تحول السوائل المبردة إلى غاز: الأحجام والكثافة والنسب

تُخبرك نسبة تحول السائل إلى غاز بحجم الغاز الناتج عن وحدة من السائل المبرد عند تبخرها. في الظروف القياسية يتمدد النيتروجين السائل بنسبة 1 إلى 696 تقريبًا، والأكسجين السائل 1 إلى 861، والأرجون السائل 1 إلى 847، وLNG 1 إلى 600. وهذه النسب تحكم تحديد سعة التخزين وحجم المبخر والسلامة في الأماكن المغلقة.

الحساب الذي يقوم عليه الأمر بسيط، ويجب أن يتقنه كل مشترٍ للمعدات المبردة السائبة. فبمجرد معرفة استهلاكك من الغاز بالمتر المكعب في الساعة، تحوّل نسبة التمدد هذا الرقم مباشرة إلى لترات من السائل في الساعة، ومنها إلى سعة خزان واقعية وفترة تسليم مناسبة.

يعرض هذا المقال النسب، ويشرح الحسابات في الاتجاهين، ويوضح سبب الاختلاف الطفيف بين الأرقام المنشورة في المراجع المختلفة.

ما المقصود بنسبة تحول السائل المبرد إلى غاز؟

نسبة تحول السائل المبرد إلى غاز، وتُسمى أيضًا نسبة التمدد، هي حجم الغاز الناتج عن حجم واحد من السائل عند تسخينه إلى درجة حرارة وضغط مرجعيين. وتُكتب على صورة 1 إلى رقم، حيث يمثل الرقم حجم الغاز.

وهي موجودة لأن إسالة الغاز تزيل معظم المسافات بين جزيئاته. وهذا هو المنطق التجاري الكامل للتوريد المبرد: فنقل وتخزين بضعة أمتار مكعبة من السائل أوفر بكثير من نقل مئات أضعاف ذلك الحجم على هيئة غاز مضغوط. ونسبة التمدد هي الرقم الذي يربط بين العالمين.

تُستخدم هذه النسبة في ثلاثة مواضع عملية.

• تحديد سعة التخزين مقابل استهلاك المصنع من الغاز وفترة التسليم المفضلة
• تحديد حجم المبخرات ومعدات إعادة التغويز، التي يجب أن توفر تدفق الغاز مقابل استهلاك تدفق السائل
• تقييم السلامة في الأماكن المغلقة، حيث ينتج عن انسكاب صغير من السائل حجم كبير من الغاز

ما نسب التمدد للنيتروجين والأكسجين والأرجون وLNG؟

هذه هي نسب التمدد القياسية المعتمدة في قطاع الغازات الصناعية وقطاع LNG، وجميعها مذكورة عند الظروف القياسية.

يبلغ معدل تمدد النيتروجين السائل من الحالة السائلة إلى الغازية نحو 1 إلى 696 عند الظروف القياسية. أي أن حجمًا واحدًا من النيتروجين السائل ينتج نحو 696 حجمًا من غاز النيتروجين.

يبلغ معدل تمدد الأكسجين السائل من الحالة السائلة إلى الغازية نحو 1 إلى 861 عند الظروف القياسية. أي أن حجمًا واحدًا من الأكسجين السائل ينتج نحو 861 حجمًا من غاز الأكسجين.

يبلغ معدل تمدد الأرجون السائل من الحالة السائلة إلى الغازية نحو 1 إلى 847 عند الظروف القياسية. أي أن حجمًا واحدًا من الأرجون السائل ينتج نحو 847 حجمًا من غاز الأرجون.

يبلغ معدل تمدد LNG من الحالة السائلة إلى الغازية نحو 1 إلى 600 عند الظروف القياسية. أي أن حجمًا واحدًا من LNG ينتج نحو 600 حجم من الغاز الطبيعي.

وفيما يلي ملخص سريع على هيئة قائمة.

• النيتروجين السائل (LIN): نحو 1 إلى 696
• الأكسجين السائل (LOX): نحو 1 إلى 861
• الأرجون السائل (LAR): نحو 1 إلى 847
• LNG: نحو 1 إلى 600

كلمة نحو هنا مقصودة. فهذه هي الأرقام العملية المعتمدة في التقديرات الهندسية وتقييم السلامة. وهي ليست قيم تسوية تعاقدية، ويشرح القسم الخاص بالظروف المرجعية أدناه السبب.

