Углеводородные газы транспортируются на судах в сжиженном состоянии, что позволяет уменьшить их объем в 200-600 раз, а близкий к ним по ряду свойств аммиак – почти в 900 раз. По своим свойствам газы резко отличаются от любых других грузов, перевозимых морскими судами. Сжиженные газы являются насыщенными (кипящими) жидкостями, давление упругости паров Pd которых изменяется в зависимости от температуры жидкой фазы. Так, понижение температуры СГ в емкости для его хранения приводит к понижению давления, которое может стать ниже атмосферного, а повышение температуры – к росту давления (см.рис.2). Согласно Коду рекомендаций IMO термин «сжиженные газы» (СГ) относится к жидкостям с давлением упругости паров, превышающим 274 кПа при температуре 37,8 °С. Плотность СГ таюке меняется в зависимости от температуры, причем значительно больше, чем у любых других жидких грузов.
Рис. 1. Зависимость давления упругости насыщенных паров газа от температуры:
1 – метан, 2 – этилен, 3 – этан, 4 – аммиак, 5 – пропан, 6 -изобутан, 7 – бутан
При атмосферном давлении сжижение газов происходит при температуре их кипения. Самая низкая температура кипения кип = 161;5 °С у метан„а, затем следуют этилен tKm = -103,7 °С и этан tKm = -88,6 °С, далее идут нефтяные газы и аммиак с температурой кипения выше -48 °С. Температуру кипения можно повыщать при одновременном повышении давления в емкости, где хранится СГ. В то же время СГ легко переходит в газообразное состояние, забирая необходимую для этого теплоту парообразования от окружающей среды. Если температура жидкой фазы в емкости для хранения СГ постоянна, то и давление остается постоянным независимо от количества жидкости в емкости. При интенсивном отборе паров СГ из емкости температура жидкости понижается и давление б емкости также падает. Так как перевозятся, как правило, не химически чистые газы, а их смеси, процесс сжижения позволяет одновременно разделять газ на составляющие фракции в зависимости от их критических параметров. Таким образом, переход в газообразное или жидкое состояние зависит от температуры, давления и объема. Сжижение газа осуществляется повышением давления, глубоким охлаждением или охлаждением при повышенном давлении. Все изложенное необходимо учитывать при выборе технологии перевозки того или иного из более чем 20 видов СГ, перевозимых морским путем на судах-газовозах. Благодаря относительной простоте процесса фазового перехода СГ обладают преимуществами жидкости при хранении и транспортировке и преимуществами газа при потреблении.
При атмосферном давлении и температуре окружающей среды выше 0 °С нефтяные газы (пропан, бутан и др.) и аммиак находятся в газообразном состоянии. Однако при сравнительно небольшом повышении давления или понижении температуры они переходят в жидкое состояние. Так, для сжижения пропана при температуре 0 °С достаточно создать давление, равное 0,36 МПа. При атмосферном давлении пропан можно привести в сжиженное состояние, понизив его температуру до – 42 °С. Но так как нефтяные газы могут содержать небольшое количество этана (до 7%), то точка кипения такой смеси опускается до – 52 °С. Поэтому нижний температурный предел для нефтяных газов устанавливают иногда равным – 55 °С.
Согласно изложенному транспортировка СНГ и аммиака возможна следующими тремя способами. Аммиак и СНГ можно перевозить^ в неизолированных цистернах под давлением и при температуре окружающей среды. За расчетную температуру окружающей среды принимается значение 45 °С. При этой температуре давление упругости насыщения паров аммиака составляет 1,834 МПа, пропана -1,589 МПа, бутана – 0,44 МПа. В изолированных цистернах эти газы можно перевозить при атмосферном давлении и температуре кипения (см. табл.4). Для унификации обычно принимают tKяп = – 52 °С. Эти же газы можно перевозить в изолированных цистернах при пониженной температуре, обычно до – 30 °С и несколько повышенном давлении – до 0,07 – 0,08 МПа.
Как видно из графиков, природный газ (метан) можно транспортировать лишь при атмосферном давлении и глубоком охлаждении до tKm = – 161,5 °С, так как независимо от величины создаваемого давления метан не может находиться в жидком состоянии при температуре выше критической (-82,5 °С). Это же относится к этану и этилену.
Свойства газов и технология их транспортировки в значительной степени определяют конструкцию грузовых цистерн, выбор материалов, архитектурно-конструктивный тип судов-газовозов и обслуживающих их специальных систем и оборудования.