Введение Содержание программы

Цели и задачи предмета, связь его с другими предметами. Общее ознакомление с разделами программы и методами их изучения. Структура и динамика развития топливно-энергетического баланса страны и отдельных промышленных районов. Преимущества горючих газов перед другими видами топлива и их недостатки. История развития газовой промышленности.

Единая система газоснабжения и ее структура. Основные положения энергетической программы в частями использования газа как важнейшего компонента энергоресурсов.

Литература: [7], с. 5-6; [10], с. 70-75; [13], с.5-36, [4].

Методические указания

При изучении этой темы следует обратить внимание на связь курса «Основы газоснабжения» с другими специальными предметами. Особое внимание уделить рассмотрению преимуществ и недостатков газового топлива.

Следует познакомиться также с историей развития газовой промышленности, структурой единой газоснабжения.

Вопросы для самопроверки

1. Проанализируйте динамику потребления газа в различных отраслях промышленности,

2. Каковы перспективы развития газовой промышленности?

3. Назовите основные газодобывающие районы страны.

4. Каковы преимущества газового топлива.

5. Каковы недостатки газового топлива.

Раздел I Горючие газы, их свойства, методы получения и хранения

Тема 1.1 Физико-химические свойства и методы получения горючих газов.

Классификация и состав горючих газов. Параметры состояния газа. Понятие о нормальном, стандартном и рабочем состоянии газов. Теплота сгорания газа. Температура воспламенения газов и пределы воспламеняемости. Токсичность и взрывоопасность горючих газов. Одоризация газов.

Искусственные газы, способы получения и сравнение их с природными. Стандарты на горючие газы. ГОСТ 5542-87. Газы горючие природные для промышленного и коммунально-бытового назначения. Технические условия. ГОСТ 20448-80. Газы углеводородные сжиженные топливные для коммунально-бытового потребления. Технические условия.

Литература: [2], § 1.1-1.3; [10], с. 53-69; [11], № 1-32

Методические указания

В результате изучения материалов данной темы следует познакомиться с классификацией горючих газов, горючими и негорючими компонентами (балластом) их, особо отметить вредные примеси, которые могут содержаться в горючих газах. Необходимо рассмотреть основные законы газового состояния:

а) Закон Бойля – Мариотта:

объем данной массы газа и его давление при постоянной температуре находятся в обратно пропорциональной зависимости, т.е.

v₁ p₂

-------- = -------- (при Т = соnst), где

v₂ p₁

v₁ - начальный объем газа, м³

v₂ – конечный объем газа, м³

p₁ – начальное абсолютное давление газа, МПа

p₂ - конечное абсолютное давление газа, МПа;

T - абсолютная температура газа, К.

Отсюда: pv = const при Т = const.

б) Закон Гей-Люссака:

при постоянном давлении объемы одного и тог же количества газа прямо пропорциональны их абсолютным температурам, т.е. при р = соnst

v₂ T₂

-------- = ---------, где

v₁ T₁

v₂ и v₁ - объем газа, м³,

Т₂ и Т₁ – абсолютная температура газа, К.

Отсюда:

v_t = v₀(1 + αt), где

v_t , v₀ – объемы газа при конечной (t⁰C) и начальной температуре (0⁰С); 1

α – термический коэффициент объемного расширения, α =----------град^-1

273,2

в) Закон Шарля:

давление данной массы газа при постоянном объеме прямо пропорционально абсолютной температуре, т.е.: при

р₁ Т₁

-------- = ------- , где

р₂ Т₂

р₁ и р₂ - абсолютные давления газа, МПа;

Т₁ и Т₂ - абсолютные температуры газа, К.

г) Закон Авогадро:

в равных объемах газов при одинаковых температурах и давлениях содержится одинаковое число молекул (или 1 г – моль любого газа при нормальных условиях занимает объем 22,4 л).

