Слово «газ» часто обозначает вещество, которое при обычных условиях находится в газовой фазе. Но метан в паре и в жидкости состоит из тех же молекул CH4. При сжижении меняются расстояния между молекулами, плотность и другие физические свойства; сами молекулы не превращаются в более тяжёлые углеводороды. Поэтому вопрос «можно ли сделать этот газ жидким?» начинается с названия вещества или состава смеси, температуры и давления.
Эти сведения позволяют понять фазовое состояние, то есть в какой форме находится вещество: газ, жидкость, твёрдое тело или их сочетание. Они ещё не определяют допустимый способ хранения. Сжатый газ, криогенная жидкость и сжиженный газ под давлением предъявляют разные требования к оборудованию. Для ацетилена к фазовому равновесию добавляется особенно существенное ограничение: химическая неустойчивость самого вещества. [G4]
Сначала я уточняю, какое давление указано
На фазовых диаграммах и в таблице ниже используется абсолютное давление, отсчитанное от вакуума. Избыточное давление отсчитывают от окружающего атмосферного: Pабс = Pизб + Pатм. Поэтому показание манометра нельзя подставлять в таблицу абсолютных давлений без проверки его шкалы и местного атмосферного давления. Обозначения bar(a) и bar(g) различают эти два отсчёта. Единицы связаны точно: 1 бар = 100 кПа = 0,1 МПа.
У вещества есть характеристическое критическое давление, у равновесных пара и жидкости есть давление насыщения при данной температуре, а у сосуда есть допустимые параметры эксплуатации. Это три разных понятия. Значение из справочника свойств вещества не является паспортом сосуда.
Почему одного условия «ниже критической температуры» мало
Я начну с чистого вещества, состоящего из одного химического компонента. Его фазовую диаграмму удобно представить как карту: по горизонтали температура, по вертикали давление. Внутри каждой области устойчива определённая фаза. На границе две фазы могут находиться в равновесии, то есть сосуществовать без изменения их количеств при неизменных внешних условиях. [G5] [G7]
T — температура; P — абсолютное давление.
A — тройная точка: сосуществуют твёрдая, жидкая и паровая фазы. B — критическая точка, где заканчивается граница жидкость–пар.
1 — твёрдая фаза; 2 — жидкость; 3 — пар/газ.
Пунктирные Tc и Pc — координатные проекции, не фазовые границы.
Критическая температура Tc и критическое давление Pc задают точку окончания границы жидкость–пар. При приближении к ней свойства сосуществующих фаз сближаются. Выше Tc одно сжатие в области флюида уже не вызывает обычного разделения на жидкость и пар с границей между ними: плотность может сильно увеличиться, но переход идёт непрерывно. Словом «флюид» здесь обозначается текучая среда, для которой различение газа и жидкости в этой области теряет прежний смысл. Сверхкритическим называют состояние одновременно выше Tc и Pc; не всякий газ теплее Tc сверхкритический. [G7]
Нижнюю часть карты нельзя отбрасывать. В тройной точке сосуществуют твёрдая, жидкая и паровая фазы. При дальнейшем охлаждении устойчивым состоянием может стать твёрдое вещество; при достаточно низком давлении граница проходит прямо между твёрдой фазой и паром. Переход твёрдого вещества в пар называется сублимацией. Поэтому T < Tc само по себе не обещает жидкость. Необходима именно область её устойчивости, ограниченная также линией плавления и другими фазовыми границами. И сжатие при низкой температуре не обязано вести к жидкости. [G7]
В температурном диапазоне, где жидкость устойчива и твёрдая фаза не конкурирует с ней, граница жидкость–пар задаёт давление насыщения Psat(T). Для чистого вещества в равновесии оно определяется температурой. На этой границе могут одновременно находиться жидкость и её пар. По разные стороны границы устойчивы разные фазы; это объясняет, почему изменение давления или температуры способно вызвать конденсацию. Psat при выбранной температуре не следует заменять критическим Pc. [G5]
Фазовая карта описывает состояния, а не затраты на переход между ними. Сжатие может нагревать газ; при конденсации требуется отвести выделяющееся тепло. Поэтому фраза «давления достаточно» не описывает всю работу установки. Тепловая сторона и отличие частичной конденсации от полной разобраны в карточке «Конденсатор и дефлегматор».
