title-icon
Яндекс.Метрика

Газы и пары

Газообразное состояние вещества отличается от жидкого и твердого весьма малым заполнением пространства молекулами (у благородных газов атомами) вещества. Любой газ может быть переведен в жидкое и твердое состояние. При этом объем жидкости обычно бывает примерно в 500—800 раз меньше объема газа при нормальных условиях. Поскольку у жидкости молекулы заполняют пространство на 70—90%, то это дает представление о доле пространства, заполненной газом, — 0,001—0,002 объема.
Молекулы газа хаотически движутся в пространстве с большими скоростями (для азота, кислорода, окиси углерода 450 м/с при 20° С), беспрестанно сталкиваясь друг с другом. Число столкновений каждой молекулы в 1 см3 воздуха — около 5 миллионов в секунду, а пробег (свободный путь) от столкновения до столкновения всего 1*10в-4 мм, или 0,1 мкм.
Д.И. Менделеевым в 1860 г. было установлено существование такой температуры, при которой (или более высокой) газ не может быть переведен в жидкое состояние. Эту температуру называют критической, а давление и объем, который занимает 1 моль газа при этой температуре, — критическими давлением и объемом. Данные о критических величинах, часто встречающихся в металлургии газов, приведены в табл. 1. Видно, что обычные газы (N, О, Н, CH4) в природных условиях не могут быть превращены в жидкость. Для их сжижения необходим искусственный холод. Напротив, CO2 легко сжижается и может при сибирских морозах даже затвердеть. Легко сжижаются аммиак и сернистый ангидрид. Сжиженные газы, испаряясь, охлаждаются и могут замерзнуть. В этом случае забиваются льдом трубопроводы, краны и прекращается подача газа. Чтобы этого не произошло, испаряющийся, например, хлор надо подогревать.
По данным табл. 1 можно сделать важное разграничение между различными веществами и определить понятия «газ» и «пар».
Газами мы называем вещества, имеющие низкую критическую температуру. Поэтому в нормальных или рабочих условиях они не могут быть превращены в жидкое или твердое состояние.

Таковы первые шесть веществ в табл. 1. Парами называют вещества, которые можно сконденсировать в данных условиях. Например, CO2 и SO2 можно, повышая давление, превратить в жидкость при комнатной температуре. В нормальных условиях — это сухие пары. В условиях металлургических процессов, обычно выше 400° С, — это газы. Различают пар ненасыщенный и насыщенный. Насыщенным называют пар, находящийся в равновесии с жидкостью, из которой он образовался (в системе вместе находятся пар и жидкость). Повышая температуру, мы можем испарить всю жидкость и пар станет ненасыщенным. Понижение температуры приводит к конденсации и снижению давления пара.
Отличительной особенностью насыщенного пара (температура не меняется) является его постоянное давление. Уменьшая пространство, занятое паром (сжимая пар), мы вызовем конденсацию пара, но изменить его давление нам не удастся. Увеличивая паровое пространство, мы вызовем испарение жидкости. Охлаждая ненасыщенный пар, мы можем достичь температуры, при которой начнется конденсация. Эта температура называется точкой росы. В точке росы пар становится насыщенным.
Знать точку росы иногда очень нужно. При появлении жидкости (чаще всего в металлургии это вода) в запыленных газах в аппаратах и газоходах образуется грязь, которая забивает их. Налипание грязи на лопатках вентиляторов может привести к их аварийной поломке.
До сих пор мы говорили об испарении жидкости. Этот процесс происходит на ее поверхности.
Кипением жидкости называется испарение ее во всем объеме. Жидкость кипит, когда давление ее насыщенного пара равно внешнему давлению. Температура, при которой жидкость закипает, называется точкой кипения. Обычно точку кипения определяют при атмосферном давлении. Чем ниже внешнее давление, тем ниже точка кипения. При повышении давления точка кипения повышается. При давлении в 10в5 Па вода кипит при 99,7° С. В горах она кипит при 70—80° С (50 кПа — 81° С), при давлении 10° Пa (1 МПа — мегапаскаль) точка кипения воды 178° С.


В металлургии большое значение имеет содержание водяного пара в воздухе. Чем влажнее воздух, тем меньше в нем свободного кислорода. Поскольку воздуходувки и компрессоры подают постоянный объем воздуха, то при подаче влажного воздуха их производительность по свободному кислороду снижается, так как часть объема занята водяным паром. Вследствие этого уменьшается количество сжигаемого топлива и проплав шихты. Кроме того, водяной пар вступает в реакцию с топливом: H2O + C = H2+ CO — 134,4 кДж, температура факела горения снижается примерно на 8° С на каждый грамм воды в 1 м3 дутья. Это сильно влияет на работу печей. В табл. 2 приведены данные о содержании насыщенного водяного пара (г/м3) и о его давлении в зависимости от температуры. Для определения фактического количества влаги в воздухе надо знать еще относительную влажность, которую обычно выражают в процентах от насыщающей.
Зимой, в ясную морозную погоду, воздуходувка подает воздух, содержащий всего 0,13% водяного пара. Летом, в жаркую погоду и после дождя, в воздухе может быть около 6% водяного пара. Учитывая расширение воздуха от нагревания, получим, что по массе подача воздуха летом на 20—25% меньше, чем зимой, а температура факела горения может снизиться, если не принять мер, на 200° С.

title-icon Подобные новости