книги из ГПНТБ / Амиян, В. А. Добыча газа [учеб. пособие]

как газ не только нагревается, но и совершает работу, на что и по­ требуются большие затраты тепла.

Количество тепла, необходимое на нагревание или охлаждение какой-либо количественной единицы газа на 1° С, называют удель­ ной теплоемкостью, или просто теплоемкостью газа. Обозначается теплоемкость буквой с.

Исходя из описанных условий процессов нагревания и охлажде­ ния, различают теплоемкость при постоянном объеме си и тепло­ емкость при постоянном давлении ср. На основании только что сказанного заключаем, что для одного и того же газа эти значения различны, причем всегда ср > cv.

Количество тепловой энергии, которое подводится к газу во время всего процесса нагревания или отводится в течение всего процесса охлаждения, называют «количеством тепла», или иногда «внешним теплом», или просто «теплотой». Обозначается эта величина буквой q, если речь идет о нагревании 1 кг газа, и Q, если говорится о про­ извольном количестве газа.

В зависимости от того, к какой количественной единице отнесена теплоемкость, различают теплоемкость весовую, объемную и моляр­ ную.

Если говорят об 1 кг газа, то теплоемкость называется весовой и измеряется в ккал/кг-град. Обозначается эта теплоемкость бук­ вой с.

Если речь идет о нагревании 1 м3 газа, то теплоемкость назы­ вается объемной и измеряется ккал/м3 •град. Здесь нужно сделать оговорку. Так как в 1 м3 газа могут быть разные весовые количества его, необходимо при пользовании объемной теплоемкостью ука­ зывать, при каких условиях находится газ, т. е. указывать его тем­ пературу и давление. Обычно эту теплоемкость относят к нормаль­ ным условиям. При этом единицей измерения объемной теплоемкости будет ккал/нм3 •град. Эта теплоемкость обозначается с'.

Наконец, значения теплоемкостей часто относят к 1 молю газа.

Эта теплоемкость называется мольной и обозначается с; измеряется она в ккал/моль-град. Мольная теплоемкость, равная весовой теплоемкости, умноженной на молекулярный вес, является тепло­ той, необходимой для нагревания на 1° С 1 моля газа. Следовательно,

с = М -с ккал/моль•град.

Т а б л и ц а 9

50

Таким образом, в зависимости от принятой единицы количества

ккал/кг-град;

2) весовую теплоемкость при постоянном объеме cv в ккал/кг •град; 3) объемную теплоемкость при постоянном давлении ср’ в

ккал/м3-град;

4) объемную теплоемкость при постоянном объеме c’vв ккал/м3 ■град;

затель адиабаты), значение которого для углеводородных газов

Пользуясь данными табл. 9 и 10, легко определить весовые

иобъемные‘теплоемкости любого углеводорода, например:

1)мольная теплоемкость при постоянном давлении ср по фор­

муле (20) или табл. 9;

2)мольная теплоемкость при постоянном объеме (cv = cvM ккал/моль-град);

3)весовая теплоемкость при постоянном давлении ^ср = ~

ккал/кгс-град);

Найдя значения весовой и объемной теплоемкостей, нетрудно вычислить общее количество тепла, подведенное к газу в процессе его нагревания или охлаждения. Начальную температуру в процессе обозначим tx, конечную t2, количество газа по весу G, объему V. Тогда количество тепла Q в процессе можно подсчитать по следу­ ющим зависимостям:

Нужно помнить, что объем газа и объемная теплоемкость должны относиться к одним и тем же условиям (параметрам газа); обычно

ито и другое приводится к нормальным условиям, поэтому в формуле

(21)FH— объем газа при нормальных условиях.

При пользовании формулами (21) и (22) нужно иметь в виду, что они относятся как к процессу нагревания, так и к процессу охла­ ждения газа. В последнем случае, вследствие того, что t2

для Q будут получаться отрицательные значения, знак минус будет показывать, что тепло отнимается от газа.

Количество тепла Q можно подсчитать еще по формуле

где т — масса вещества в кг.