Метан и три разных вещества с двумя атомами углерода
Короткое сравнение показывает, почему число атомов углерода не заменяет название вещества. Ниже приведены критические свойства выбранных чистых соединений. Температуры округлены до 0,1 °C; давления абсолютные и относятся к указанным в источниках версиям справочных данных. Это справочные характеристики, а не условия сжижения или настройки оборудования.
| Вещество | Формула | Tc, °C | Pc, МПа(абс.) | Источник |
|---|---|---|---|---|
| Метан | CH4 | −82,6 | 4,5992 | [G1] |
| Этан | C2H6 | +32,2 | 4,8718 | [G2] |
| Этилен (этен) | C2H4 | +9,2 | 5,0401 | [G3] |
| Ацетилен (этин) | C2H2 | +35,2 | 6,19 | [G4] |
При +20 °C метан и этилен находятся выше своих критических температур. Обычную жидкость одним сжатием при сохранении этой температуры из них не получить. Для этана +20 °C ниже Tc, поэтому физическое препятствие критической температуры отсутствует; дальнейший вывод требует фазовых свойств и подходящего давления. Это объяснение различий веществ, а не рекомендация хранить этан в определённом сосуде.
Ацетилен тоже имеет Tc выше +20 °C, однако переносить на него образ пропанового баллона опасно. В таблице EIGA тройная точка ацетилена указана при −80,6 °C и 1,282 бар(абс.); при 1,013 бар он сублимирует около −83,8 °C. Последнее число нельзя называть обычной температурой кипения жидкости при атмосферном давлении. Для промышленной баллонной поставки ацетилена применяют специальную систему: пористую массу и растворитель, в котором находится ацетилен. Такая форма связана с его способностью к опасному разложению. Фазовые числа сами по себе не разрешают сжижение или применение произвольного баллона. [G4]
У смеси нет одной температуры без состава и давления
Сжиженные углеводородные газы, сокращённо СУГ, на практике часто представляют собой пропан-бутановые продукты. Название продукта не задаёт единственной пропорции компонентов. Кроме того, «бутаны» могут включать разные изомеры: молекулы одинаковой общей формулы, но разного строения и с разными свойствами. Для расчёта нужны названия компонентов, их доли и основание этих долей: массовое или молярное. Различие вещества, фракции и готового продукта подробнее раскрывает карточка «Нефтяные фракции и товарные топлива».
При заданном давлении температура начала кипения, bubble point, соответствует появлению первого равновесного пузырька пара из жидкости известного состава. Температура начала конденсации, dew point, соответствует появлению первой равновесной капли жидкости из пара известного состава. Для многих смесей эти температуры различаются: переход между полностью жидким и полностью газовым состоянием занимает интервал. Возникающая фаза обычно имеет иной состав, чем исходная. Исключения, например азеотропные смеси, не делают произвольную углеводородную смесь чистым веществом. [G5]
Поэтому диаграмму чистого пропана нельзя считать диаграммой неизвестного газа, а среднее арифметическое температур кипения компонентов не заменяет расчёт равновесия. В смеси есть целая область совместного существования газа и жидкости; её вид зависит от состава. При отделении части пара или жидкости состав оставшегося потока может измениться. Более подробный переход от этого принципа к фазовому балансу и особенности природного газа приведены в карточке «Однократное испарение и фазовое разделение».
Давление и компактность запаса отвечают на разные вопросы
Для чистого вещества при неизменной температуре, пока в равновесии сохраняются и жидкость, и её пар, давление близко к Psat(T), хотя соотношение количеств фаз может быть разным. Поэтому одно показание манометра не сообщает массу жидкого остатка. После исчезновения одной из фаз это объяснение уже неприменимо. Примеси, дополнительная газовая подушка, температурная неоднородность и неустановившийся режим также требуют отдельного рассмотрения; у смеси добавляется зависимость от составов фаз. [G5]
Компактность я сопоставляю через плотность ρ, то есть массу единицы объёма. Для массы m объём V = m/ρ. Плотность обязательно относится к определённым температуре, давлению, составу и фазе. Слова «кубометр газа» без этих условий недостаточны для сопоставления запасов; полезное продолжение этой мысли есть в карточке «Газгольдер: запас газа между производством и потребителем».
Например, таблица расчётных свойств чистого метана по уравнению состояния Setzmann–Wagner даёт при одном абсолютном давлении 0,100 МПа, или 1,000 бар: для жидкости при 110 K (−163,15 °C) плотность 424,79 кг/м³, а для газа при 300 K (+26,85 °C) — 0,64425 кг/м³. Разница наглядна, но температуры здесь разные. Это сравнение двух определённых состояний чистого метана, а не универсальный коэффициент сжатия газа и не вместимость реального резервуара. У теплоизоляции, свободного объёма и оборудования есть собственные требования. [G1]
Что эта физика позволяет понять на малом производстве
Для газа из вторичной переработки полезный первый вопрос состоит не в том, «как сильнее сжать», а в том, что именно находится в потоке и в каких условиях оценивались его свойства. Присутствие углеводородов ещё не удостоверяет состав товарного СУГ. Конденсация одной части смеси не подтверждает качество ни полученной жидкости, ни оставшегося газа. Нужны данные о составе, примесях и требуемом продукте; без них нельзя перенести справочные свойства чистого вещества на реальный запас или обещать пригодность топлива.
