2. 1 Властивості природного газу та скраплених вуглеводневих газів Властивості природного газу
Природний газ - це суміш вуглеводневих газів. Склад природного газу визначається типом родовища, де він видобувається. Якщо природний газ видобувають на газовому родовищі, то він здебільшого складається з метану з невеликою кількістю домішок етану, пропану і бутану. Продукт видобутку газоконденсатних родовищ містить не тільки метан, але й значну кількість етану, пропану, бутану та інших більш важких вуглеводнів аж до бензинових фракцій.
Зазвичай природний газ містить такі горючі компоненти:
- метан (СН4);
- етан (С2Н6);
- пропан (С3Н8);
- бутан (С4Н10);
- пентан (С5Н12) та інші більш важкі вуглеводневі гази. Крім горючих компонентів, природний газ містить неве лику частку азоту, вуглекислого газу та води.
Газ, що використовується для газопостачання, здебільшого містить як основний компонент метан (90 % і більше).
При гідравлічних розрахунках мереж газопостачання широко використовується поняття витрати газу.
Масова витрата газу М- це маса газу, що проходить через довільний переріз трубопроводу за одиницю часу.
Об'ємна витрата газу Q- це об'єм газу, що проходить через довільний переріз трубопроводу за одиницю часу.
Масова і об'ємна витрати газу пов'язані між собою через густину газу p
М=Q p (1.1)
Одиниці вимірювання витрати у міжнародній системі одиниць - системі SІ такі:
об’ємної
,
масової
.
Згідно з ДБН.В.2-5-20-2001 витрату газу в елементах систем газопостачання населених пунктів необхідно вимірювати в об'ємних одиницях, які зводяться до нормальних фізичних умов. Слід відзначити, що при магістральному транспорті газу витрату газу прийнято вимірювати в об'ємних одиницях, які зведені до стандартних умов.
Нормальні умови- це температура 0 °С (273,15 К) і тиск 101325 Па (101,3 кПа).
Стандартні умови - це температура 20 °С (293,15 К) і тиск 101325 Па (101,3 кПа).
При експлуатації систем газопостачання необхідно визначати параметри стану природного газу за умов транспортування, зберігання та розподілу.
Для проведення термодинамічних і гідравлічних розрахунків елементів систем газопостачання часто виникає потреба у знаходженні властивостей суміші вуглеводнів за характеристиками її індивідуальних складових.
Масовою концентрацією і - ого компонента суміші газів gі називають відношення маси цього компонента до маси суміші.
Молярною концентрацією і - ого компонента суміші газів ті називають відношення кількості молів цього компонента до кількості молів суміші.
Об'ємною концентрацією і - ого компонента суміші газів rі називають відношення об'єму компонента за тиску і температури суміші до об'єму суміші.
Для ідеальних газів за законом Авогадро об'єм одного моля не залежить від природи газу і визначається параметрами його фізичного стану (тиском і температурою). Звідси випливає, що молярні концентрації компонентів сумішей ідеальних газів тотожні їх об'ємним концентраціям.
При експлуатації систем газопостачання для вирішення низки практичних питань необхідно розраховувати параметри стану природного газу за умов його транспортування, зберігання та реалізації.
Рівняння стану ідеального газу - рівняння Клапейрона має такий вигляд:
, (1.2)
де Р - абсолютний тиск газу; р - густина газу за тиску Р і температури Т; R - газова стала; Т - термодинамічна температура газу (температура газу за шкалою Кельвіна).
Одиниця вимірювання газової сталої у міжнародній системі одиниць Значення газової сталої для низки газів наведені в таблиці 1.1.
Суміш ідеальних газів, які не вступають між собою в хімічні сполуки, веде себе як ідеальний газ і також описується рівнянням (2.1).
Природний газ - це суміш реальних вуглеводневих газів. Параметри стану реального газу визначаються з урахуванням сил взаємодії молекул та об'єму, який вони займають. Нехтування реальними властивостями природного газу при проведенні технологічних розрахунків елементів систем газопостачання може призвести до значних похибок результатів.
