Критические параметры некоторых веществ

Пример 1.3. Определить количество метана как идеального газа в ре­зервуаре объемом 50 м³ при следующих условиях: температура газа в резервуаре t = 20 °С, манометрическое ( избыточное) давление в резер­вуаре - 5,1 МПа, абсолютное давление в помещении Р = 99,08 кПа.

Решение. Абсолютная температура газа в резервуаре

1 2 3 4 5 Р, МПа
Рис.1.1. Номограмма расчёта z в зависимости от Р, А, /

глава 1

Абсолютное давление газа в резервуаре

Р = р_т + р_о = 5,1 + 99,08 -1(Г³ = 5,2 МПа. Удельная газовая постоянная метана

r= я /Ц = 8314/16,04 = 518,36 Дж/(кгК). Плотность метана в баллоне

52-Vf

^K RT v 51§Зб-273Д6 " Количество метана в резервуаре

G = p- V- 34,22 • 50 =1711 кг.

Технологические характеристики природных газов и их компонентов

В природных газах чисто газовых месторождений страны основным компонентом смеси является метан СН₄ содержание которого в смеси составляет от 92 до 98% по объему. Остальные 2—8% приходится на «производные» метана — гомологи метана и азота. Как отмечалось выше, кроме чисто газовых месторождений, имеются так называемые газоконденсатные месторождения. Конденсат состоит из легких бензи­новых фракций и сжиженных углеводородных газов, обладающих спо­собностью к выпадению из смеси.

Кроме двух названных типов газовых месторождений, различают еще понятие нефтепромысловых газов, сопутствующих месторождени­ям нефти. Содержание метана в таких газах колеблется от 30 до 90% по объему. Этот газ выделяется из нефти, поднимаемой на поверхность, в специальных ловушках-трапах. Обычно в 1 тонне добываемой нефти содержится 200-400 м³ газа при нормальных физических условиях.

Теплофизические свойства метана, содержащегося в большом коли­честве в природных газах, перекачиваемых по газопроводам, практи­чески полностью и определяют свойства природных газов.

Метан СН₄ - наиболее легкий из углеводородов, плотность его при

Характеристика природных газов

нормальных физических условиях составляет 0,717 кг/м³. Отношение его плотности к плотности воздуха равно 0,554.

Метан - это бесцветный газ, не имеющий запаха. Он нетоксичен, но при большой концентрации в воздухе вызывает удушье. При давлении 0,1 МПа и температуре -162 °С он сжижается.

Вслед за метаном в гомологическом ряду идет этан С₂Н₆ По плотно­сти этот газ близок к воздуху; при давлении 0,1 МПа и температуре 20 °С он может рассматриваться как идеальный газ. В природных газах чисто газовых месторождений содержатся лишь доли процента этана. Увеличение содержания этана в составе природного газа повышает его теплоту сгорания. В соответствии с этим этан является ценным компо­нентом газообразования топлива.

Следующий насыщенный углеводород — пропан С₃Н₆. Пропан в 1,5 раза тяжелее воздуха. Различие в составе пропана и этана сводится к наличию в молекуле пропана одной группы СН₂. Каждый последую­щий углеводород данного гомологического ряда отличается от преды­дущего на одну группу СН₂, называемую группой гомологической раз­ности. Пропан содержится в сравнительно незначительном количестве в природных газах чисто газовых месторождений. Значительно больше его содержится в природных газах газоконденсатных месторождений.

Пропан легко сжижается. Температура сжижения его при атмосфер­ном давлении равна -43 °С. При снижении давления сжиженный пропан легко испаряется, что позволяет хранить и транспортировать его в сжи­женном виде при небольшом давлении, а перед использованием регази-фицировать и сжигать в газообразном состоянии.

Бутан С₄Н,₀- газ, имеющий два изомера - н. бутан и изобутан. Оба изомера при давлении 0,1 МПа легко переходят в жидкое состояние. При этом давлении н. бутан становится жидкостью при температуре -0,5 °С, а изобутан при температуре -10,5 °С. Следовательно, бутан, как и пропан, легко сжижаются и составляют основу сжиженных углеводо­родных газов. Парциальные давления этана, пропана и бутана очень малы, и в газовой смеси они могут рассматриваться как идеальные газы.