Малая производительность не отменяет затрат на отвод тепла, подходящее оборудование, контроль состава и безопасное обращение с запасённой энергией. Эта карта помогает различать задачи и читать паспортные данные, но не заменяет проект хранения и проверку применимых требований. В частности, нельзя самостоятельно нагревать баллон ради повышения давления или восстановления подачи: PERC прямо предупреждает против внешнего нагрева баллонов и резервуаров. [G6]
Связанный аппарат или механизм: Разделение пирогаза: две ступени конденсации и связанные колонны.
Применение фазовой карты: граница насыщения при выборе условий конденсации.
Связанное измерение: количество накопленного газа по давлению, объёму и температуре.
Источники и материалы
Редакция R4 от 03.11.2026: независимая полная локальная проверка текста, всех источниковых записей и их границ подтверждения, истории, таблиц, подписей и alt завершена. Лично просмотрены точный восстановленный предупреждающий PNG и новый диагностический рендер неизменённой функциональной SVG. Научный текст, числа, таблицы, подписи, связи и изображения сохранены. Статус READY_SCOPED относится к этой локальной редакционной проверке. Сообщения ниже об отсутствии PNG и прежних проверках относятся к истории, не к текущему состоянию. Нового чтения внешних первоисточников и их изображений нет. Браузерная проверка широкого и узкого экранов и приёмка темы не выполнены: запуск заблокирован средой. Новое прямое одобрение автора, импорт и публикация не заявляются.
Источники и границы подтверждения
- [G1] Setzmann U., Wagner W. A New Equation of State and Tables of Thermodynamic Properties for Methane Covering the Range from the Melting Line to 625 K at Pressures up to 1000 MPa. Journal of Physical and Chemical Reference Data, 1991, 20, 1061–1155. Табл. 26, печатная с. 1086: критические параметры выбранного уравнения состояния; табл. 40, печатные с. 1123–1124: плотности при 0,100 МПа. Табличные значения являются результатом уравнения состояния, а не измерениями нашей установки.
- [G2] Friend D. G., Ingham H., Ely J. F. Thermophysical Properties of Ethane. Journal of Physical and Chemical Reference Data, 1991, 20, 275–347. Табл. 1, печатная с. 280: критические параметры; для температуры учтено указанное авторами значение 305,32 K по ITS-90.
- [G3] Jahangiri M., Jacobsen R. T., Stewart R. B., McCarty R. D. Thermodynamic Properties of Ethylene from the Freezing Line to 450 K at Pressures to 260 MPa. Journal of Physical and Chemical Reference Data, 1986, 15, 593–734. Печатная с. 596, Fixed Points for Ethylene: критические параметры выбранного уравнения состояния, 282,3452 K и 5,0401 МПа.
- [G4] European Industrial Gases Association. Code of Practice: Acetylene, Doc 123/22, 2022. Табл. 1 и разделы о свойствах ацетилена и растворённом ацетилене в баллонах. Использованы фазовые свойства и объяснение специальной формы хранения. Документ отраслевой ассоциации не выдается за универсальный закон; эксплуатационные процедуры сюда не перенесены.
- [G5] NIST. REFPROP Documentation, разделы Intro to Pure Fluids and 2-Phase States и Intro to Mixtures and 2-Phase States. Дополнительно: User’s Guide, version 8.0, 2007, §§5.1, 5.4. Насыщение чистого вещества, различие bubble/dew и составов фаз для смесей. Численный расчёт состава конкретного СУГ в этой карточке не выполнен.
- [G6] Propane Education & Research Council. Safety Guide for Propane Users, раздел о холодной погоде. Использовано предупреждение против внешнего нагрева баллонов и резервуаров; способы монтажа и эксплуатации не воспроизводятся.
- [G7] OpenStax / Rice University. Chemistry: Atoms First 2e, 2019, §10.4 Phase Diagrams: начало раздела, рис. 10.30–10.31 и подраздел Supercritical Fluids. Объяснение устойчивых фаз, тройной точки и границ фазовой диаграммы; основа собственной качественной схемы.