2.2.5 Опасные свойства природного газа

Токсичность

С увеличением молекулярной массы предельных углеводоро­дов их токсические свойства возрастают. Санитарными нормами проектирования промышленных предприятий предусмотрена в рабочей зоне производственных помещений предельно допустимая концентрация углеводородов (паров бензина), равная 0,3 мг/дм3. Из газовых компонентов природных и нефтяных газов осо­бенно токсичен сероводород.  Сероводород — бесцветный газ. Относительная плотность его по воздуху 1,19. Человек чувст­вует сероводород (запах тухлых яиц) даже при содержании его в воздухе 0,0014—0,0023 мг/дм3. Однако даже при непро­должительном пребывании человека в сероводородной среде его обоняние притупляется. Сероводород является ядом, вызы­вающим паралич органов дыхания и сердца. Предельно допустимая концентрация се­роводорода в рабочей зоне производственных помещений —0,01 мг/дм3. Углекислый газ — бесцветный, практически без запаха. Об­щий характер действия на организм — наркотический и раздра­жающий кожу и слизистые оболочки. В высоких концентраци­ях вызывает быстрое удушье вследствие недостатка кислорода. При содержании 4—5% углекислого газа в воздухе у чело­века раздражается слизистая оболочка дыхательных путей и глаз, появляются кашель, головокружение, повышается кровя­ное давление. При вдыхании весьма высоких концентраций уг­лекислого газа наступает смерть от остановки дыхания (при 20% газа в воздухе смерть наступает через несколько секунд).

Способность к об­разованию взрывоопасных смесей

Природные углеводородные газы образуют взры­воопасные смеси с воздухом.  Для каждых данных условий существуют два предела взрываемости газовоздушных смесей:

1)    нижний предел соответствует минимальной концентрации горючего газа, при которой горение еще возможно;

2)    верхний предел соответствует максиму­му этой концентрации.

С повышением давления смеси значительно возрастают пре­делы ее взрываемости. Горение и взрыв — однотипные химиче­ские процессы, но резко отличающиеся по интенсивности проте­кающей реакции. При взрыве реакция происходит очень быстро в замкнутом пространстве без доступа воздуха к очагу вос­пламенения взрывоопасной газовоздушной смеси. Скорость распространения детонационной волны горения при взрыве (900—3000 м/с) в несколько раз превышает ско­рость звука в воздухе при комнатной температуре. Сила взры­ва максимальна, когда содержание воздуха в смеси становится теоретически необходимым для полного сгорания. При концентрации газа в воздухе в пределах воспламенения и при наличии источника воспламенения произойдет взрыв; если  же  содержание  газа  в  воздухе  меньше  нижнего  и  больше верхнего пределов  воспламенения, то смесь  не способна  взорваться.

 

2.3 Уравнения состояния реальных газов

Обобщенный закон Клайперона – Менделеева – уравнение состояния идеальных газов.

                                             PV = mRT,                                      (2.16)

где Р- абсолютное давление6 давление, Па; V – объем, м³; m –масса газа, кг; Т – абсолютная температура, К;  R – универсальная  газовая постоянная,  Дж/ кг К , (   8314,3 Дж/мольК).

 Для идеального газа       отношение    PV/ mRT  =z =1,  или  для единицы массы PV=zRT,  где z – коэффициент сверхсжимаемости реального газа, характеризующий отклонение  газа от идеального, т.е. чем больше отклонение от идеального газа, тем больше z  отлично от 1.

Прогресс науки и техники потребовал разработки более точного уравнения состояния природных газов, способного правильно описывать изменение их свойств при давлениях до 100 МПа и температурах до 573 К в процессах добычи газа и при давлениях до 20 МПа и низких температурах (до 93 К) в процессах переработки природных газов.

 В решении этой проблемы выяви­лись два направления:

-            добавление в уравнение состояния идеального газа большего числа констант.

-            введение поправочного коэффициента z, учитывающего отклонение реального газа от идеального, в уравнении состояния идеального газа (коэффициента сверхсжимаемости).

Уравнение Ван-дер-Ваальса

В 1879г. голландский физик Ван-дер-Ваальс предложил учесть  силы взаимодействия и объем молекул следующим образом:

                                     ,                                  (2.17)

где    - константа сцепления молекул, Па; v =V/ m - удельный объем газа, м³/ кг;   b - поправка на собственный объем молекул (при шарообразных молекулах это учетверенный объем молекул,    выражает внутреннее давление (равнодействующая сил притяжения всех молекул объема V).      ;                      .                             (2.18)

Уравнение состояния Ван-дер-Ваальса  довольно точно описывает из­менение свойств реальных газов при давлениях до 10 МПа и тем­пературах от 283 до 293 К.

 

Коэффициент сверхсжимаемости природных газов

Коэффициент сверхсжимаемости учитывает отклонение свойств реального газа от идеального. В уравнении Клайперона – Менделеева  PV=zRT для идеального газа z=1.

При  определении коэффициента сверхсжимаемости используются понятия «приведенные и критические параметры газа»

Т_{кр -} критическая температура чистого вещества это максимальная температура, при которой жидкая и паровая фазы могут существовать в равновесии или та температура при которой средняя молекулярная кинетическая энергия  становится равной потенциальной энергии притяжения молекул. Выше этой температуры газ ни при каком давлении не может перейти в жидкость. Давление паров вещества при критической температуре называетсякритическим давлением (Р_к )

Для смеси газов вводится понятие псевдокритических (или среднекритических параметров)  Р_кр.см =   у_i  Р _кр  i ; Т _кр.см =   у i Т_крi, где у–_i    молярная доля i-го компонента в смеси газов; Р_кр.i, Т_кр.i–критическое давление и критическая температура i-го компонента, n–число компонентов смеси.

                                                              (2.19)

 Если состав газоконденсатной смеси неизвестен, а измерена ее относительная плотность по воздуху 0,56 1, то псевдокритические параметры определяют по формулам:

Р_кр=0,1(55,3-10,4 ^1/2 ),                                                 (2.20)

Т_кр=12+238 ^1/2.                                                           (2.21)

Д.Браун и Д.Катц установили зависимость z от приведенного давления и приведенной температуры ( Р_пр и Т_пр)  и построили  графики для нахождения  коэффициента сверхсжимаемости z . Этот  метод является одним из наиболее распространенных методов определения коэффициента сверхсжимаемости.   При наличии неуглеводородных компонентов (N₂, H₂S, CO₂) следует вводить поправку  z=y_az_a+(1-у_a)z_y,  где z_a, z_y–коэффициенты сверхсжимаемости азота и углеводородной части смеси газов; y_a–молярная доля азота в смеси.

 

Осн: 1[12-16,20-43], 2[3-15]

Доп: 9[9-21], 11[4-14], 16[27-33].

Контрольные вопросы:

1.     Охарактеризуйте состав природных газов

2.      Классификация природных газов.

3.     Виды вязкости природных газов

4.     Относительная плотность природного газа.

5.     Какие  тепловые свойства природных газов Вы знаете?

6.     Как происходит дросселирование природных газов?

7.     Опасные свойства природного газа

8.     Критические и приведенные параметры многокомпонентных смесей.

9.     Напишите уравнения состояния реальных газов Клайперона-Менделеева и  Ван–дер- Ваальса.

10.                       Что характеризует коэффициент сверхсжимаемости природных газов?

 

Лекция 3.  ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ РАЗРАБОТКИ ГАЗОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ.