2146

токсичны. Их физические свойства зависят от величины молекулярной массы µ.

Чем больше µ , тем выше плотность тяжелых углеводородов, больше теплотворная способность, больше требуется воздуха для сжигания 1 м3 тяжелых углеводородов.

К непредельным тяжелым углеводородным газам (СnH2n) относятся: этилен (С2Н4), пропилен (С3Н6), бутилен (С4Н8). Их свойства изменяются с увеличением µ так же, как и у тяжелых углеводородов.

Таблица 1.3

Физические характеристики газов

Негорючие (балластные) газы.

1. Азот (N2) – инертный газ без цвета, запаха и вкуса. На долю азота в воздухе приходится 79 % .

9

До температур 1400 0С азот не реагирует с воздухом, а при более высоких температурах образует оксиды азота, которые оказывают более вредное воздействие на человека, чем оксид углерода. Предельно допустимая норма оксидов азота в атмосферном воздухе 0,085 мг/м3.

2.Диоксид углерода (СО2) является инертным газом со слегка кисловатым запахом и вкусом.

3.Кислород (О2) входит в состав атмосферного воздуха в виде второй составляющей в количестве 21 %.

Примеси. Концентрация водяных паров (Н2О) в природном газе, подаваемом бытовым и промышленным потребителям, не должна превышать

500−1000 г на 100 м3 природного газа.

Сероводород (Н2S) – бесцветный газ, имеющий запах испорченных яиц, является ядом и оказывает раздражающее действие на дыхательные пути и глаза. Н2S – коррозионно-агрессивный газ.

Воспламенение газов. Воспламенение газов может происходить только в том случае, если их содержание в газовоздушной смеси находится в определенных пределах, которые называются пределами воспламеняемости или взрываемости.

Существует верхний и нижний пределы воспламеняемости. Например, для метана нижний предел составляет ~ 5 % содержания его в газовоздушной смеси, а верхний ~ 15 %. Вне этих пределов метановоздушные смеси не горят и не взрываются.

При чрезмерно малом содержании горючего газа в газовоздушной смеси, например, метана менее ~ 5 % теплоты от запального устройства оказывается недостаточно для доведения соседних слоев газовоздушной смеси до температуры воспламенения. В данном случае смесь оказывается "бедной". Она слишком разбавлена балластными компонентами (азотом и кислородом) и вообще не способна к воспламенению. Аналогичное явление происходит в газовоздушной смеси, когда имеется избыточное количество метана (более 15 %). Здесь газовоздушная смесь получается "богатой", и для ее нормального воспламенения не хватает кислорода, который является окислителем.

В табл. 1.4 показаны пределы воспламеняемости отдельных горючих газов.

10

На газобензиновых заводах из попутных газов выделяют газовый бензин и пропан-бутановую фракцию, которую используют для газоснабжения городов в виде сжиженного газа.

1.3. Искусственные газы

При термической переработке твердых топлив в зависимости от способа переработки получают газы сухой перегонки и генераторные газы, которые весьма редко применяют для газоснабжения городов и промышленности.

Сухая перегонка твердого топлива представляет собой процесс его термического разложения, протекающего без доступа воздуха. Различают следующие процессы: бертирование (450−620 К), полукоксование

(770−970 К) и коксование (1170−1370 К).

Бертирование, являясь начальной стадией пирогенетического разложения, характеризуется образованием и выделением пирогенетической воды, двуокиси и окиси углерода.

Полукоксование твердых топлив характеризуется повышенным выходом паро- и газообразных летучих веществ и образованием полукокса.

Коксование – процесс глубокой термической переработки твердого топлива, осуществляемый с целью получения кокса. Одновременно с коксом получается и коксовый газ.

На рис. 1.1 представлена принципиальная схема коксохимического производства из каменного угля. При нагревании каменного угля без доступа воздуха сложные органические вещества, входящие в его состав, постоянно разлагаются с образованием ряда продуктов (рис. 1.2). Летучие продукты поступают в общий газосборник (см. рис. 1.1), где из них конденсируются каменноугольные смолы и вода, в последней растворяются аммиак, сероводород, фенол и другие вещества.

Коксовый газ охлаждают и пропускают через электрофильтры для отделения смолы. Затем из несконденсировавшегося газа извлекают аммиак и ароматические углеводороды (бензол). С целью извлечения аммиака газ пропускают через раствор серной кислоты и получают сульфат аммония – азотное удобрение. Из коксового газа выделяются водород и этилен для различных синтезов.