Для врахування реальності природного газу в рівняння Клапейрона вводиться емпіричний поправочний коефіцієнт — коефіцієнт стисливості газу z, і рівняння (1.2) для реального газу зводиться до такого вигляду:
=
zКТ. (1.3)
Тиск - один з основних параметрів, що характеризують режим роботи систем газопостачання. Для характеристики стану газу використовують поняття абсолютного тиску Рабс.
Рабс=Рнад+Рб, (1.4)
де Рнад - надлишковий тиск газу, величина якого може бути виміряна манометром, Рб - тиск, що створений земною атмосферою, вимірюється барометром.
Таблиця 1.1- Фізико-хімічні властивості вуглеводневих та деяких інших газів
Показник |
Метан |
Етан |
Етилен |
Пропан |
Пропілен |
н-Бу-тан |
Ізобутан |
н-Бу-тилен |
Ізобутилен |
н-Пен-тан |
Хімічна формула
|
СН4 |
С2Н6 |
С2Н4 |
СзН8 |
СзН6 |
С4Н10 |
С4Н10 |
С4Н8 |
С4Н8 |
С5Н12 |
Молекулярна маса |
16,043 |
30,068 |
28,054 |
44,097 |
42,081 |
58,124 |
58,124 |
56,108 |
56,104 |
72,146 |
Густина газової фази, кг/м3: за 0°С і 101,3 кПа за 20 °С і 101,3 кПа |
0,717 0,668 |
1,356 1,263 |
1,260 1,174 |
2,004 1,872 |
1,915 1,784 |
2,702 2,519 |
2,685 2,486 |
2,550 2,329 |
2,502 2,329 |
3,457 3,221 |
Густина рідкої фази, кг/м3 при за 0°С 101,3 кПа |
0,416 |
0,546 |
0,566 |
0,528 |
0,609 |
0,601 |
0,582 |
0,646 |
0,646 |
0,646 |
Відносна густина газу |
0,5544 |
1,0487 |
0,9753 |
1,5545 |
1,4811 |
2,0995 |
2,0634 |
1,9336 |
1,9336 |
2,6736 |
Газова стала, Дж/(кг·К) |
518,04 |
271,18 |
261,26 |
184,92 |
193,77 |
140,30 |
140,30 |
145,33 |
145,33 |
113,01 |
Температура кипіння за тиску 101,3 кПа, °С |
-161 |
-88,6 |
-104 |
-42,1 |
-47,7 |
-0,5 |
-11,7 |
-6,9 |
3,7 |
36,1 |
Температура критична, °С |
-82,5 |
+32,3 |
+9,9 |
+96,8 |
+91,9 |
+152,0 |
+135,0 |
+144,4 |
155,0 |
196,6 |
Тиск критичний, МПа |
4,58 |
4,82 |
5,03 |
4,21 |
4,54 |
3,75 |
3,60 |
3,95 |
4,10 |
3,33 |
Теплота згоряння, МДж/м3: вища нижча |
39,93 35,76 |
69,69 63,65 |
63,04 59,53 |
99,17 91,14 |
91,95 86,49 |
128,50 118,53 |
128,28 118,23 |
121,40 113,83 |
121,40 113,83 |
158,00 146,18 |
Продовження таблиці 1.1
Показник |
Метан |
Етан |
Етилен |
Пропан |
Пропілен |
н-Бу-тан |
Ізобутан |
н-Бу-тилен |
Ізобутилен |
н-Пен-тан |
Теплота згорання. МДж/кг: вища нижча |
55,56 50,08 |
51,92 47,42 |
51,24 47,23 |
50,37 46,30 |
49,95 46,04 |
49,57 45,76 |
49,45 45,68 |
9,31 45,45 |
49,31 45,45 |
49,20 45,38 |
Число Воббе, МДж/м3: вище нижче |
53,30 48,23 |
