книги / Основы газоснабжения
..pdf§ 1.4. Сжиженные газы
Смеси углеводородов (пропана, пропилена, бутана, бутилена и небольших количеств этана и этилена), находящихся приютносительно небольших давлениях или при пониженных темпера турах в жидком состоянии, а при нормальных условиях — газо образном, составляют группу сжиженных углеводородных газов. Их хранят и транспортируют в жидком, а используют в газооб разном виде. Сырьем для производства сжиженных газов явля ются попутные нефтяные газы, жирные газы газоконденсатных месторождений и газы переработки нефти. Сжиженные газы могут иметь и искусственное происхождение.
Поскольку попутный нефтяной газ представляет собой много компонентную смесь из легких и тяжелых углеводородов, то задачей газобензинового производства является разделение этой смеси на следующие отдельные фракции:
Метан |
1 |
Отбензиненный газ |
|
Этан |
J |
||
|
|||
Пропан |
1 |
Сжиженный газ |
|
Бутан |
J |
||
|
|||
Пентан |
} Газовый бензин |
Технология такого разделения основана на различной упру гости насыщенных паров (рис. 1.2) и на различии в давлениях конденсации отдельных компонентов смеси. При изменениях тем пературы или объема такой двухфазной системы (пар — жид кость) равновесие ее нарушается и тут же восстанавливается. Например, при постоянстве температуры сжатие паровой фазы приводит к конденсации части паров, а при увеличении объема испаряется часть жидкости. В обоих случаях давление паровой фазы, соответствующее данной температуре, остается неиз менным.
Аналогично при сохранении постоянства объема паровой фазы повышение температуры сопровождается испарением части жид кости с соответствующим повышением давления, т. е. упругости насыщенных паров углеводорода. Охлаждение двухфазной си стемы при неизменности объема влечет понижение упругости на сыщенных паров.
Промышленными методами производства сжиженных газов являются компрессионный, адсорбционный и абсорбционный. Принципиальная сущность технологии этих способов может быть рассмотрена на упрощенных схемах соответствующих установок.
Компрессионный метод основан на различии давлений и тем ператур конденсации отдельных компонентов смеси углеводород ных газов, составляющих попутный нефтяной газ. В этом случае исходный попутный газ (рис. 1.3) после очистки в сепараторе 1 от взвешенных частиц нефти, влаги и пыли сжимается в компрес соре 2 до давления 17—20 кгс/см2 и затем последовательно
И
охлаждается в конденсаторах 3 и 5. В процессе первой стадии охлаждения из смеси конденсируются и собираются в сепараторе сырого бензина 4 наименее упругие пары пентана, в конденса торе 5 конденсируются пары пропана и бутана. После разделения в сепараторе 6 сконденсированные пропан и бутан поступают
Рис. 1.2. Упругость насыщенных паров некоторых углеводородов, воды и одоранта в зависимости от температуры жидкой фазы.
1 — метан; 2 — этилен; з —этан; 4 — пропилен; 5 —про пан; б — изобутан; 7 — изобутилен; 8 —к-бутан; 9 —изо пентан; ю —этилмеркаптан; 11 —н-пентан; 12 —вода.
в емкости сжиженного газа, а сохранившие газообразное состоя ние метан и этан по газопроводу отбензиненного газа направ ляются к потребителю.
Адсорбционный (углепоглотительный) метод основан на спо собности некоторых твердых пористых тел (активированного угля, силикагеля и др.) избирательно удерживать (адсорбировать) на поверхности пор и микропор тяжелые углеводороды и выде лять их при последующем нагреве и увлажнении. Основным аппа ратом адсорбционной установки (рис. 1.4) является адсорбер 2, заполненный активированным углем. Очищенный исходный по
12
путный газ проходит в адсорбере снизу вверх через слой угля и насыщает его поры тяжелыми углеводородами, а легкие углеводо роды — метан и этан, не осевшие в порах угля, выходят из ад сорбера в газопровод отбензиненного газа. По окончании насы щения угля углеводородами через адсорбер сверху вниз подается
Рис. 1.3. Схема разделения углеводородов методом ком прессии.