Коксовый газ после очистки используется как газовое топливо. Средний объемный состав очищенного коксового газа, % [27]:

12

или

pV = mRПГТ,

где p, υ, Т, RПГ , V, m – давление, удельный объем, температура, газовая

постоянная, объем и масса природного газа.

Поведение природного газа описывается законами Дальтона.

1. Смесь идеальных газов также является идеальным газом, т.к. между молекулами газовой смеси отсутствуют силы взаимодействия. Для природного газа верно соотношение

2.Каждый газ в природном газе занимает весь объем смеси. Это связано с тем, что расстояние между молекулами газа во много раз больше размеров молекул. Поэтому молекулы одного газа могут находиться между молекулами другого.

3.Давление природного газа равно сумме парциальных давлений рi отдельных газов:

Под парциальным давлением понимают такое давление, которое имел бы газ, входящий в состав смеси, если бы он находился в том же объеме и при той же температуре, что и в смеси.

1.5. Методы задания состава природного газа

Состав ПГ может быть задан по абсолютному массовому составу, т.е. заданы массы отдельных газов в ПГ: G1 , G2 , , Gn . Масса ПГ

Если разделить (1.4) на G, получим состав природного газа по относительному массовому составу:

15

где g1 = G1 / G – относительная массовая доля первого газа в ПГ (массовая концентрация).

Задание ПГ по объемному составу основывается на понятии "приведенного" объема каждого газа в ПГ. Каждый газ в ПГ занимает весь объем смеси V, имеет свое парциальное давление и температуру природного газа Т. Для первого газа в ПГ уравнение состояния имеет вид

p1V = G1R1T.

Если сжать этот газ так, что его давление станет равно давлению природного газа р (при той же температуре), то в этом состоянии

pV1 = G1 R1T ,

где V1 – приведенный объем первого газа в природном газе. Поэтому

V1 =Vp1 / p.

Для второго газа

V2 =Vp2 / p.

Сложив эти равенства почленно, получим

Сумма приведенных объемов газов в смеси равна объему смеси. Если разделить предыдущее соотношение на V:

VV1 +VV2 + +VVn =1,

16

то r1 =V1 /V представит собой относительную объемную долю первого газа в смеси (объемную концентрацию первого газа),

Формулы для перехода от массового состава к объемному и наоборот имеют следующий вид:

Газовая постоянная RПГ природного газа подсчитывается из соотношения

µПГ RПГ = 8314,41 Дж/(кмоль К)

после предварительного определения µПГ .

Парциальное давление компонентов природного газа

Правильность подсчетов можно проверить по соотношению

p1 + p2 + + pn = p.

17

Удельный объем природного газа можно определить из уравнения идеального газа (2.1)

υ = RПГT / p.

Плотность ρ =1/υ = p /(RПГT ).

Состав смеси газов может быть задан мольными долями. Мольная концентрация i-го компонента

χi = Ni / N,

где Ni – число молей i-го компонента; N – число молей смеси.

На основании закона Авогадро можно показать, что для газовых (идеальных) смесей мольные и объемные концентрации равны:

χi = ri .

Теплота сгорания газа определяется как сумма произведений величины теплоты сгорания горючих компонентов на объемные доли:

QB =∑riQBi ; QH =∑riQHi ,

где ri – объемная доля i-го горючего компонента; QBi , QHi − высшая и низшая теплота сгорания i-го компонента.

Контрольные задачи к разделу

1.По известному объемному составу природного газа определить его молекулярную массу и газовую постоянную, парциальное давление и мас-

совые доли компонентов, плотность, теплоту сгорания и удельный объем смеси при давлении р = 101300 Па и температуре t = 0 0С. Сравнить результаты со справочными данными. Дать физическое определение полученных величин.

2.Используя данные задачи 1, определить плотность природного газа

при нормальных условиях, а также при изменении температуры в течение года от t1 = - 40 0С до t2 = 30 0С. В какой зоне помещения будет скапливаться газ при утечке из газопровода?

3.Газовый счетчик при избыточном давлении р = 0,5 МПа и температуре t = 20 0C показал расход газа V = 3000 + 300nВ, м3, где nВ – номер варианта. Пересчитать расход газа на стандартные условия.

4.Давление газа в железнодорожной цистерне объемом 98 м3, запол-

ненной метаном, упало с р1 = 20 + nВ, ати, до р2 = 15 ати, где nВ – номер варианта. Определить утечку газа, если температура газа t = 20 + nВ, 0С.

18