كيف تحوّل لترات السائل إلى أمتار مكعبة من الغاز؟

الحساب عملية ضرب واحدة، والشيء الوحيد الذي يوقع الناس في الخطأ هو تغيير الوحدة من اللتر إلى المتر المكعب.

القاعدة التي يجب تذكرها هي أن 1,000 لتر تساوي 1 متر مكعب. لذا فإن لترًا واحدًا من النيتروجين السائل ينتج نحو 696 لترًا من الغاز، أي 0.696 متر مكعب. ومتر مكعب واحد من النيتروجين السائل ينتج نحو 696 مترًا مكعبًا من الغاز.

أمثلة محلولة

• خزان نيتروجين سائل سعة 20,000 لتر، ممتلئ بالكامل، يحتوي على 20,000 مضروبة في 696 أي 13,920,000 لتر من الغاز، وهو ما يعادل 13,920 مترًا مكعبًا من غاز النيتروجين
• خزان أكسجين سائل سعة 20,000 لتر يحتوي على 20,000 مضروبة في 861 أي 17,220,000 لتر، وهو ما يعادل 17,220 مترًا مكعبًا من غاز الأكسجين
• وعاء أرجون سائل سعة 1,000 لتر يحتوي على 1,000 مضروبة في 847 أي 847,000 لتر، وهو ما يعادل 847 مترًا مكعبًا من غاز الأرجون
• خزان LNG سعة 20 مترًا مكعبًا يحتوي على 20 مضروبة في 600 أي 12,000 متر مكعب من الغاز الطبيعي

لاحظ أن هذه الأرقام تفترض امتلاء الوعاء بالكامل. أما عمليًا فيُملأ الخزان إلى مستوى تشغيلي ويُستهلك حتى مستوى إعادة التعبئة، لذا يكون المكافئ الغازي القابل للاستخدام أقل. وقد طُبّق هذا التصحيح في قسم تحديد السعة أدناه.

كيف تحسب استهلاك السائل انطلاقًا من الطلب على الغاز؟

هذا هو الاتجاه الأهم للمشتري، لأن المصانع تقيس الاستهلاك بوحدات الغاز بينما يبيع الموردون سائلًا. اقسم الطلب على الغاز على نسبة التمدد للحصول على حجم السائل المطلوب.

مثال النيتروجين

لنفترض أن مصنعًا يستهلك 300 متر مكعب في الساعة من غاز النيتروجين.

• السائل المطلوب في الساعة: 300 مقسومة على 696 تساوي 0.431 متر مكعب، أي 431 لترًا في الساعة
• على مدى 24 ساعة من التشغيل المتواصل: 431 مضروبة في 24 تساوي 10,344 لترًا في اليوم، أي نحو 10.3 متر مكعب من النيتروجين السائل يوميًا
• على مدى فترة تسليم مدتها 7 أيام: 10,344 مضروبة في 7 تساوي 72,408 لترات من السائل القابل للاستخدام

مثال الأكسجين

مصنع يستهلك 500 متر مكعب في الساعة من غاز الأكسجين يحتاج إلى 500 مقسومة على 861 أي 0.581 متر مكعب في الساعة، وهو ما يعادل 581 لترًا من الأكسجين السائل في الساعة، أو نحو 13,940 لترًا يوميًا في التشغيل المتواصل.

تنطبق الطريقة نفسها على الأرجون عند 847 وعلى LNG عند 600. وإذا كان استهلاكك مذكورًا بالمتر المكعب القياسي في الساعة، فحافظ على اتساق الوحدات طوال الحساب وتأكد من الظرف المرجعي الذي يعتمده مورّدك.

كيف تحدد نسبة التحول سعة خزان التخزين؟

بعد معرفة الاستهلاك اليومي من السائل، يصبح تحديد سعة الخزان مسألة تتعلق بالمدة التي تريد تشغيلها بين عمليتي تسليم، وبنسبة السعة القابلة للاستخدام فعليًا.

بمتابعة مثال النيتروجين، وبواقع 10,344 لترًا يوميًا وفترة تسليم مدتها 7 أيام، يحتاج الموقع إلى 72,408 لترات من السائل القابل للاستخدام بين عمليتي التسليم. والحجم القابل للاستخدام ليس هو السعة الهندسية. فإذا كانت ممارستك التشغيلية هي طلب إعادة التعبئة عند بلوغ الخزان 20 بالمئة والملء حتى 90 بالمئة، فإن نحو 70 بالمئة فقط من السعة الهندسية قابلة للاستخدام، ومن ثم يكون الخزان المطلوب نحو 72,408 مقسومة على 0.70، أي نحو 103,000 لتر.