водяной пар, который, нагревая и увлажняя уголь, осущест вляет десорбцию тяжелых углеводородов и уносит их в виде паров. Пары воды и углеводородов проходят через конденсатор 2
Рис. 1.4. Схема разделения углеводородов методом адсорбции.
и поступают в сепаратор 3, в нижней части которого скапливается конденсат водяного пара, над ним — более легкий конденсат пентана, а в паровом .пространстве — пары пропана и бутана. Через регуляторы уровня вода из сепаратора сбрасывается в ка нализацию, пентан — в емкости сырого бензина, а пары пропана и бутана поступают под купол газгольдера 4. По мере скопления в газгольдере пары пропана и бутана сжимаются компрессором 5 до 17—20 кгс/см2 и после охлаждения в конденсаторе 6 накапли ваются в виде конденсата в сепараторе сжиженного газа 7, а из него периодически перемещаются в сборные емкости.
Для восстановления адсорбционной активности угля его надо просушить и охладить. Для этого дутьевой вентилятор 8 нагне тает в адсорбер выбрасываемые через свечу 10 горячий воздух,
13
нагреваемый в калорифере 9, а затем — холодный воздух, про пускаемый помимо калорифера. Непрерывность действия уста новки обеспечивается комплектованием групп адсорберов, по три в каждой. Это позволяет одновременно осуществлять в группе все основные операции: адсорбцию, десорбцию и регенерацию активных адсорбционных свойств угля.
Абсорбционный (,маслопоглотительный) метод основан на спо собности масел (например, солярового) в холодном виде избира тельно растворять в себе (абсорбировать) тяжелые углеводороды, а при нагревании выделять их обратно.
Отбензиненный<ваз
Рис. 1.5. Схема разделения углеводородов методом масляной абсорбции.
Очищенный попутный нефтяной газ (рис. 1.5) поступает в ниж нюю часть абсорбера 7, представляющего собой колонну с та рельчатыми насадками, в которой снизу вверх движется газ, а противотоком сверху вниз стекает по тарелкам масло. Кон струкция тарелок обеспечивает хороший контакт газа с маслом, в результате чего масло растворяет основную массу тяжелых углеводородов. Легкие углеводороды поступают в верхнюю часть абсорбера и по газопроводу отбензиненного газа направляются к потребителю. Скапливающееся в нижней части абсорбера масло, насыщенное углеводородами, подается в подогреватель 2, затем десорбер 3. Выделяющиеся из нагретого масла тяжелые углево дороды поступают в компрессор 4, где сжимаются до 17—20 кгс/см2. Охлаждаются они в две стадии — в конденсаторах 5 и 7. После первой стадии в сепараторе 6 сырого бензина накапливается жидкий пентан, а в сепараторе 8 — сжиженная пропан-бутановая фракция. Освободившееся от углеводородов нагретое масло из нижней части десорбера 3 насосом 9 перекачивается через холо дильник 10 в верхнюю часть абсорбера 1 для повторения цикла.
Из рассмотренных методов в газобензиновом производстве наиболее распространен метод масляной абсорбции, отлича ющийся простотой установки, большой производительностью и до статочно высокой степенью извлечения тяжелых углеводородов из исходных газов.
14
Сжиженные газы имеют более высокую, чем обычные природ ные газы, объемную теплоту сгорания. В газообразном виде они тяжелее воздуха, а в жидком — тяжелее воды. Помимо этого сжиженные газы весьма восприимчивы к изменениям окружающих условий: при повышении температуры значительно увеличивается объем их жидкой фазы и давление паровой фазы, а при понижении температуры до точки росы и повышении давления возможна кон денсация паровой фазы, в том числе и в газопроводах. Сжиженные газы не токсичны, но имеют низкие пределы взрываемости в воз духе и медленную диффузию в атмосферу. Это в сочетании с от сутствием у них запаха, цвета и вкуса как в жидком, так и в га зообразном виде диктует необходимость тщательной их одори зации.
Как топливо сжиженные газы обладают всеми достоинствами природных газов. Кроме того, они позволяют создать у потре бителей необходимый запас газа в жидком виде и их можно транс портировать не только по трубопроводам, но и перевозить в бал лонах, цистернах (автомобильных и железнодорожных) и тан керах.