Формулу (23) можно выразить так: количество теплоты, погло­ щенной телом при нагревании или выделенной при охлаждении,

быть вычислена, если задан состав смеси и известны теплоемкости газов, входящих в смесь.

Так как теплота для нагревания смеси на 1° С может быть пред­

52

Формула (25) показывает, что весовая теплоемкость смеси равна сумме произведений весовых теплоемкостей газов, входящих в смесь, на их весовые доли.

Формула (26) показывает, что мольная теплоемкость смеси равна сумме произведений мольных теплоемкостей газов, составляющих смесь, на их объемные доли.

Теплоемкость природного газа используется при расчетах, свя­ занных с движением газа от забоя до устья скважины, по газопро­ воду и аппаратам, когда наряду с изменением давления изменяется и температура газа.

§ 18. ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ

Важнейшей характеристикой природного газа при использова­ нии его в качестве топлива является теплота сгорания. Основное свойство всякого топлива — выделение тепла при его сжигании. Способность топлива выделять определенное количество тепла при его сжигании называется теплотой сгорания, которая обычно обо­ значается буквой Q.

Наилучшим является такое топливо, единица количества кото­ рого дает наибольшее количество тепла. Про такое топливо говорят, что оно имеет наибольшую теплоту сгорания. Для измерения теплоты сгорания всякого топлива установлена единица тепла, называемая

калорией.

Различают большую и малую калорию. Большой калорией (или килограмм-калорией) называют количество тепла, которое необходимо затратить для того, чтобы нагреть 1 кг воды на 1° С при комнатной температуре (при 15° С). Малая калория (граммкалория) есть количество тепла, необходимое для нагревания 1 г воды на 1° С. Так как в 1 кг—1000 г, то, следовательно, малая кало­ рия в 1000 раз меньше большой калории. При измерении количества тепла в технике обычно применяется большая калория.

Таким образом, теплотой сгорания (теплотворностью) называют количество тепла, выделяемое 1 кг или 1 м3 (для газообразного) топлива. Размерность теплоты сгорания весовой и объемной соот­ ветственно выражается в ккал/кг и ккал/м3.

53

Различают высшую и низшую теплоту сгорания топлива. Для определения низшей теплоты сгорания необходимо вычесть нз высщей теплоты сгорания тепло, расходуемое на испарение гигроско­

формулам или при помощи специальных приборов — калориметров.

ваемым условным топливом, имеющим теплоту сгорания 7000 ккал/кг.

Определение теплоты сгорания газа

Определение основано на полном сжигании измеренного коли­ чества газа и поглощения выделяющегося тепла измеренным коли­ чеством проточной воды.

Теплоту сгорания газа определяют в калориметрах различных систем. Установка (рис. 23) состоит из: калориметра, газовых часов, регулятора давления, газовой горелки, двух точных термометров, сосуда для воды, чашечных весов и напорного бака.

Исследуемый газ сжигают в газовой горелке 3, вставленной внутрь калориметра. Из камеры сгорания 1 продукты сгорания проходят по пучку тонких трубочек, расположенных вокруг внутрен­ ней камеры, в которую введены горелки 3. Камера омывается непре­ рывным потоком воды, охлаждающей продукты сгорания до темпе­ ратуры окружающего воздуха. Охлажденные продукты сгорания выпускают через выхлопную трубу 4.

Вода, образовавшаяся при сгорании газа, собирается в нижней части калориметра и вытекает в мерный цилиндр 2. Холодную воду подводят из водонапорного бака или водопровода по трубке в при­ емный сосуд 5, откуда вода по трубе и штуцеру 6 попадает в нижнюю

54

часть калориметра. Избыток воды через переливную воронку 7 и трубку 8 спускают в канализацию.

