Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физические свойства сжиженных углеводородных газов. Учебное пособие
.pdf
3.3. СЖИМАЕМОСТЬ
)],
β
[
]
[
]
(
)
β
(
)
(
)
Принято считать, что жидкости, например вода, не сжимаемы,
т.е. под действием давления их объем не изменяется. Но это не так
даже для воды. А СУГ – особенно! Например, сжимаемость пропана
в 16 раз выше, чем у воды, поэтому это свойство следует учитывать
при проектировании хранилищ сжиженных газов, а также при проектировании трубопроводов с большим перепадом давленая в начале и
конце участка.
Изменение объема СУГ в зависимости от давления определяется
выражением [4]:
V
где
– объем жидкости при начальном давлении
ж0
V
– объем жидкости при конечном давлении p;
ж
– коэффициент объёмного сжатия,
p
β
(1[
Р
ppVV
−⋅+⋅=
(5)
00жж
p
;
0
Па/мβ3=
p
или
p
В литературе можно встретить понятие – модуль упругости жидкости
E
. Это величина, обратная
, т.е.
p
Е
=
β
1
.
p
В табл. 9, 10 дан изотермический коэффициент сжимаемости
p
атм10⋅β
Изотермический коэффициент сжимаемости
1-6
жидкого пропана и жидкого бутана.
жидкого пропана
p
атм10⋅β
1-
атм=β
Таблица 9
1-6
.
t, °С
20 40 60 80 100
р, атм
20 451 755
40 420 674 1250 2810
60 393 602 1040 2050 4600
80 364 544 884 1560 2980
100 343 492 758 1330 2090
150 295 394 542 640 1070
200 256 320 404 506 640
21
Изотермический коэффициент сжимаемости
(
)
(
)
∑
=
µµµ
жидкого бутана
Таблица 10
1-6
p
атм10⋅β
t,°С
р, атм
20 247 355 532 833 1350 2000
40 238 335 488 730 1100 1560
60 230 319 450 641 918 1250
80 223 303 415 569 781 1030
100 215 289 386 510 669 854
150 200 256 323 395 479 580
200 185 229 273 316 358 417
20 40 60 80 100 120
3.4. ВЯЗКОСТЬ
Вязкость, или внутреннее трение, – это способность жидкостей (газов) оказывать сопротивление скольжению или сдвигу, возникающее при
перемещении двух смежных слоев жидкости (газа). Вязкость обусловливается силами сцепления между отдельными молекулами вещества. Эта
касательная сила зависит от площади соприкосновения слоев и градиента
скорости. Различают динамическую и кинематическую вязкость.
Динамическая вязкость – это сила, которую испытывает единица
поверхности одного из слоев жидкости или газа со стороны другого
слоя, если градиент скорости между ними равен единице.
Анализ экспериментальных исследований показал, что вязкость
СУГ зависит от температуры, а с увеличением давления растет незначительно. В отличие от жидкостей у газа вязкость с повышением
температуры возрастает (табл. 11).
Для приближенного расчета вязкости смеси СУГ в соответствии с
правилом аддитивности применяют выражение:
µ
=
см
yy
2
1
1
...
µµ
2
где y1, y2, …, yn – массовые доля компонентов
1
,
(6)
y
n
+++
µ
n
;
1
y
i
,...,,
21
смеси, (Па·с).
– динамические коэффициенты вязкости компонентов
n
22
Таблица 11
µ
Динамическая вязкость газов при давлении 105 Па в зависимости
от температуры, µ⋅⋅⋅⋅107 Па⋅⋅⋅⋅с
Газ
-20 0 20 40 60 80 100
Метан 95,53 101,99 108,07 116,01 121,01 126,99 133,08
Этан – 86,00 91,99 95,61 – – 114,74
Пропан 70,02 75,02 80,02 85,42 90,52 95,71 100,03
Изобутан – 65,99 74,04 – – – 95,03
Н-бутан – 65,99 74,04 – – – 95,03
Н-пентан – 61,98 70,02 – – – –
Температура, ºС
В технических расчетах часто пользуются кинематической вязкостью ν, представляющей собой отношение динамической вязкости к
плотности:
. (7)
=ν
ρ
3.5. УПРУГОСТЬ ПАРОВ
Сжиженные газы при хранении и транспортировке постоянно изменяют свое агрегатное состояние, часть газа испаряется и переходит
в газообразное состояние, а часть конденсируется, переходя в жидкое
состояние. В тех случаях, когда количество испарившейся жидкости
равно количеству сконденсировавшегося пара, система «жидкость –
газ» достигает равновесия, пары над жидкостью становятся насыщенными, а их давление называется давлением насыщения или упругостью паров.
