Основные физические свойства и законы для газов.

Природные газы представляют собой физическую смесь отдельных компонентов, химически не действующих друг на друга. Поэтому при обработке этих газов к ним применимы основные законы физики и термодинамики с известными отклонениями, о которых будет сказано ниже.

Свойства природных газов предопределяются их составом, следовательно, если знать, какие компоненты входят в состав газа, можно определить его физические свойства.

В последнее время в США предложен новый метод количественного определения углеводородных газов в смеси — спектроскопический, обеспечивающий надежные результаты и в значительно более короткое время, чем на фракционирующих аппаратах.

При решении практических вопросов использования газа и, в частности, вопроса об отбензинивании его, требуется определить количество тяжелых газо-бензиновых углеводородов в нем. В этом случае пользуются данными полного анализа газа или производят специальное определение содержания тяжелых фракций в газе одним из трех методов: компрессией и охлаждением испытуемого газа, поглощением жидкими поглотителями, такими, как керосин, соляровое масло и др., или поглощением активированным углем. Последний следует считать более надежным и применимым как для сухих, так и для жирных газов.

Физическое состояние газа определяется тремя величинами: объёмом, давлением и температурой. В зависимости от давления и температуры изменяется и объём газа. Чтобы иметь правильное представление о количестве газа, необходимо приводить его объём к стандартным условиям, т. е. к стандартной температуре и давлению. В США во всех термодинамических расчетах за стандартные условия приняты: температура 32° F (0° С) и давление 14,695 фунт/дм² (760 мм рт. ст.) в газовой же промышленности стандартными условиями приняты: температура 60° F (15,56° С) и давление 14,65 фунт/дм² (757,5 мм).

В СССР стандартными условиями считаются темпеоатура 0° С и давление 760 мм рт. ст.; в газовой промышленности принимают температуру 20° С и давление 760 мм рт. ст.

Основными физическими свойствами углеводородных газов являются:

1) молекулярный вес;

2) удельный вес в газообразном состоянии;

3) удельный вес в жидком состоянии;

4) теплоёмкость;

5) упругость паров;

6) температуры кипения и плавления;

7) критические температура и давление;

8) скрытая теплота испарения;

9) количество паров из единицы объёма жидкости.

Эти параметры характеризуют особенность и свойства каждого газа и жидкости. Знание их чрезвычайно важно при решении всякого рода задач, связанных с добычей, транспортом, переработкой и использованием газа.

Сжиженные углеводородные газы (СУГ) – представляют собой смесь химических соедине-ний, состоящую в основном из водорода и углерода с различной структурой молекул, т.е. смесь углеводородов различной молекулярной массы и различного строения. Основными компонентами СУГ являются пропан и бутан, в виде примесей в них содержатся более легкие углеводороды (ме-тан и этан) и более тяжелые (пентан). Все перечисленные компоненты являются предельными уг-леводородами. В состав СУГ могут входить также непредельные углеводороды: этилен, пропилен, бутилен. Бутан-бутилены могут присутствовать в виде изомерных соединений (изобутана и изобу-тилена).

Плотность, кг/м3 – отношение массы тела к его объему, зависящее от углеводородного соста-ва и его состояния. Плотность паровой фазы СУГ – сложная функция температуры, состояния и давления для каждого компонента. Плотность жидкой фазы пропан-бутановых смесей зависит от состава углеводородов и тем-пературы, так как с ростом температуры снижается плотность жидкости, что обусловлено объем- ным расширением. Относительное изменение объема жидкости при изменении температуры на один градус ха-рактеризуется температурным коэффициентом объемного расширения βт, который у сжиженных газов (пропана и бутана) в несколько раз больше чем у иных жидкостей. Пропан – 3,06 •10-3; Бутан – 2,12 •10-3; Керосин – 0,95 •10-3; Вода – 0,19 •10-3; При повышении давления жидкая фаза пропана и бутана сжимается. Степень сжатия ее оце-нивается коэффициентом объемной сжимаемости βсж, размерность которого обратна размерности давления. Вязкость – это способность газов или жидкостей оказывать сопротивление сдвигающим уси-лиям, обусловленная силами сцепления между молекулами вещества. При относительном движе-нии между слоями потока возникает касательная сила, которая зависит от площади соприкоснове- ния слоев и градиента скорости. Удельное касательное напряжение, возникающее между слоями, определяет динамическую вязкость газа или жидкости и называется коэффициентом динамической вязкости. Анализ экспериментальных исследований показал, что вязкость СУГ зависит от темпера- туры, а с увеличением давления растет незначительно. В отличие от жидкостей у газа вязкость с повышением температуры возрастает.

Сжиженный углеводородный газ, чаще используемый как автомобильное топливо, представляет собой смесь пропана (С3Н8), бутана (С4Н10) и незначительного количества (около 1%) непредельных углеводородов.