§ 1.5. Требования к качеству газового топлива
ГОСТ 5542—50* устанавливает следующие основные требования к газовому топливу для населенных пунктов.
Допускаемые отклонения от номинальной низшей теп |
|
лоты сгорания, % ........................ |
±10 |
Максимальное содержание, г/100 м3: |
|
сероводорода |
2 |
аммиака . . . |
2 |
смолы и ныли . |
ОД |
нафталина летом |
10 |
нафталина зимой ......................................... |
5 |
цианистых соединений в пересчете на HCN |
5 |
кислорода (% по объему) |
. Не более |
Запах природных газов должен ощущаться при содержании их в воздухе в количестве не более 1/5 от нижнего предела вос пламеняемости. Для этого в газ вводят резко пахучее веществ^ — одорант. В СССР в качестве одоранта используется этилмеркаптан C2H5SH, который вводится в газ в количестве 16 г на 1000 м3 природного газа или 60—90 г на 1 т сжиженного газа.
Сжиженные гдзЫ должны удовлетворять техническим требо ваниям, определенным в ГОСТ 10196—62 (табл. 1.2). Смесь про пана и бутана ддя зимнего времени составляют с повышенным содержанием продана, для летнего — с повышенным содержанием бутана. Соотношение пропана и бутана в смеси устанавливается договоренностью между поставщиком и заказчиком с учетом местных климатических услрвий.
15
Т а б л и ц а |
1.2 |
|
|
Технические требования к сжиженным углеводородным |
|||
газам по ГОСТ 10196—62 |
|
|
|
|
Технический |
Технический |
Смесь техни |
Показатели |
ческих |
||
пропан |
бутан |
пропана |
|
|
|
|
и бутана |
Компонентный состав, % по объ ему:
этан—этилен
пропан—пропилен
бутан—бутилен пентан—амилены . . . .
Жидкий остаток, % по объему, при температуре, °С:
-20 2 0 ..................................
Избыточное давление насыщен ных паров, кгс/см2, при тем
пературе, |
°С: |
—20 |
................. |
45 . |
|
Содержание |
сероводорода, |
г/100 ы9- |
|
Запах |
|
Не более 4,0 |
Отсутствие |
Не более 4,0 |
Не менее 93,0 |
Не более 4,0 |
— |
Не более 3,0 |
Не менее 93,0 |
— |
Отсутствие |
Не более 3,0 |
|
|
|
1 |
Не более 2,0 |
|
1 |
Не нормируется |
||
Отсутствие |
Не более 2,0 |
|
Не менее 1,6 |
Не норми]руется |
|
Не более 16 |
4,2-5,0 |
Не более 16 |
Не более 5 Должен ощущаться при содержании в воз-
духе 0,5% газа
Г л а в а II
Ф и з и ч е с к и е п а р а м е т р ы и з а к о н ы г а з о в о г о с о с т о я н и я
§ II. 1. Параметры состояния газа
Основными параметрами, определяющими состояние* газа, являются давление, температура и плотность или удельный объем.
Давление газа р обусловлено суммой сил ударов беспоря дочно движущихся молекул газа о стенки сосуда, занятого этим газом, и численно равно величине нормальной составляющей силы, действующей на единицу поверхности, с которой соприка сается газ.
p = F /f, |
(Н.1) |
где F — нормальная составляющая силы; / — площадь, |
на ко |
торую действует сила. |
|
Основными единицами измерения давления являются: в си стеме единиц МКГСС (метр, килограмм-сила, секунда) — кило грамм-сила на квадратный метр (кгс/м2); в Международной си стеме единиц СИ — ньютон на квадратный метр (н/м2). Под нью тоном понимается сила, сообщающая находящейся в состоянии покоя массе в 1 кг ускорение 1 м/сек2, т. е. 1 н = 1 кг-1 м/сек2. В практике газоснабжения часто применяются внесистемные еди ницы измерения давления: килограмм-сила на квадратный санти метр (кгс/см2), миллиметр водяного столба (мм вод. ст.), миллиметр ртутного столба (мм рт. ст.). 1 кгс/см2 = 10 000 кгс/м2 = 10 000 мм вод. ст. = 735,56 мм рт. ст. = 98 066,5 н/м2.
