книги из ГПНТБ / Рачевский, Б. С. Транспорт и хранение углеводородных сжиженных газов

молекул и так называемой нулевой энергии (энергии внутриатомных движений при температуре абсолютного нуля).

В практических инженерных расчетах принимается во внимание не абсолютные величины внутренней энергии, а разность между их абсолютным значением И° при заданных Т и р и нулевым значением

ИтИ0— И$.

Диаграммы состояния индивидуальных углеводородов

У реальных газов соотношения между основными термодинами­ ческими параметрами — давлением, температурой, удельным объе­ мом, теплоемкостью, теплосодержанием — не подчиняются законам идеальных газов.

Действительные соотношения между этими параметрами уста­ новлены экспериментально и нанесены па графики, которые имену­ ются диаграммами состояния. Эти диаграммы составлены в таких интервалах изменения основных параметров, которые необходимы для практических инженерных расчетов.

Диаграммы состояния включают две фазы существования ве­ щества — жидкую и газообразную. Линии, разделяющие параметры, соответствующие двум различным фазам (жидкость и насыщенный пар), носят название пограничных кривых.

Наиболее часто применяют диаграммы состояния индивидуаль­ ных углеводородов, составленные в системах координат TS (тем­ пература — энтропия) и pi (давление — энтальпия).

Указанные диаграммы включают наибольшее число термодина­ мических величин, характеризующих углеводороды: давление, тем­ пературу, удельный объем паров и жидкости, скрытую теплоту парообразования, теплоемкость, содержание жидкости и пара, теплосодержание, изменение энтропии, изменение энтальпии.

При помощи диаграмм состояния можно с достаточной для ин­ женерных расчетов точностью проследить за изменением параметров углеводородов при следующих процессах:

охлаждение или подогрев газа; конденсация или испарение; адиабатическое испарение или сжатие; дросселирование и др.

На рис. 7 и 8 приведены диаграммы состояния пропана и и-бу­ тана в координатах TS.

Способы пользования приведенными диаграммами несложны,

иони приведены в периодической литературе. Теплопроводность — это процесс передачи тепла между не­

посредственно соприкасающимися частицами тела, обусловленный тепловым движением молекул или атомов вещества.

Количество тепла, передаваемое через единицу поверхности за единицу времени,

где А — коэффициент теплопроводности, выражающий количество тепла, проходящее через единицу поверхности в единицу времени при изменении температуры на 1° G на единицу длины (табл. 16);

Рис. 8. Диаграмма состояния нормального бутана в коор­ динатах TS (температура —энтропия)

dT

~ ---- градиент температуры, т. е. производная от температуры по

координате, нормальной к поверхности, через которую происходит передача тепла.

Коэффициент теплопроводности сжиженных пропана и и-бутана к • 102 ккал/(м • ч ■°С)

34

Теплота сгорания (теплотворная способность) — это количество тепла, которое выделяется при сжигании единицы объема или массы газов. Различают высшую QK и низшую QH теплоту сгорания газа. Высшая теплота сгорания учитывает тепло водяных паров, которое может быть использовано в некоторых тепловых установках, (табл. 17).

Впроцессе сгорания газов образуются пары, которые совместно

сдругими продуктами сгорания уносятся, не отдавая тепла паро­

образования, выделяющегося при их конденсации, поэтому в обычных теплосиловых установках используется только низшая теплота сгорания.

Как уже было указано, одним из основных преимуществ сжижен­ ных углеводородных газов является высокая теплота сгорания по сравнению с другими видами топлив, что обеспечивает этим газам широкое применение в народном хозяйстве.

Влажность сжиженных газов

икристаллообразование

Всжиженных углеводородных газах влага может содержаться как в жидкой, так и в паровой фазах. При этом в жидкой фазе может содержаться в растворенном виде обыкновенная вода, а в паровой

фазе — пары воды.

Водяной пар может насыщать газ при данных условиях темпе­ ратуры и давления только до определенной величины, характе-

Таблица 18

Упругость водяных паров н влагосодержание в состоянии насыщения

П р и м е ч а н и е . При пользовании табл. 18 следует учесть, что приведенные в ней данные не учитывают состав газа и справедливы только для атмосферного давления.

36

ризующеися предельным давлением, равным упругости насыщенного водяного пара при данной температуре.

Если содержание водяных паров выше этого предела, начи­ нается конденсация избыточного количества водяных паров, т. е. они переходят в жидкую фазу.

Наличие влаги в газе может привести к образованию гидратов в трубопроводах, а также ледяных пробок в регуляторах и других приборах.

Различается влажность абсолютная и относительная.

Под абсолютной влажностью

понимают количество водя­ ных паров, находящееся в единице массы или объема газа.

Относительная влаж­ ность — это отношение фак­ тически содержащегося в газе водяного пара к максималь­ но возможному содержанию его при данных температуре и давлении.