68,12 62,45 |
64,03 60,03 |
79,80 73,41 |
75,72 70,92 |
89,18 82,41 |
93,53 86,43 |
87,64 81,94 |
87,64 81,94 |
93,73 86,56 |
Питома теплоємність, кДж/(кг ºС), за 0ºС і: сталого тиску сталого об'єму |
2,1714 1,6548 |
1,6506 1,3734 |
1,4658 1,1634 |
1,5540 1,3650 |
1,4322 1,2220 |
1,5960 1,4574 |
1,5960 1,4574 |
1,4868 1,3398 |
1,6044 1,4450 |
1,6002 1,4240 |
Питома теплоємність рідкої фази, кДж/(кг °С), за 0 °С і 101,3 кПа |
3,46 |
3,01 |
2,42 |
2,23 |
- |
2,24 |
2,24 |
- |
- |
2,67 |
Показник адіабати за 0 °С і 103,3 кПа |
3,32 |
1,20 |
1,26 |
1,14 |
1,17 |
1,10 |
1,10 |
1,11 |
1,11 |
1,12 |
Прихована теплота випаровування за 101,3 кПа: кДж/кг кДж/л |
512,4 - |
487,2 230,2 |
483,0 221,8 |
428,4 220,1 |
441,0 241,1 |
390,6 229,7 |
383,2 215,0 |
411,6 255,4 |
299,0 239,4 |
361,2 - |
Об'єм парів з 1 кг скраплених газів за нормальних умов (за 0 °С і 101,3 кПа), м3 |
- |
0,75 |
0,80 |
0,51 |
0,52 |
0,39 |
0,39 |
0,40 |
0,40 |
0,31 |
Об'єм парів з 1 л скраплених газів за нормальних умов (за 0 °С і 101,3 кПа), м3 |
- |
0,31 |
0,34 |
0,27 |
0,29 |
0,24 |
0,23 |
0,25 |
0,25 |
0,20 |
Динамічна в'язкість за нормальних умов: парової фази η·107, Па·с рідкої фази η·106, Па·с |
103,0 66,4 |
84,6 162,7 |
94,3 - |
73,6 135,2 |
75,0 - |
62,9 210,8 |
73,9 188,1 |
76,2 - |
80,0 - |
69,9 284,2 |
Кінематична в'язкість за нормальних умов ν·106, м2/с |
14,71 |
6,45 |
7,55 |
3,82 |
4,11 |
1,55 |
2,86 |
3,12 |
3,18 |
2,18 |
Продовження таблиці 1.1
Концентраційні межі спалахування газів у суміші з повітрям за 0 °С і 101,3 кПа, відсотки об'ємні: нижня верхня |
5,0 15,0 |
3,0 12,5 |
3,0 32,0 |
2,0 9,5 |
2,0 11,0 |
1,7 8,5 |
1,7 8,5 |
1,7 9,0 |
1,7 8,9 |
1,4 8,0 |
Коефіцієнт теплопровідності за 0 °С і 101,3 кПа, Вт/(м·°С): парова фаза рідка фаза |
0,032 0,306 |
0,019 0,189 |
0,016 - |
0,015 0,126 |
- - |
0,013 0,132 |
0,014 0,128 |
- - |
- - |
0,043 0,136 |
Відношення об'єму газу до об'єму рідини за температури кипіння і тиску 101,3 кПа |
580 |
403 |
450 |
290 |
318 |
222 |
222 |
258 |
258 |
198 |
Октанове число |
110 |
125 |
100 |
125 |
115 |
91 |
99 |
80 |
87 |
64 |
Розчинність газу у воді, м3/м3, за 0ºС 101,3 кПа |
0,056 |
0,099 |
0,226 |
- |
0,5 |
- |
- |
- |
- |
- |
Температура спалахування, °С |
545-800 |
530-694 |
510- 543 |
504-588 |
455-550 |
430-569 |
490-570 |
440-500 |
400-440 |
284-510 |
Об'єм продуктів згоряння, м3/м3: СО2 Н2О N2 разом |
1,0 2,0 7,52
10,52 |
2,0 3,0 13,16