Кроме углеводородов, в состав природных газов входят негорючие газы, к которым относятся азот, диоксид углерода, или углекислый газ, и кислород.

Азот N₂ является двухатомным бесцветным газом, не имеющим запа­ха и вкуса. Азот практически не реагирует с кислородом, поэтому его рассматривают как инертный газ. В большинстве природных газов его содержание составляет 0,5-3%.

Диоксид углерода СО₂ является бесцветным тяжелым газом со слег­ка кисловатым запахом и вкусом. Этот газ не способен к горению. При

высоком содержании углекислого газа в воздухе (5—10% по объему) этот газ вызывает удушье. Содержание диоксида углерода в природном газе обычно не превышает 1% по объему.

При давлении 0,1 МПа диоксид углерода, минуя жидкое состояние, переходит в твердое состояние при температуре - 78 °С. Твердый диок­сид углерода называют сухим льдом и используют для хранения пище­вых продуктов.

Кислород О₂ является бесцветным газом без запаха и вкуса. Плот­ность кислорода при нормальных физических условиях равна 1,34 кг/м³. В процессе горения кислород играет роль окислителя. Примесь кисло­рода в газообразном топливе допускается не более 1 % по объему как по соображениям взрывобезопасности, так и в целях предохранения обо­рудования от коррозии.

Термодинамическое обеспечение решения

Энерготехнологических задач трубопроводного

Транспорта природных газов

В теплотехнических расчетах процессов трубопроводного транспор­та газа и определении показателей работы газоперекачивающих агре­гатов используется большой набор термодинамических величин: плот­ность газа, изобарная (С_р) и изохорная (С) теплоемкости, коэффициент Джоуля—Томсона £>_h, коэффициент Джоуля—Гей-Люссака Z>_u и ряд показателей термодинамических процессов, таких как адиабатический, изоэнтальпийный, изотермический и др.

Теплотехнические характеристики природных газов обычно опре­деляют с использованием уравнения состояния и дефференциальных со­отношений термодинамики, связывая соответствующие параметры про­цесса с независимыми переменными уравнения состояния.

Определение характеристик природных газов всегда можно полнос­тью осуществить, если исходные параметры позволяют определить удель­ную работу в рассматриваемом процессе.

Действительно, из уравнения первого начала термодинамики для адиабатического процесса (Sg = 0) следует:

= dh + Sm 0, 5со = -dh

Для реального газа его энтальпия (h) определяется как функция двух переменных - температуры (t) и давления (Р), h = h(t, Р); для идеальных газов - как функция только одной температуры (/), h = h(t).

В связи с этим для реального газа, когда энтальпия h=h(t, P), удель­ная работа в интегральной форме будет определяться соотношением:

Р,), (1.43)

где t_{ и t₂ - начальная и конечная температуры процесса соответ­ственно; pj и Р₂ - начальное и конечное давление газа в процессе, соот­ветственно; D_h - коэффициент Джоуля —Томсона или характеристика дроссельного процесса, показывающая изменение температуры газа при изменении его давления в изоэнтельпийном (дроссельном) процессе (h = const).

Для идеальных газов эта величина равна нулю и, следовательно, удельная работа по уравнению (1.43) для идеальных газов будет опре­деляться только первым слагаемым правой части:

M = C_pm(?₂-f,). (1-44)

Численные значения коэффициента Джоуля—Томсона для мета­на приведены в табл. 1.6.

Таблица 1.6

Значение коэффициента Джоуля — Томсона (О_ь) для метана в зависимости от температуры и давления

Положительное значение коэффициента Джоуля—Томсона харак­теризует дросселирование большинства природных газов при обыч­ных температурах и давлениях. Поэтому при движении газа через раз­ные сопротивления (регулирующие клапаны, фильтры и т.п.), особен­но при резком падении давления, снижается и его температура, что

вызывает обмерзание трубопроводов, запорных, регулирующих и из­мерительных устройств. Это явление и называют эффектом дроссели­рования.