Сжиженный газ могут вырабатывать как из нефти, так и из конденсатной фракции природного газа. Образующаяся в процессе переработки смесь углеводородов поступает на абсорбционно-газофракционирующую установку, где в специальных колоннах происходит разделение на отдельные фракции.

Пропан и бутан очищаются от сернистых соединений, щелочи, воды и других компонентов, поэтому сжигание газа приносит лишь незначительный вред атмосфере. По сравнению с пропаном, у бутана хуже способность испарения и поэтому его смешивают с пропаном. В зависимости от марки ГСН, пропан и бутан смешиваются в необходимых соотношениях.

Физико-химические свойства

Плотностьжидкой фазы газа зависит от температуры, с увеличением которой плотность уменьшается. При нормальном атмосферном давлении и температуре 15 градусов С плотность жидкой фазы пропана составляет 0,51 кг/л, бутана - 0,58 кг/л. Паровая фаза пропана тяжелее воздуха в 1,5 раза, бутана - в 2 раза. Температура кипения бензина выше температуры окружающей среды, а сжиженный газ испаряется при более низких температурах. Это означает, что бензин в баке может находиться в жидком состоянии при атмосферном давлении, а сжиженный газ в емкости - при давлении, соответствующем температуре окружающей среды.

Октановое число газового топлива выше, чем у бензина, поэтому детонационная стойкость сжиженного газа больше, чем бензина даже самого высшего качества. Среднее октановое число сжиженного газа - 105 - недостижимо для любых марок бензина. Это позволяет добиться большей экономичности использования топлива в газовом котле.

Диффузия. Газ легко смешивается с воздухом и равномерней сгорает. Газовая смесь сгорает полностью, поэтому не образуется сажи в топках и на нагревательных элементах.

Давление в емкости. В закрытом сосуде СУГ образует двухфазную систему, состоящую из жидкой и паровой фаз. Давление в емкости зависит от давления насыщенных паров, которое в свою очередь зависит от температуры жидкой фазы и процентного соотношения пропана и бутана в ней. Давление насыщенных паров характеризует испаряемость СУГ. Испаряемость пропана выше чем бутана, поэтому и давление при отрицательных температурах у него значительно выше. Расчетами и экспериментами установлено, что при низких температурах окружающего воздуха эффективнее использовать СУГ с повышенным содержанием пропана, так как при этом обеспечивается надежное испарение газа, а следовательно и достаточность газа для газопотребления. Кроме того, достаточное избыточное давление в емкости обеспечит надежную подачу газа к котлу в сильные морозы. При высоких положительных температурах окружающего воздуха эффективнее использовать СУГ с меньшим содержанием пропана, так как при этом в емкости будет создаваться значительное избыточное давление, что может вызвать срабатывание клапана сброса. Кроме пропана и бутана, в состав СУГ входит незначительное количество метана, этана и других углеводородов, которые могут изменять свойства СУГ. В процессе эксплуатации емкости может образовываться неиспаряемый конденсат, который отрицательно сказывается на работе газовой аппаратуры.

Изменение объема жидкой фазы при нагревании. Правилами Европейской Экономической Комиссии ООН предусмотрена установка автоматического устройства, ограничивающего наполнение емкости до 85% ее объема. Данное требование объясняется большим коэффициентом объемного расширения жидкой фазы, который для пропана составляет 0,003, а для бутана 0,002 на 1°С повышения температуры газа. Для сравнения: коэффициент объемного расширения пропана в 15 раз, а бутана в 10 раз, больше, чем у воды.

Изменение объема газа при испарении. При испарении сжиженного газа образуется около 250л. газообразного. Таким образом, даже незначительная утечка СУГ может быть опасной, так как объем газа при испарении увеличивается в 250 раз. Плотность газовой фазы в 1,5—2,0 раза больше плотности воздуха. Этим объясняется тот факт, что при утечках газ с трудом рассеивается в воздухе, особенно в закрытом помещении. Пары его могут накапливаться в естественных и искусственных углублениях, образуя взрывоопасную смесь. СНиП 42-01-2002 предусматривает обязательную установку газоанализатора, выдающего сигнал отсечному клапану на закрытие в случае скопления газа в концентрации 10% от взрывоопасной.

Одорация. Сам газ практически не пахнет, поэтому для безопасности и своевременной диагностики утечек газа органами обоняния человека в него добавляют незначительные количества сильнопахнущих веществ. При массовой доле меркаптановой серы менее 0,001% СУГ должны быть одорированы. Для одорации применяется этилмеркаптан (С2Н5SH), представляющий собой неприятно пахнущую жидкость плотностью 0,839 кг/л и с точкой кипения 35°С. Порог чувствительности запаха 0,00019 мг/л, предельно допустимая концентрация в воздухе рабочей зоны 1 мг/м³. В случае, когда токсичность в норме или несколько ниже нормы, запах одоранта практически не ощущается и его накопления в помещении не наблюдается.

ВОПРОС