Тепловые свойства природных газов

Теплоемкость природного газа

Удельной теплоемкостью называется количество теплоты, которое необходимо подвести к единице массы вещества, чтобы изменить его температуру на 1 градус.

Для газов различают удельные теплоемкости: изобарную с_р (р=const) и изохорную с_v (v=const)

Изобарная молярная теплоемкость природных газов определяется по формуле:

с_р0=0,523(8,36+0,00892t)М_i^3/4, (2.10)

где t-температура, С; М_i-молекулярная масса I-го компонента природного газа.

Тогда для смеси газов формула (17) преобразуется следующим образом:

, (2.11)

где y_i-молярная доля I-го компонента в смеси, с_рi-изобарная молярная теплоемкость I-го компонента.

Изобарная молярная теплоемкость реальных природных газов зависит от давления и от температуры с_р=с_р0(t)+c_p(P,t), (2.12)

где c_p(P,t)-изотермическая поправка теплоемкости на давление, ее можно определить по номограмме в зависимости от приведенных параметров.

Для приближенных расчетов при 0,02≤Р_пр≤4, 1,3≤Т_пр≤2,5

c₀=32,600Р_пр/Т_пр⁴ кДж/(кмоль∙К) (2.13)

Теплоемкость неуглеводородных компонентов (N₂, H₂S и СО₂) примерно равна 0,5 теплоемкости углеводорода с одинаковой молярной массой.

Теплотоворная способность или теплота сгорания – количество тепла, выделяемое при сгорании при определенных условиях (чаще всего при Р=0,013 МПа и Т=288К). Единицы измерения - МДж/кг, МДж/м³ (ккал/кг, ккал/м³). Различают высшую и низшую теплоту сгорания. Для получения низшей теплоты сгорания из высшей вычитают тепло, расходуемое на испарение гигроскопической воды. Присутствие в смеси инертных газов понижает теплоту сгорания. При сгорании 1кг каменного угля выделяется 9 ккал, 1кг нефти – 11 ккал, 1м³ газа - 7 ккал.

Дросселирование– расширение газа при прохождении через дроссель — местное гидравлическое сопротивление (вентиль, кран, сужение трубопровода и т.д.), сопровождающееся изменением температуры. Дросселирование – термодинамический процесс, характеризующийся постоянством энтальпии (i = const). В процессе дросселирования реального природного газа при его движении через штуцер, задвижку, регулятор давления, клапан-отсекатель, колонны труб в скважине, неплотности в оборудовании промыслов уменьшается температура газа.

Изменение температуры газов и жидкостей при изоэнтальпийном расширении называется эффектом Джоуля-Томсона или дроссель-эффектом, а D_iчасто называют коэффициентом Джоуля-Томсона.

D_i = (Т/р)_i= [T (V/Т)_p –V]/с_p, илиD_i = Т/ Р, (2.14)

где Т – изменение температуры, а Р- изменение давления. Среднее значение коэффициента Джоуля—Томсона для природ­ного газа изменяется от 2 до 4 К/МПа в зависимости от составагаза, падения давления и начальной температуры газа. Для приближенных расчетов среднее значение коэффициента Джоуля—Томсона можно принимать равным 3 К/МПа. У жидко­стей D_i, <;0, поэтому при дросселировании они нагреваются. Для наибольшего снижения температуры газа в штуцере необходимо удалять жидкость из газового потока до его поступления в штуцер.Среднее значение коэффициента Джоуля—Томсона для нефти изменяется от 0,4 до 0,6 К/МПа, для воды оно составляет 0,235 К/МПа.

41. Как определить плотность и относительную плотность природного газа?

1 Плотность газа₀ в нормальных физических условиях (Р₀-0,1013 МПа и Т₀=273 К) можно определить по формуле:

, (2.1)

где М - молекулярная масса.

Если задана плотность газа при нормальных условиях (н.у.), можно определить относительную плотность газа, как отношение плотности газа к плотности воздуха (плотность воздуха при н.у. равна 1,293 кг/м³):

. (2.2)

Коммерческие расчеты в газовой промышленности проводят при стандартных условиях (Р_ст=0,1013 МПа, Т_ст=293 К). В некоторых странах, в т. ч. в США Т_ст принята равной 288 К (15С).

Природные газы представляют собой смесь компонентов, поэтому если известен молярный состав смеси в процентах, то среднюю молекулярную массу вычисляют по формуле:

(2.3)

где у₁, у₂,…,у_n-молярные (объемные) доли компонентов, %; М₁, М₂,…, М_n-молекулярные массы компонентов.

Плотность природного газа при заданном давлении и температуре определяется по формуле: , (2.4)

где ₀ - плотность газа при нормальных условиях –н.у. (Р₀=0,1013 МПа; Т₀=273 К); z₀, z-коэффициенты сверхсжимаемости при н.у. и при заданных условиях.Коэффициент сверхсжимаемости характеризует отклонение реального газа от законов идеального газа. При н.у. z₀ 1.

Плотность углеводородного конденсата

Если дан массовый или молярный состав газа, то содержание в нем тяжелых углеводородов (пропановой фракции, бутановой фракции и газового бензина) определяется по формуле: А= 10 g_см =10у, (2.5 )

где g –массовое содержание данного тяжелого углеводорода в газе, %; _см – средняя плотность природного газа (смеси газов), кг/м³; у – молярное содержание данного тяжелого компонента в газе;  - плотность данного тяжелого компонента, кг/м³. Считают, что в газовый бензин целиком переходит пентан плюс вышекипящие и часть нормального бутана.

Средняя плотность жидкой смеси определяется по формуле:

, (2.6)

где g- массовое содержание компонентов жидкой смеси, %; М – молекулярные массы компонентов;  - плотности компонентов жидкой смеси, кг/м³.

42. Что такое вязкость природных газов и как она зависит от давления, температуры и состава газа? Какие существуют методы определения вязкости природных газов?