д) Уравнение Клайперона-Менделеева:

рv p₁v₁

------- = ---------- = const,

T T₁

рv

Где ------ = R – газовая постоянная

T

Отсюда: рv = RT, где

Р – абсолютное давление газа, Па;

v – объем газа, м³;

Т – абсолютная температура газа, К;

R – универсальная газовая постоянная, R = 8314,3 Дж/(кмоль.град)

Следует познакомиться с формулами приведения объемных количеств газа к нормальным и стандартным условиям.

Нормальными условиями принято считать температуру 0⁰С (273, 2К) и давление 101, 325 кПа.

Стандартные условия: температура 20⁰С, давление 101,325 кПа и влажность,

равная 0.

Формулы приведения объемов газа к различным условиям:

273,2 pt

v₀ = v_t ----------------;

(273,2 + t)р₀

(273,2 + 20) pt

v₂₀ = v_t --------------------, где

(273,2 + t) p₀

v₀ – объем газа при нормальных условиях, м³

v_t – объем газа при заданном давлении и температуре t⁰С

p_t – давление газа при температуре t⁰C? кПа

p₀ – давление газа при нормальных условиях; кПа

273,2 – нормальная температура, К

v₂₀ – объем газа при стандартных условиях; м³

Учащиеся должны знать основные физико-химические свойства отдельных газов и их смесей.

а) Плотность и удельный вес газов.

Плотностью газа называется отношение массы его в состоянии покоя к объему.

m

ρ = -------, кr/м³

v

где ρ –плотность, кг/м³

m – масса газа, кг

v – объем газа, м³

Удельный вес газа:

G

j = ------, где

v

G – вес газа, Н

v – объем газа, м³

Плотность и удельный вес связаны между собой следующим соотношением:

G

ρ = --------, кг/м³

g

В системе СИ не имеется понятия удельного веса, как силы притяжения единицы объема вещества к земле. В связи с этим в расчетах при необходимости лучше применять произведение плотности на ускорение силы тяжести: ρ

Плотность газа при нормальных условиях:

М M

ρ₀ = -------- = -------- кг/м³, где

v₀ 22,4

М – масса I кмоля газа, кг.

Относительная плотность – отношение плотности газа к плотности воздуха:

ρ ρ₂

Ρ = -------- = ------------, где

ρ_в 1,293

Ρ – относительная плотность газа, ρ₂ – плотность газа, кг/м³

ρ_в – плотность воздуха; ρ_в = 1,293 кг/м³

Плотность газа при условиях, отличных от нормальных:

РТ₀

ρ = ρ₀ -----------, кг/м³, где

Р₀ТК_с

Р – давление газа при заданных условиях, кПа,

Р₀ – нормальное давление газа, кПа

Т – температура газа при заданных условиях

Т₀ – нормальная температура газа, К

К_С – применяют равным единице.

РV

К_с = ---------

RT

Плотность газовой cмеси

ρ₀^см = ρ₁r₁ + ρ₂r₂ + … + ρ_nr_n, кг/м³,

где ρ_1, ρ_2, …ρ_n - плотности отдельных компонентов газовой смеси, кг/м³,

r₁, r₂, … r_n – объемные доли компонентов.

Плотность природного газа можно определить по выражению [11]:

ρ₀^см = 0,625 n + 0,09 кг/м³,

где n углеродное число для смеси метанового ряда и балласта Б = СО₂ + N₂

Углеродное число определяется по выражению [11]:

1CH₄ + 2C₂H₆+ 3C₃H₃ + ….

n = --------------------------------------, где

100 – Б

CH₄ C₂H₆ C₃H₃ , … содержание компонентов в объемных процентах

б) Теплоемкость газов

Удельной теплоемкостью называется количество теплоты, поглощаемой единицей количества газа при нагревании его 1⁰С.

Если за единицу количества выбрать 1 кг, удельная теплоемкость называется массовой [кДж/кг. К]

Теплоемкость, отнесенная к молю, называется молярной [кДж/кмоль. К].