Вода, поступающая в калориметр, омывает дымогарные трубки, воспринимает все тепло продуктов сгорания и вытекает в воронку 9, откуда через распределительный кран 10 сливается в приемный сосуд или в канализацию. Воронки 5 и 9 обеспечивают постоянство уровней входящей и выхо­ дящей воды, что в свою очередь обеспечивает рав­ номерную скорость про­ текания воды через кало­ риметр. Вода, выходящая из калориметра, до изме­ рения температуры посту­ пает в специальное ус­ тройство 11 для переме­ шивания. Температуру входящей и выходящей во­ ды измеряют термометрами 12 и 13. Температуру от­ ходящих газов измеряют ртутным термометром 14.

Тяга в камере сгорания ре­ гулируется задвижкой 15, вставленной в выхлопную трубу.

Калориметр помещают в изолированной комнате с постоянной температу­ рой. Для обеспечения ка­ лориметра водой комнат­ ной температуры необхо­ димо иметь в калоримет­ рической комнате бак для воды, укрепленный на кронштейнах на высоте около 2 м. При помощи винтов, расположенных в

ножках, калориметр устанавливают по отвесу в строго вертикаль­ ном положении и заполняют водой комнатной температуры до тех пор, пока вода не начнет вытекать из воронки 9. Воздух вытесняют из калориметра через открытый отросток, расположенный в верхней части прибора; спускной кран 16 должен быть закрыт.

Для определения температуры входящей и выходящей воды приме­ няют ртутные термометры со шкалой от 0 до 50° С с делениями на 0,1° С. Термометры должны иметь одинаковые точность и чувствительность. Оба термометра периодически сверяют между собой. Расхождение в показаниях термометров на 0,1° С дает значительную ошибку.

55

Оба термометра погружают в воду на одинаковую глубину и плотно укрепляют резиновыми пробками. При отсчете температуры поль­ зуются лупами.

Для определения высшей теплоты сгорания газа нужно сжечь в калориметре 10 л исследуемого газа. Для определения низшей теплоты сгорания необходимо сжечь в калориметре 50—60 л газа, так как количество воды, образующейся при сжигании 10 л газа, так мало, что не обеспечивает точного определения. Количество собранного в мензурку конденсата следует определять взвешиванием

где а — вес воды в г; t — средняя за опыт разность температур воды, выходящей и поступающей в калориметр; V0 — объем сгоревшего газа при нормальных условиях в л, равный Vjk\ V — объем сго­ ревшего газа в л; к — коэффициент приведения газа к нормальным условиям при р = р г + р 2 — Рз(Р1 — атмосферное давление в кгс/см2; р 2 — среднее за опыт давление в газовых часах; р 3 — упру­ гость паров воды при температуре опыта).

Для определения средней разности температур воды находят среднее арифметическое из всех наблюдений за время опыта пока­ заний термометров на выходящей и входящей воде в отдельности, затем вычисляют среднюю разность.

Низшую теплоту сгорания газа находят вычитанием из высшей теплоты Сгорания теплоты испарения конденсационной воды, обра­ зующейся при сгорании газа

в нефти практически подчиняется закону Генри — количество газа Fr, растворенного при данной температуре в единице объема Тж жидкости, пропорционально его давлению р.

56

где а — коэффициент растворимости газа;

Из (31) следует, что коэффициентом растворимости учитывается количество газа, растворяющегося в единице объема жидкости при увеличении давления на единицу.

Коэффициент растворимости реальных газов не является постоян­ ной величиной и зависит от рода жидкости и газа, давления, темпе­ ратуры и других факторов, которые приобретает газ в жидкости. Это связано с общим отклонением реальных газов от идеального.

При исследовании растворимости газов закон Генри обычно

ГСж “Г /гг

Здесь пжи пг — число молей жидкой и газовой фаз.

Зависимости концентрации газа в жидкости от давления полу­ чить трудно не только вследствие отклонения реальных газов от законов идеального, но также и потому, что в растворе реальный газ приобретает специфические свойства. Внешним выражением этих свойств является увеличение объема раствора при введении в него газа. Повышение объема влияет па концентрацию газа в жидко­ сти. Приращение объема раствора определяется количеством раство­ ренного газа, свойствами жидкости и газа, температурой и давлением.