ثم تُطبق عدة تصحيحات على هذا الرقم الأولي.

• التبخر الطبيعي: تفقد الخزانات المبردة الثابتة الحديثة نحو 0.2 إلى 0.6 بالمئة من محتوياتها يوميًا حسب الحجم ونوعية العزل، لذا يجب أن تراعي المواقع ذات السحب المنخفض المستمر هذا الفقد
• الطلب الذروي: قد يعجز خزان حُدد حجمه على أساس متوسط الاستهلاك عن تلبية فترة تدفق عالٍ قصيرة، وهي مسألة تتعلق بالمبخر والتحكم في الضغط بقدر ما تتعلق بالسعة
• لوجستيات التسليم: تعتمد فترة التسليم العملية على حجم الصهريج الذي يخدم الموقع وعلى خط سير المورد، لا على الاستهلاك وحده
• الاحتياطي: تحتفظ مواقع كثيرة بهامش فوق مستوى إعادة التعبئة لتغطية تسليم متأخر
• النمو المستقبلي: الخزان المحدد بدقة لطلب اليوم يصبح هو القيد أمام أي زيادة إنتاجية لاحقة

في حالات الاستهلاك المنخفض إلى المتوسط، يقود هذا الحساب غالبًا إلى وعاء MicroBulk بدلًا من خزان سائب كامل. أما في حالات الاستهلاك المرتفع أو المتنامي فيقود إلى وعاء سائب أكبر أو إلى زوج موصول بمشعب.

لماذا تهم نسبة التمدد للسلامة في الأماكن المغلقة؟

الحساب نفسه الذي يجعل التخزين المبرد اقتصاديًا هو الذي يجعل الانسكابات المبردة خطرة داخل المباني. فحجم صغير من السائل المنسكب يتحول إلى حجم كبير من الغاز، والنيتروجين والأرجون عديما اللون والرائحة، فلا يوجد أي إنذار مسبق.

لنأخذ انسكاب 10 لترات من النيتروجين السائل. عند نسبة 1 إلى 696 ينتج ذلك 6,960 لترًا من غاز النيتروجين، أي نحو 7 أمتار مكعبة. وفي غرفة مغلقة أبعادها 5 أمتار في 4 أمتار في 2.5 متر، يكون حجم الغرفة 50 مترًا مكعبًا. وبافتراض أن الغاز المنبعث يختلط ويزيح حجمًا مساويًا من الهواء، تكون نسبة الهواء المتبقية (50 ناقص 7) مقسومة على 50، أي نحو 0.86. والهواء الطبيعي يحتوي على نحو 20.9 بالمئة أكسجين، وبذلك ينخفض تركيز الأكسجين إلى نحو 18 بالمئة.

تعتبر أنظمة وطنية كثيرة أي تركيز أكسجين أقل من نحو 19.5 بالمئة نقصًا في الأكسجين. وفي هذا المثال يكفي انسكاب 10 لترات في غرفة صغيرة لتجاوز هذا الحد، ويحدث التجاوز أسرع بكثير مع انسكاب أكبر أو حيز أصغر.

وتنبع الاستنتاجات العملية مباشرة من هذه النسبة.

• ركّب الأوعية السائبة في الهواء الطلق، أو في أماكن ذات تهوية مصممة لحجم الانبعاث المحتمل
• ركّب أجهزة مراقبة الأكسجين حيثما تُتداول السوائل المبردة الخاملة في مناطق مغلقة أو شبه مغلقة
• تعامل مع الحُفر والخنادق والأقبية وبيوت الدرج كنقاط تجمّع، لأن الغاز البارد يكون كثيفًا في البداية
• طبّق الحساب نفسه بشكل معكوس على الأكسجين السائل، حيث يُثري الانسكاب الجو المحيط ويجعل المواد المجاورة أسهل اشتعالًا بكثير
• استخدم نسبة التمدد عند كتابة تقييم المخاطر، بحيث يكون حجم الانبعاث المقدّر محسوبًا لا مفترضًا

لماذا تختلف نسب التحول المنشورة اختلافًا طفيفًا؟

ستجد أرقامًا مختلفة قليلًا في المراجع المختلفة، والفرق يعود دائمًا تقريبًا إلى الظرف المرجعي لا إلى خطأ.