Если единицей количества газа служит объем, теплоемкость называется объемной [кДж/м³. К]

Для идеальных газов

С_р – С_v = R, где R – универсальная газовая постоянная

R = 8314,3 Дж/(кмоль К)

Удельные массовые теплоемкости идеального газа при постоянном давлении С_р и при постоянном объеме С_v определяются по выражениям:

i + 2 i

С_р = --------- R; С_v = ---------- R, где

2M 2M

i – число степеней свободы молекул (для одноатомных газов i = 3; двухатомных i = 5 и для трех – и многоатомных i = 6)

М – масса 1 кмоля газа;

R – универсальная газовая постоянная.

Теплоемкость смеси газов может быть определена по формуле:

С = Σ r_i c_i , где

r_i - объмная доля i-го компонента,

С_i – теплоемкость i-го компонента

В пределах температур от Т₁ до Т₂ может быть определена средняя теплоемкость газа

Q

С_ср = --------------, где

T₂ – T₁

Q – количество теплоты, сообщенной 1 кг газа;

Т₂ и Т₁ – конечная и начальная температура газа..

Для природного газа среднюю теплоемкость можно определить через углеродное число:

С_ср = 0,,, 9775 n + 0,658, кДж/м³

в) Теплота сгорания газа

Теплота сгорания – это количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании 1 км³ или 1 кг газа.

Различают высшую и низшую теплоту сгорания

Высшая теплота сгорания газа показывает: какое количество теплоты выделяется при полном сгорании 1 м³ газа при нормальных условиях с учетом теплоты водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания.

Низшая теплота сгорания показывает количество выделившейся теплоты без учета теплоты водяных

Q_н = Q_в – 2514 ρ_n v_n, где

Q_н – низшая теплота сгорания газа, кДж/мм³;

Q_в – высшая теплота сгорания газа, кДж/мм³,

2514 – количество теплоты в кДж на 1 кг водяных паров;

ρ_n – плотность водяных паров, кг/м³

v_n – объем водяных паров, образующихся при сжигании 1 мм³ газа.

Если известен состав газа, то его теплоту сгорания можно определить по следующим зависимостям:

Q_н = 108 Н₂ + 126 СО + 358 СН₄ + 640 С₂Н₆ + 930 С₃Н₈ +

+ 1200С₄Н₁₀ + 590 С₂Н₄ + 860С₃Н₆ + 1140 С₄Н₈ + 230 Н₂s_, кДж/нм³

Теплоту сгорания природного газа можно определять через углеродное число:

Q_P^Н = 27654 n + 8170 кДж/нм³

г) Пределы воспламеняемости

Различают нижний и верхний пределы воспламеняемости.

Минимальное одержание газа в газовоздушной смеси, выраженное в объемных процентах, при котором происходит воспламенение, называется нижним пределом воспламеняемости.

Максимальное содержание газа в газовоздушной смеси, выше которого не воспламеняется без подвода дополнительного тепла, называется верхним пределом воспламеняемости.

Пределы воспламеняемости определяются по выражению:

100

L = -------------------------------------------------- , % где

] r₁ r₂ r_n

-------- + -------- + ………… + --------

l₁ l₂ l_n

r₁ , r₂ , r₃ , …………r_n-процентное содержание по объему газа в смеси;

l₁, l₂,……………l_n - низший (высший) предел воспламеняемости каждого отдельного газа.

д) Тепловой эквивалент

Для удобства сравнения различных видов топлива введено понятие условного топлива, теплота сгорания которого принимается равной 29288 кДж/кг.

Величина, показывающая, во сколько раз теплота сгорания данного газа больше теплоты сгорания условного топлива, называется тепловым эквивалентом.

Q_р^н

Э = -------------, где кг уm/нм³ газа

292888

Необходимо познакомиться также с температурой воспламенения газа, ее зависимостью от различных факторов, влажностью газа.

Учащиеся должны изучить схему установки для одоризации газа, требования, предъявляемые к одорантам.

Необходимо познакомиться с методами получения искусственных газов: сухая перегонка твердого топлива, газификация, пиролиз мазута, а также с характеристиками искусственных газов, сравнить их с природными.

Учащиеся должны знать требования ГОСТ 55 42 – 87 и ГОСТ 20448 –80, предъявляемые к горючим газам.