Следует отметить, что при некоторых условиях, дросселирование сопровождается и нагреванием газа. Коэффициент Джоуля—Томсона в этом случае принимает отрицательное значение.

При решении ряда технологических задач, в частности при построе­нии приведенных характеристик центробежных нагнетателей, в расче­тах процессов сжатия необходимо располагать скорее не первичными термодинамическими величинами С j C_v, D_h, D_u, а их комплексами С D_h, С_¥Я_и, Л-идр.

Использование указанных комплексов не только упрощает проведе­ние расчетов, но и позволяет в каждом конкретном случае выбрать пра­вильный подход к их осреднению в данном процессе, избежать дополни­тельной ошибки при построении комплекса по осредненным величинам, например С^-Р^и т.д.

Комплекс С D_b для реальных газов зависит главным образом от тем­пературы. Для природных газов с содержанием метана в диапазоне 90— 100% можно пользоваться следующим эмпирическим уравнением для его определения:

(U7-0,37-

где г сн₄ - мольное содержание метана в газе, доли единицы.

Имея значение С D_h для реальных газов, несложно, определить, на­пример, работу сжатия газа в нагнетателе по уровню (1.43), имея дан­ные о перепаде температур и давлений газа по нагнетателю.

На рис. 1.2 —1.5 приведены основные термодинамические величи­ны и комплексы, обычно используемые при проведении теплотехничес­ких расчетов, связанных с транспортом природного газа по газопрово­ду. Именно поэтому диапазон изменения давлений и температур для них выбран применительно к условиям, характерным для режимов работы магистральных газопроводов.

Диаграммы на рис. 1.2 —1.5 построены для двух составов при­родного газа. Первый состав, отраженный на диаграммах штрихо­вой линией, состоит из метана - 98,6%, пропана - 0,2%, бутана -0,15%, н. бутана - 0,05%, азота - 1%. Газ второго состава, отраженный на диаграммах сплошной линией, содержит метана - 94,36%, этана - 2,2%, пропана -1,2%, н. бутана - 0,5%, н. пентана - 0,2%, азота - 0,7%, кисло­рода - 0,5%, диоксида углерода - 0,4%.

рис. 1.2.Зависимость изобарной теплоёмкости С_р от давления Р и температуры Т для природных газов первого (1) и второго (2) составов

11 Р, МПа

Рис.1.3. Зависимость потенциальной функции Pv от давления Р и температуры Т для природных газов первого (пунктир) и второго (сплошная линия) составов

Данные по промежуточным составам газов можно получить обра­боткой соответствующих величин по простейшим интерполяционным зависимостям.

Все основные термодинамические характеристики природных газов при различных значениях температур и давлений, характерных для режимов работы магистральных газопроводов приведены в табл. 1.7 и 1.8, в которых Р - давление (МПа), к - показатель адиаба­ты, z - коэффициент сжимаемости газа, р - плотность газа (кг/м³), h -энтальпия (кДж/кг), Pv - потенциальная функция, равная zR 7'(кДж/кг), С_р - изобарная теплоемкость кДж/(кг °С), C_p£>_h - комплекс (кДж/кг • МПа), £>_h - коэффициент Джоуля — Томсона (°С/МПа).

Рис.1.4. Зависимость величины C_pD_h от давления Р и температуры Т для природных газов первого (пунктир) и второго (сплошная линия) составов

Таблица 1.7

Значение параметров природного газа с содержанием метана 90% в зависимости от давления при средней температуре 293,2 К

Продолжение табл. 1.7

Таблица 1.8

Значения параметров природного газа с содержанием метана 97% в зависимости от температуры при среднем давлении 5 МПа

Рис.1.5. Зависимость показателя адиабаты К от давления Р и температуры Т для природного газа первого (1) и второго (2) составов

Глава 2

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: