Kuro dujos

Kuro dujos teikia energiją degimo procesų metu šildymo, elektros energijos gamybos ir pramonės procesuose.

Bendrosios kuro dujos:

Specialiosios dujos

Specialiosios dujos naudojamos konkrečiose pramonės srityse, kuriose reikia tikslios sudėties ir grynumo lygių.

Specialios dujų kategorijos:

• Itin didelis grynumas: >99,999% grynumas puslaidininkių gamybai
• Kalibravimo dujos: Tikslūs mišiniai prietaisų kalibravimui
• Medicininės dujos: Farmacijos ir sveikatos priežiūros reikmenys
• Moksliniai tyrimai Dujos: Mokslinės ir laboratorinės programos

Dujų mišiniai

Daugelyje pramonės sričių dujų mišiniai naudojami tam tikroms savybėms ar eksploatacinėms charakteristikoms pasiekti.

Įprasti dujų mišiniai:

• Oro: 78% N₂, 21% O₂, 1% kitų dujų
• Ekranuojančios dujos: Argonas + CO₂ suvirinimui
• Kvėpavimo dujos: Deguonis + azotas nardymui
• Kalibravimo dujos: Tikslūs bandymams skirti mišiniai

Kaip dujų dėsniai reguliuoja pramoninių dujų elgesį?

Dujų dėsniai yra matematinė sistema, leidžianti prognozuoti ir kontroliuoti dujų elgseną pramoninėse sistemose, todėl galima saugiai ir efektyviai projektuoti procesus.

Dujų dėsniai, įskaitant Boilio dėsnį, Čarlio dėsnį, Gėjaus-Lusako dėsnį ir Avogadro dėsnį, sudaro idealiųjų dujų dėsnį, o specializuoti dėsniai, pvz. Daltono dėsnis⁵ ir Grahamo dėsnis reglamentuoja dujų mišinius ir transportavimo savybes.

Boilio dėsnio taikymai

Boilio dėsnis apibūdina atvirkštinę slėgio ir tūrio priklausomybę esant pastoviai temperatūrai ir yra esminis suspaudimo ir plėtimosi procesams.

Boilio dėsnis: P₁V₁ = P₂V₂ (esant pastoviai T)

Pramoniniai taikymai:

• Dujų suspaudimas: Apskaičiuokite suspaudimo laipsnį ir galios poreikius
• Saugojimo sistemos: Nustatyti saugojimo talpą esant skirtingam slėgiui
• Pneumatinės sistemos: Pavaros ir valdymo sistemų projektavimas
• Vakuuminės sistemos: Apskaičiuokite siurbimo poreikius

Suspaudimo darbo apskaičiavimas:

Darbas = P₁V₁ ln(V₁/V₂) (izoterminis procesas)

Čarlzo dėsnio taikymai

Čarlio dėsnis reglamentuoja tūrio ir temperatūros santykius esant pastoviam slėgiui, o tai labai svarbu atliekant šiluminio plėtimosi skaičiavimus.

Čarlzo dėsnis: V₁/T₁ = V₂/T₂ (esant pastoviam P)

Pramoniniai taikymai:

• Šiluminis plėtimasis: Atsižvelkite į tūrio pokyčius, vykstančius dėl temperatūros
• Šilumokaičiai: Apskaičiuokite dujų tūrio pokyčius
• Saugos sistemos: Projektavimas atsižvelgiant į šiluminio plėtimosi poveikį
• Procesų valdymas: Temperatūra pagrįstos tūrio pataisos

Gay-Lussac'o dėsnio taikymas

Gay-Lussac'o dėsnis susieja slėgį ir temperatūrą, esant pastoviam tūriui; šis dėsnis labai svarbus projektuojant slėginius indus ir saugos sistemas.

Gay-Lussac'o dėsnis: P₁/T₁ = P₂/T₂ (esant pastoviai V)

Pramoniniai taikymai:

• Slėginių indų projektavimas: Apskaičiuokite, kaip didėja slėgis priklausomai nuo temperatūros
• Saugos atleidimo sistemos: Dydis apsauginių vožtuvų, atsižvelgiant į šiluminį poveikį
• Dujų saugykla: Atsižvelgti į slėgio kitimą, priklausomai nuo temperatūros
• Procesų sauga: Užkirsti kelią per dideliam slėgiui nuo kaitinimo

Daltono dalinių slėgių dėsnis

Daltono dėsnis reglamentuoja dujų mišinio elgseną ir yra labai svarbus procesams, kuriuose dalyvauja kelios dujų sudedamosios dalys.

Daltono dėsnis: P_total = P₁ + P₂ + P₃ + ... + Pₙ

Dalinio slėgio apskaičiavimas:

Pᵢ = (nᵢ/n_total) × P_total = xᵢ × P_total
Kur xᵢ - i komponento molinė dalis

Paraiškos:

• Dujų atskyrimas: Atskyrimo procesų projektavimas
• Degimo analizė: Apskaičiuokite oro ir degalų santykį
• Aplinkos stebėsena: Analizuokite dujų koncentraciją
• Kokybės kontrolė: Stebėti dujų grynumą

Grahamo efuzijos dėsnis

Grahamo dėsnis apibūdina dujų difuzijos ir išsiskyrimo greitį, pagrįstą molekulinės masės skirtumais.

Grahamo dėsnis: r₁/r₂ = √(M₂/M₁)

Kur r - išsiskyrimo greitis, o M - molekulinė masė

Pramoniniai taikymai:

• Dujų atskyrimas: Membraninių atskyrimo sistemų projektavimas
• Nuotėkio aptikimas: Numatyti dujų išsiskyrimo greitį
• Maišymo procesai: Apskaičiuokite maišymo laiką
• Masės perdavimas: Projektuoti dujų absorbcijos sistemas

Avogadro dėsnio taikymas

Avogadro dėsnis susieja tūrį su dujų kiekiu esant pastoviai temperatūrai ir slėgiui.

Avogadro dėsnis: V₁/n₁ = V₂/n₂ (esant pastoviems T ir P)

Paraiškos:

• Stechiometriniai skaičiavimai: Cheminės reakcijos apimtys
• Dujų apskaita: Srauto greičio matavimai
• Proceso projektavimas: Reaktoriaus dydžio skaičiavimai
• Kokybės kontrolė: Koncentracijos matavimai

Neseniai Milane dirbau su italų chemijos inžinieriumi Giuseppe Romano, kurio dujų maišymo sistemos rezultatai buvo prieštaringi. Taikydami Daltono dėsnį ir tinkamai apskaičiuodami dalinį slėgį, pasiekėme ±0,1% maišymo tikslumą ir pašalinome produkto kokybės problemas.

Išvada

Dujos yra pagrindinė medžiagos būsena, kuriai būdingas molekulinis judėjimas, gniuždymas, slėgio, tūrio ir temperatūros santykiai, kuriuos reguliuoja termodinamikos dėsniai, lemiantys pramoninį dujų naudojimą ir saugos reikalavimus.

DUK apie pagrindines dujų sąvokas