Давление насыщенных паров – основная величина для расчета
резервуаров, трубопроводов, танкеров, цистерн, баллонов сжиженного газа, испарительной способности установок, а также состава газа в
зависимости от климатических условий.
Упругость паров СУГ возрастает с повышением температуры и
уменьшается с ее понижением.
23
Сжиженные углеводородные газы обладают свойствами взаим-
=
∑
∑
ной растворимости и с достаточной точностью подчиняются закону
Рауля. Смеси жидких углеводородов можно рассматривать как идеальные растворы. Согласно закону Рауля парциальное давление
p
i
паров компонента, находящегося в жидкой фазе, определяется по
формуле:
pxp
, (8)
насiii
где
x
– молярная доля компонента i в жидкой фазе;
i
p
– давление насыщенных паров чистого компонента i при
насi
температуре смеси (табл. 12).
Также давление каждой компоненты газовой смеси можно определить из уравнений молекулярно кинетической теории (МКТ) газов:
kTnpii=
,
n
где
– концентрация компоненты.
i
Таким образом, давление смеси газов определяется его составом
и температурой. Зимой, при низких температурах, необходимо поддерживать давление паров сниженного газа, достаточное для работы
регуляторов, не менее 1,5 кгс/см2. Летом указанное давление не
должно превышать максимального расчетного давления (16 кгс/см2).
В соответствии с законом Дальтона давление насыщенных паров
жидкой смеси равно сумме парциальных давлений паров всех компонентов. С учетом (8) давление смеси равно:
==
pxpp
. (9)
нассм iii
Для каждого компонента парциальное давление газа, находящегося
над уровнем жидкости (в паровой фазе), равно давлению паров компонента в жидкой фазе. Это равенство является следствием термодинамического равновесия. Действительно, если парциальное давление данного
компонента в паровой фазе превысит давление паров этого компонента в
жидкой фазе, то наступит процесс конденсации. Противоположное соотношение давлений приведет к процессу испарения. Эти процессы будут протекать до тех пор, пока не установится равновесие.
24
Таблица 12
=
=
Зависимость упругости паров сжиженных нефтяных газов от температуры
Упругость насыщенных паров, МПа
Темпера-
тура, °С
Этан Этилен Пропан
Пропи-
лен
Изобу-
тилен
Изобутан
Н-
бутан
Бутилен-1
-40 0,792 1,47 0,114 0,15 0,023 – – 0,023 0,016
-35 – 1,65 0,143 0,18 0,027 – – 0,028 0,020
-30 1,085 1,88 0,173 0,21 0,031 0,0547 – 0,033 0,026
-25 – 2,18 0,208 0,25 0,035 0,0612 – 0,036 0,034
-20 1,446 2,56 0,248 0,31 0,058 0,0742 – 0,056 0,043
-5 – 2,91 0,295 0,38 0,074 0,0920 0,058 0,074 0,055
-10 1,891 3,34 0,349 0,45 0,095 0,1120 0,081 0,095 0,070
-5 - 3,79 0,414 0,52 0,113 0,1360 0,098 0,113 0,085
0 2,433 4,29 0,482 0,61 0,138 0,1629 0,117 0,139 0,105
5 – – 0,556 0,70 0,164 0,1962 0,141 0,165 0,127
10 3,079
– 0,646 0,79 0,190 0,2290 0,168 0,190 0,148
15 – – 0,741 0,88 0,209 0,2582 0,201 0,215 0,172
Бутилен-2
20 3,844
– 0,846 0,97 0,254 0,3115 0,235 0,262 0,195
25 – – 0,967 1,11 0,289 0,3620 0,320 0,302 0,225
30 4,736
– 1,093 1,32 0,352 0,4180 0,367 0,366 0,285
35 – – 1,231 1,51 0,412 0,4800 0,416 0,439 0,327
40 – – 1,396 1,68 0,471 0,5510 0,485 0,497 0,376
Из закона Дальтона и уравнения МКТ парциальное давление
компонента i в паровой фазе равно
r
где
– молярная доля компонента i в паровой фазе.
i
prp
, (10)
см
ii
Приравнивая правые части (8) и (10), получаем
pxpr
нассм iii
или
r
x
p
i
i
i
нас
p
см
k
==
, (11)
i
k
где
– константа равновесия или коэффициент распределения, рав-
i
ный отношению давления насыщенных паров компонента i к общему
давлению смеси.