Воздух земной атмосферы своей массой оказывает на поверх ность Земли и окружающие предметы давление, называемое атмо сферным, или барометрическим. Величина его в значительной мере зависит от высоты места измерения и температуры воздуха. На уровне моря при температуре 0° С барометрическое давление равно 760 мм рт. ст. Такое давление называют нормальным атмо сферным давлением.
760 мм рт. ст. = 10 330 мм вод. ст. = 1,033 кгс/см2.
17
Если из сосуда удалять воздух, то в нем создается давление ниже атмосферного — разрежение. При полном удалении воз духа из сосуда давление становится равным нулю. Давление, от считываемое от нуля, называется абсолютным (рабс), а давле ние, превышающее атмосферное (барометрическое), — избыточным (Ризб)- В уравнениях, связывающих параметры состояния газа, применяют абсолютное давление; манометры показывают избыточ ное давление.
Рабе = jP6ap“Ь Риэб* (II.2)
При измерениях разрежения (вакуума) соотношение (II.2)
принимает вид |
|
Рабс = Рбар Рвак« |
(II.3) |
Абсолютная тем пература Г, °К, характеризует степень нагретости тела. Измерение температуры можно производить на основании агрегатных изменений вещества под ее воздействием. В частности, в качестве исходных значений, служащих при по строении Международной практической температурной шкалы Цельсия для установления начала отсчета температуры и еди ницы ее измерения — градуса, приняты температура плавления льда (0° С) и кипения воды (100° С) при нормальном атмосферном давлении. Температуры, лежащие выше 0° С, считают положи тельными, а лежащие ниже 0° С — отрицательными. В системе единиц СИ расчеты температуры производятся от абсолютного нуля в градусах термодинамической шкалы Кельвина. Абсолют ный нуль этой шкалы (0° К) характеризуется прекращением теплового движения молекул вещества и соответствует по шкале Цельсия температуре —273,15° С. Таким образом, обе шкалы различаются лишь начальной точкой отсчета, а цена деления (градуса) у них одинакова.
T°K = t° С + 273,15. |
(П.4) |
П лотность р — количество массы вещества в единице объема.
Р = m/V, |
(II.5) |
где т — масса вещества; V — объем вещества. |
|
В системе СИ плотность измеряется в |
килограммах-массы на |
кубический метр (кг/м?). Подставив в формулу (II.5) выражение массы по закону Ньютона и соответствующие размерности, полу
чим, |
что размерность плотности в системе |
единиц МКГСС |
кгс*сек2/м4. При расчетах следует помнить, что |
1 кгс-сек2/м4 ^ |
|
^ 9 ,8 |
кг/м3. |
|
Удельный объем v — объем единицы массы вещества — вели |
||
чина, |
обратная плотности. |
|
|
v = V/m = 1/р. |
(II.6) |
Критические параметры (табл. Н.1) характеризуют критиче ское состояние газа, при котором плотность жидкой и паровой
18
фаз газа одинакова. Сжатием и охлаждением до определенной тем пературы газы могут быть переведены в жидкое состояние. Однако для каждого газа существует определенная критическая темпера тура, выше которой газ никаким давлением не может быть сжижен. Давление, необходимое для сжижения газа при критической тем пературе, называют критическим давлением. Чем температура газа ниже критической, тем при меньшем давлении этот газ может быть сжижен. Объем газа, занимаемый при критических давлении и температуре, называют критическим объемом.