18,16 |
2,0 2,0 11,28
15,28 |
3,0 4,0 18,8
25,8 |
3,0 3,0 16,92
22,92 |
4,0 5,0 24,44
33,44 |
4,0 5,0 24,44
33,44 |
4,0 4,4 20,68
28,68 |
4,0 4,4 20,68
28,68 |
5,0 6,0 30,08
41,08 |
Продовження таблиці 1.1
Показник |
Азот |
Повітря |
Водяний пар |
Двоокис вуглецю |
Кисень |
Водень |
Оксид вуглецю |
Хімічна формула |
N2 |
- |
Н2О |
СО2 |
Q2 |
Н2 |
СО |
Молекулярна маса |
28,013 |
28,96 |
18,016 |
44,011 |
32,00 |
2,016 |
28,011 |
Густина газової фази, кг/м3: за 0 °С і 101,3 кПа за 20°С і 101,3 кПа |
1,251 1,166 |
1,293 1,205 |
0,804 0,750 |
1,977 1,842 |
1,429 1,331 |
0,090 0,084 |
1,250 1,165 |
Відносна густина газу |
0,9675 |
1,000 |
0,6219 |
1,5290 |
1,1050 |
0,0695 |
0,9667 |
Газова стала,Дж/(кг·К) |
296,65 |
281,53 |
452,57 |
185,26 |
259,70 |
4122,2 |
291,1 |
Температура кипіння за тиску 101,3 кПа, °С |
-195,8 |
-195 |
+100 |
-78,5 |
-183 |
-253 |
-192 |
Температура критична, °С |
-146,8 |
-139,2 |
+374,3 |
+31,8 |
-118,4 |
-240,2 |
-140 |
Тиск критичний, МПа |
3,35 |
3,84 |
22,56 |
7,53 |
5,01 |
1,28 |
3,45 |
Теплота згоряння, МДж/м3: вища нижча |
- - |
- - |
- - |
- - |
- - |
12,8 10,8 |
12,7 12,7 |
Теплота згоряння. МДж/к: вища нижча |
- - |
- - |
- - |
- - |
- - |
141,9 120,1 |
10,1 10,1 |
Число Воббе, МДж/м3: вище нижче |
- - |
- - |
- - |
- - |
- - |
48,5 41,0 |
12,9 12,9 |
Питома теплоємність, кДж/(кг·°С), за 0°С і: сталого тиску сталого об'єму |
1,0420 0,7434 |
1,0080 0,7182 |
1,8650 1,4028 |
0,8190 0,6300 |
0,9198 0,6552 |
14,2380 10,0970 |
1,0416 0,7434 |
Показник адіабати за 0 °С і 101,3 кПа |
1,40 |
1,40 |
1,33 |
1,31 |
1,40 |
1,41 |
1,40 |
Динамічна в'язкість за нормальних умов: парової фази η·107 |
165,9 |
171,8 |
90,4 |
138,1 |
192,7 |
83,4 |
166,0 |
Кінематична в'язкість за нормальних умов ν·106, м2/с |
13,55 |
13,56 |
14,80 |
7,10 |
13,73 |
93,80 |
3,55 |
Концентраційні межі спалахування газів у суміші з повітрям за 0 °С і 101,3 кПа, відсотки об'ємні: Нижня верхня |
- - |
- - |
- - |
- - |
- - |
4,0 75,0 |
12,5 74,0 |
Коефіцієнт теплопровідності за 0º01,33 кПа,Вт/(м·°С): парова фаза |
0,0243 |
0,0244 |
0,2373 |
0,0147 |
0,0247 |
0,1721 |
0,0233 |
Розчинність газу у воді, м3/м3 за 0ºС 101,3 кПа |
0,024 |
0,029 |
- |
1,713 |
0,049 |
0,021 |
0,035 |
Температура спалахування, °С |
- |
- |
- |
- |
- |
410-590 |
610-658 |
Об'єм продуктів згоряння, м3/м3: СО2 Н2О Н2 разом |
- |
- |
- |
- |
- |
-
1,0 1,88 2,88 |
1,0 - 1,88 2,88 |