25
Константа равновесия определяет соотношение молярных долей
компонента i в паровой и жидкой фазах. Для более летучих компонентов, находящихся в смеси, коэффициент
k
>1. В паровой фазе его
i
относительная доля больше, чем в жидкой. Менее летучие компоненты обладают меньшим давлением насыщенных паров, поэтому в
меньшей доле находятся в паровой фазе и для них
k
меньше единицы.
i
Если смесь углеводородов находится в замкнутом объеме и при
термодинамическом равновесии представляет собой двухфазную систему, то при данной температуре по составу жидкой фазы рассчитывают состав паровой фазы или по составу паровой фазы определяют
состав жидкости. В процессе расчета также вычисляют давление смеси.
3.6. СКРЫТАЯ ТЕПЛОТА ИСПАРЕНИЯ
Скрытая теплота испарения – это количество теплоты, необходимое для испарения одного килограмма жидкости при постоянной
температуре.
Скрытая теплота испарения зависит от вида жидкости, температуры (рис. 3) и в незначительной степени от внешнего давления
(табл. 13).
Р и с . 3. График зависимости скрытой теплоты испарения пропана,
н-бутана и изобутана от температуры
26
Скрытая теплота испарения сжиженных газов, ккал/кг
dT
Таблица 13
Температура,
ºС
-60 105,5 – – 0 90,7 91,8 84,9
-55 104,0 – – 5 88,7 90,8 83,4
-50 102,0 – – 10 87,0 89,8 82,4
-45 101,5 – – 15 84,9 88,5 81,0
-40 100,2 – – 20 82,5 87,5 79,9
-35 99,5 – – 25 81,0 86,5 78,1
-30 98,0 – 92,2 30 78,6 85,6 77,1
-25 96,5 – 90,8 35 76,5 84,8 75,5
-20 95,5 95,6 89,6 40 74,4 82,8 74,1
-15 94,6 94,9 87,5 45 72,0 81,5 72,0
-10 92,6 93,8 85,9 50 68,0 79,6 70,8
-5 91,7 – – 60 64,5 78,4 68,1
Пропан
Н-
бутан
Изобутан
Температура,
ºС
Пропан
Н-
Изобутан
бутан
3.7. ТЕПЛОЕМКОСТЬ
Теплоемкость C – количество теплоты, необходимое для изменения температуры вещества на один градус:
dQ
C =
.
Единица теплоемкости в СИ – джоуль делить на кельвин (Дж/К).
В расчетах различают среднюю и истинную теплоемкость. Средняя
теплоемкость – величина, определенная в конечном интервале температур, а истинная теплоемкость – величина, определенная в данной
точке (при данных р и Т или V и T).
Удельная теплоемкость с – количество теплоты, отнесенное к
единице вещества для изменения температуры на один градус
(табл. 14, 15). Удельная теплоемкость зависит от химического состава
вещества и процесса, при котором происходит его нагревание.
27
Теплоемкость сжиженных углеводородных газов
M
=
=
вблизи линии насыщения, кДж/(кг⋅⋅⋅⋅°С)
Таблица 14
Температура,
°С
-50 3,438 3,228
-40 3,492 3,278
-30 3,546 3,329
-20 3,605 3,383
-10 3,672 3,442
0 3,743 3,500
10 – 3,555
20 – 3,622
30 – 3,689
40 – – 2,759 2,851 2,521 2,575 2,483
50 – – 2,856 2,981 2,621 2,680 2,558
60 – – – – 2,730 2,784 2,646
Этилен Этан Пропилен Пропан Изобутан Н-бутан Н-пентан
2,177 2,207 2,052 2,114 2,039
2,219 2,253 2,081 2,135 2,065
2,269 2,303 2,119 2,169 2,098
2,315 2,353 2,160 2,207 2,135
2,370 2,416 2,202 2,261 2,181
2,433 2,479 2,248 2,308 2,232
2,500 2,558 2,307 2,361 2,286
2,575 2,650 2,370 2,424 2,345
2,663 2,747 2,441 2,495 2,412
Различают удельную теплоемкость, определенную при постоянном давлении ср и при постоянном объеме cV (сp > cV, так как в первом
случае теплота расходуется не только на увеличение температуры газа, но и на его расширение). В зависимости от понятия «единица ве-
щества», различают теплоемкость массовую сm [кДж/(кг⋅°С)], объемную сV [кДж/(м3⋅°С)] и мольную сµ [кДж/(кмоль⋅°С)].