Газ
Т а б л и ц а II.1
Некоторые теплофизические свойства газов
Молекулярная масса, кг |
Плотность при 0° С и 760 мм рт. ст., кг/м* |
Удельная газовая постоянная. кгс-м/(кг-гС) |
Критич<
ей
Q*
1«
щ°
§ О. о * НЕн
Абсолютное я давление ркр, g кгс/см* а
фаметры
о. аX
Л
5
о
Р я
а х
Азот . . |
|
28,02 |
1,25 |
30,30 |
-147,1 |
34,6 |
311 |
Ацетилен |
|
26,04 |
1,17 |
32,59 |
35,7 |
61,6 |
231 |
Водород . . . |
2,02 |
0,09 |
420,60 |
-239,9 |
12,8 |
31 |
|
Воздух (сухой) . |
28,96 |
1,29 |
29,27 |
-140,7 |
37,2 |
320-350 |
|
Двуокись углерода |
44,00 |
1,98 |
19,30 |
31,1 |
75,4 |
460 |
|
Кислород |
. . |
32,00 |
1,43 |
26,50 |
-118,8 |
51,4 |
430 |
Окись углерода |
28,01 |
1,25 |
30,29 |
-139,0 |
35,0 |
311 |
|
Сероводород |
|
34,08 |
1,54 |
24,90 |
100,4 |
188,9 |
— |
Метан |
|
16,04 |
0,72 |
52,90 |
-82,1 |
45,8 |
162 |
Этан . |
|
30,07 |
1,36 |
28,21 |
32,3 |
48,2 |
210 |
Пропан |
|
44,09 |
2,02 |
19,25 |
95,7 |
43,4 |
226 |
Бутан |
|
58,12 |
2,70 |
14,59 |
152,8 |
35,7 |
225 |
Пентан |
|
72,15 |
3,22 |
11,70 |
197,2 |
33,0 |
232 |
Отношение фактических параметров газа р , Т и v к крити ческим ркр, Ткр и i;Kp называют приведенными параметрами состояния газа, т. е.
Рпр = Р/Ркр» ТПр = Т /Т Кр\ vnp = vlvKp, |
(II.7) |
§ II.2. Важнейшие теплофизические свойства
Молекулярная масса М — сумма атомных масс элементов, вхо дящих в состав молекулы. Для грамм-молекулы эта масса выра
жается в граммах (г), для килограмм-молекулы — в килограммах (кг).
Газовая постоянная R — работа 1 кг газа при нагревании его на 1° С при постоянном давлении. Газовая постоянная связы вает основные параметры газа (см. § И.З). В системе единиц
19
МКГСС газовую постоянную измеряют в килограммах-силы-мет- рах на килограммы-массы-градусы Цельсия [кгс*м/(кг*°С)]; в си стеме СИ — в джоулях на килограммы-массы-градусы Кельвина [дж/(кг-°К)]. Удельные газовые постоянные некоторых газов
приведены в |
табл. I I .1. |
|
Удельный |
вес у — сила тяжести единицы объема |
вещества. |
|
V = G/F, |
(II.8) |
где G — сила |
тяжести (вес) вещества; V — объем |
вещества. |
Удельный вес не является постоянной величиной, так как зави сит от переменной величины ускорения свободного падения. Поэтому он не может служить параметром вещества. Это иллю стрируется зависимостыо
7 = Рg, |
(П.9) |
где g — ускорение свободного падения. |
|
Вязкостью называется сила F сопротивления |
скольжению |
или сдвигу, возникающая при перемещении двух смежных слоев газа, пропорциональная изменению (градиенту) скорости вдоль
оси, |
нормальной к потоку газа. |
|
|
F = ц (dw/dy), |
(11.10) |
где |
г] — коэффициент пропорциональности, |
называемый коэф |
фициентом динамической, или абсолютной, вязкости (в дальней шем — динамическая вязкость); dw — градиент скорости в двух соседних слоях, находящихся на расстоянии dy.
В системе единиц МКГСС единица динамической вязкости представляет собой вязкость вещества, в котором при градиенте скорости 1 м/сек на 1 м на каждый квадратный метр действует сила трения, равная 1 кгс, т.-е. размерность вязкости будет в этом случае кгс-сек/м2. В СИ единицей динамической вязкости явля ется 1 н* сек/м2.
Если динамический коэффициент вязкости разделим на плот
ность, то получим коэффициент кинематической |
вязкости |
V = Г|/р. |
(11.11) |
В системах МКГСС и СИ единица кинематической вязкости — 1 м2/сек. Вязкость всех газов и паров повышается с увеличением
их температуры |
и |
давления. |
|
Относительная |
плотность газа (по воздуху) |
s — отношение |
|
плотности газа |
к |
плотности воздуха при нормальных условиях. |
|
|
|
s = р/1,293 = 0,733р. |
(11.12) |
Теплотой сгорания газа называют количество тепла, выделяю щееся при полном сгорании 1 м3 или 1 кг газа. Различают низшую теплоту сгорания, когда не учитывается скрытая теплота, выде
20