• درجة الحرارة المرجعية: يعتمد حجم الغاز على درجة الحرارة، وتستخدم المعايير المختلفة 0 أو 15 أو 20 درجة مئوية كمرجع. ودرجة حرارة مرجعية أعلى تعطي حجم غاز أكبر ومن ثم نسبة أكبر
• الضغط المرجعي: عادة جو واحد، لكنه لا يُذكر صراحة دائمًا
• حالة السائل: قد تكون كثافة السائل المستخدمة عند نقطة الغليان الطبيعية أو عند ضغط تخزين نموذجي، وهما ليسا متطابقين
• التركيب: LNG خليط، غالبه ميثان مع كميات متفاوتة من الإيثان والبروبان والنيتروجين حسب المصدر. لذا تتغير نسبة تمدده بتغير تركيب الشحنة، وهو سبب ذكر الرقم على أنه نحو 1 إلى 600 بدلًا من قيمة دقيقة

لأغراض التحديد الهندسي وتقييم السلامة، تُعد النسب أعلاه هي الأرقام العملية الصحيحة. أما لنقل الملكية والفوترة فاستخدم القيم والظروف المرجعية المدونة في عقد التوريد، لأنها الأرقام التي تُسوى بها الحسابات.

ماذا عن التحويل إلى الكتلة؟

تُحرر عقود توريد كثيرة بالكيلوجرام أو الطن بدلًا من اللتر. والتحويل بين الكتلة وحجم السائل وحجم الغاز يتطلب كثافة السائل المحدد عند ظرف تخزينه الفعلي، ويتطلب في حالة LNG معرفة تركيب الشحنة أيضًا. خذ قيم الكثافة هذه من ورقة بيانات مورد الغاز للمنتج كما يُسلَّم، لا من مرجع عام، لأن خطأ صغيرًا في افتراض الكثافة يزيح الحساب كله.

كيف تُطبق النسبة على تحديد حجم المبخر وإعادة التغويز؟

يُصنّف المبخر بمعدل تدفق الغاز، عادة بالمتر المكعب القياسي في الساعة، لكنه يستهلك سائلًا. ونسبة التمدد هي ما يربط طلب المصنع على الغاز بتدفق السائل عبر المبخر، وهي الخطوة الأولى في كل حساب لتحديد الحجم.

• ابدأ من الطلب الذروي على الغاز لا من المتوسط، لأن مبخرًا حُدد حجمه على المتوسطات سيتخلف أثناء الذروة ويُمرر غازًا باردًا إلى ما بعده
• حوّل الطلب الذروي على الغاز إلى تدفق سائل باستخدام نسبة التمدد الخاصة بالمنتج
• طبّق الظروف المحيطة في موقع التركيب، لأن سعة المبخر الهوائي المحيطي تنخفض مع انخفاض درجة حرارة الهواء وارتفاع الرطوبة
• خطّط لوحدة عاملة وأخرى احتياطية مع نظام تبديل يتيح إذابة الجليد لكل منهما، وحدد حجم الزوج على أساس حالة التشغيل لا على افتراض عملهما معًا باستمرار
• في إعادة تغويز LNG، تأكد من درجة الحرارة والضغط المطلوبين عند التسليم في المصب، لأنهما يحددان الحمل الحراري بقدر ما يحدده التدفق

من الفحوص المفيدة لأي عرض فني تحويل سعة الغاز المذكورة إلى لترات من السائل في الساعة ومقارنتها بسعة الخزان. فإذا كان المبخر قادرًا على تفريغ الخزان خلال ساعات قليلة عند التدفق الاسمي، فإن خطة التخزين والتسليم تحتاج إلى مراجعة قبل طلب المعدات.

الأسئلة الشائعة

مقالات ذات صلة

• كيف تحدد حجم خزان التخزين الكرايوجيني
• الميكروبلك مقابل التخزين الكرايوجيني بالجملة
• مخاطر نقص الأكسجين وإثرائه
• كيف تحدد حجم المبخر الهوائي المحيطي
• أساسيات إعادة تغويز LNG للموزعين
• خزانات التخزين المبردة