Увеличение объема жидкости обычно характеризуется величиной V, представляющей собой приращение объема жидкости при раство­

рении в ней 1 кг газа. Эту величину V называют кажущимся удель­ ным объемом растворенного газа в жидкой фазе:

Смысл понятия «кажущийся» заключается в том, что приращение объема AF жидкости (нефти) не представляет собой истинного объема растворенного газа в нефти, а является результатом взаимодействия молекулярных сил растворенного газа в жидкости. В химической термодинамике величину V называют парциальным мольным объемом Зависимость коэффициента растворимости газа от давления и тем­ пературы определяется соотношением

57

где р — общее давление над раствором; р 0 — упругость пара раство­ рителя; /о — летучесть газа при давлении, равном упругости р 0У пара растворителя при температуре Т; N 0 — мольная концентрация

газа в растворе при давлении р 0', V — кажущийся (парциальный) мольный объем.

Коэффициент а с увеличением давления уменьшается.

При растворении газов в нефти эта закономерность соблюдается лишь при небольших давлениях. В общем же случае коэффициент растворимости газов в нефти в зависимости от давления может уве­ личиваться и уменьшаться (рис. 24).

Давление, кгс/см2

Рис. 24. Растворимость газов в различных неф­ тях при t = 50? С.

Нефть: 1 — ромашкинская; 2 — сураханская; з — небитдагская; 4 — туймазинская.

Перегиб кривой растворимости и возрастание коэффициента а некоторых газов происходит в связи с увеличением объема раствора и влиянием этого процесса на концентрацию газа в жидкости. Вели­ чина приращения объема раствора и ее интенсивность зависят от количества растворенного газа, свойств жидкостей и газов и их состава. Наконец, значительное влияние на растворимость газов оказывают процессы обратного испарения.

Различные компоненты нефтяного газа имеют неодинаковую растворимость, причем с увеличением молекулярной массы газа коэффициент растворимости его возрастает. Особенно плохо раство­ ряется азот. Растворимость газов в нефти, за исключением давления, температуры и природы газа, зависит также от свойств нефти (см. рис. 24). Установлено, что разница в абсолютных величинах раство­

.'8

римости газов в исследованных нефтях и характер изотерм раство­ римости связаны с различным фракционным и углеводородным составом нефтей. Растворимость газов увеличивается с повышением содержания в нефти парафиновых углеводородов (туймазинская и ромашкинская нефти содержат во фракциях, выкипающих до 300° С, около 52% парафиновых углеводородов; в сураханской и небитдагской нефтях их содержится 42—43%). Установлено также, что при высоком содержании ароматических углеводородов в нефти ухудшается растворимость в ней газов.

Форма изотерм растворимости для различных газов также неоди­ накова. Для плохо растворимых газов (азот, метан) они характери­ зуются пологим подъемом, почти равномерным во всем интервале давления (т. е. малорастворимые газы лучше подчиняются закону Генри, чем хорошо растворимые). Изотермы хорошо растворимых газов (СО2, С2Н6, С3Н8) характеризуются резким подъемом до определенных давлений, а затем они выполаживаются. Последнее объясняется обратными процессами растворения компонентов нефти в сжатом газе при высоких давлениях. Этот эффект в ряду углеводо­ родных газов усиливается с ростом молекулярной массы газа. Для азота он незначителен, а если метан растворяется в нефти, обратное испарение наблюдается лишь при очень высоких давлениях.

Из рис. 24 также следует, что на растворимость газов в нефти состав газа влияет больше, чем состав нефти.

Коэффициент растворимости попутных нефтяных газов изме­ няется в широких пределах и достигает 4~-5 м3/м3.

Углеводородные газы хулю растворяются в нефти с повышением температуры. Так, например, в нефти Ромашкинского месторож­

в воде незначительна. Однако следует учитывать, что площадь контакта газовой залелш с подстилающей водой может быть большой, а давление в пласте достигать 500—700 кгс/см2. В этих условиях значительные количества газа в воде могут находиться в растворен­ ном состоянии.

Содержание растворенного газа в воде можно выразить в виде

или же в виде объема газового компонента, растворенного в единице массы, или объема FB воды

5&