Соотношения между ними выражаются зависимостями:
c
c
m
c
V
=
c
V
µ
,
c
µ
µ
m
µ
==
, (12)
422,
VcMcc
,
µµµ
где M и
V
– молярная масса и молярный объем.
µ
28
Удельная теплоемкость углеводородов, газа
∆
(
)
Таблица 15
Сжиженный газ Температура, °С
Метан
Этан
Этилен -103,1 2,415
Пропан
Пропилен -62,8 2,150
Н-бутан
-95,1 5,477
-88,7 4,838
-93,1 2,990
-33,1 3,314
-3,1 3,494
-42,1 2,230
0,0 2,352
20,0 2,520
40,0 2,688
-23,1 2,205
-11,3 2,239
-3,1 2,289
0,0 2,310
Удельная теплоемкость, кДж/(кг⋅°С)
20,0 2,436
40,0 2,583
3.8. ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ, ЭНТАЛЬПИЯ И ЭНТРОПИЯ
Внутренняя энергия U является функцией состояния системы, так
как зависит от параметров состояния системы – температуры и давления. Изменение внутренней энергии возможно двумя способами: в
процессе теплообмена и путем совершения работы. С молекулярной
точки зрения она равна сумме кинетической энергии движения всех
молекул и атомов и потенциальной энергии их взаимодействия.
Внутренняя энергия при данных Т и р, отсчитанная от 0 К и отнесенная к 1 кг газа, определяется по формуле
T
=
∫
0
.
dTcU
VT
(13)
В практических расчетах используется значение изменения внутренней энергии
U
, следовательно, начало отсчета (0 К или 0 ⁰С) не
имеет значение для конечного результата:
TTcU
V
−=∆
29
,
12м
где
−
ж
п
∆=∆
+
=
TT
– изменение температуры при переходе системы из одного
12
состояния в другое.
Теплосодержание (энтальпия) является функцией состояния вещества. Различают теплосодержание насыщенной жидкости
насыщенного пара
i
.
i
и
Энтальпия насыщенной жидкости – это количество теплоты, которое необходимо затратить на нагрев при неизменном давлении 1 кг
или 1 м3 жидкости от 0 К (или 0 °С) до заданной температуры. Энтальпия (теплосодержание) насыщенной жидкости является суммой
теплоты, полученной при нагревании и скрытой теплоты испарения.
Энтальпия насыщенного пара – это количество теплоты, необходимое для нагревания при неизменном давлении 1 кг или 1 м3 насы-
щенного пара от 0 К (или 0 °С) до заданной температуры. Энтальпия
(теплосодержание) насыщенного пара является суммой теплосодержания насыщенной жидкости и скрытой теплоты парообразования.
В технических расчетах учитывается изменение энтальпии, а не
ее абсолютное значение. Поэтому начало отсчета не имеет значения
для конечного результата. Изменение энтальпии жидкости или пара
равно произведению средней удельной теплоемкости при постоянном
давлении на разность температур:
Tci
p
. (14)
Энтропия также является функцией состояния системы. Энтропия теплоизолированной системы остается постоянной даже при изменении ее объема и совершения работы. Энтропия изменяется только в том случае, когда система обменивается теплом с окружающей
средой или другой системой. Энтропия определяется внутренней
энергией системы при ее абсолютной температуре:
pVUS
. (15)
При расчетах важным является не сама энтропия, а ее изменение.
Поэтому отсчет значений энтропии можно вести от любого состояния. Значение энтропии и ее изменения для пропана и бутана можно
определить по диаграмме состояния (разд. 4).
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]