Относительная влаж­ ность ф определяется как отношение парциального да­ вления находящихся в газе водяных паров рп к давле­ нию насыщенного водяного пара рн при данной темпе­ ратуре

Рп = Рн. т. е. ф = 1.

Содержание в газе водяных паров в состоянии насыщения (ф = 1)

иих упругость в зависимости от температуры приведены в табл. 18.

Впрактических расчетах определение влагосодержания углево­ дородных газов, если они находятся под давлением, значительно отличающимся от атмосферного, производится по графику на рис. 9.

При использовании сжиженных газов приходится производить

много операций не только с паровой фазой, с продуктом, находя­ щимся в жидком состоянии, содержание влаги в котором не подчи­ няется выше закономерностям.

Сжиженные пропан и бутан способны растворять значительные количества воды, содержание которой с повышением температуры увеличивается.

37

Содержание расткоренной воды в сжиженном пропане в зависимости от температуры

Следует также учесть, что содержание воды в 1 кг паров компо­ нентов сжиженного газа значительно превышает содержание ее в 1 кг жидкости, поэтому при наличии в сжиженных углеводоро­ дах воды в растворенном виде она будет интенсивно переходить из жидкой в паровую фазу. При этом с понижением температуры жидкости возрастает отношение содержания воды в парах к содер­ жанию ее в жидкости. Эту особенность сжиженных газов следует учесть при применении их в зимних условиях.

Содержание воды в паровой и жидкой фазах для пропана в зависимости от температуры

Углеводородные газы способны образовывать кристаллогидраты при наличии в них воды. Эти гидраты в зависимости от условий их образования представляют собой кристаллические тела, похожие на снег или лед.

Образование кристаллогидратов зависит от давления и темпера­ туры (табл. 19).

При анализе данных табл. 19 можно сделать вывод, что при наличии влаги в сжиженном газе, чем больше содержание тяжелых углеводородов в газе, тем легче образование кристаллогидратов.

Основные факторы образования кристаллогидратов — темпера­ тура и давление. Однако такие условия, как высокая скорость и тур­ булентность потока, пульсация от насоса и компрессора, быстрые повороты, усиливающие перемещение смеси, также способствуют образованию гидратов в сжиженных газах.

Гидраты углеводородных смесей являются нестойкими соедине­ ниями воды с газом, поэтому они могут существовать при наличии избытка влаги в газе, т. е. в условиях, когда парциальное давление водяного пара в газе больше упругости паров гидрата. Как только

38

парциальное давление водяного пара станет меньше упругости паров гидрата, последние немедленно начнут распадаться. Так как упру­ гость паров гидрата меньше упругости паров воды, то гидраты обра­ зуются при условии насыщения газа водяными парами и соответ­ ственной температуры и давления.

Таблица 19

Условия образования гидратов этана и пропана

Разложение углеводородных гидратов, образующихся в трубо­ проводах, приборах и аппаратах, может быть достигнуто подогре­ вом газа, снижением давления или вводом веществ, понижающих упругость паров, т. е. понижающих точку росы газа. Наибольшее применение для этих целей получил метанол.

Точка росы пропан-бутановых смесей

Температура, при которой влажный газ насыщается водяными парами, называется точкой росы. Если при постоянном давлении эти пары охладить, некоторая их часть начнет конденсироваться, выпадая в виде капелек жидкости. При повышении температуры насыщенных паров равновесие фаз будет смещаться в ином направле­ нии, т. е. из жидкой фазы усилится процесс испарения, который будет идти до тех пор, пока при новой температуре не наступит рав­ новесие фаз, характеризуемое насыщенностью пара.

Аналогичное явление может иметь место при постоянной темпе­ ратуре и изменении давления — равновесие фаз будет смещаться в ту или другую сторону, при чем двухфазная система будет всегда стремиться к сохранению состояния равновесия, которое характе­ ризуется насыщенностью паров, находящихся над жидкостью.

, Для различных паров чистых насыщенных углеводородов точка росы может быть определена по данным табл. 11. Так, например, пропану, находящемуся под давлением 5,56 кгс/см2, соответствует

39

точка росы, равная —5° С, м-бутану при давлении 5,451 кгс/см2

ооответствует точка росы +50° С.

Точка росы для смесей углеводородных газов зависит от их со­ става и общего давления, под которым находится смесь, и в соответ-

Рис. 10. Номограмма для определения точки росы смеси сжи­ женного газа, состоящей из пропана, изобутана и нормального бутана

ствии с законом Дальтона и Рауля может быть определена как тем­ пература, при которой справедливо следующее соотношение:

где г17 г 2, . . ., га — молярные концентрации компонентов; р 17 р 2, . . ., рп — парциальные давления компонентов; р — общее давление смеси.

Для распространенных смесей углеводородов с достаточной инженерной точностью точка росы может быть определена графи­ чески по номограмме на рис. 10.

Номограмма представляет собой треугольник, на каждой сто­ роне которого дано процентное содержание пропана, м-бутана и изо-

40