Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физические свойства сжиженных углеводородных газов. Учебное пособие
.pdf
3.9. ВЛАЖНОСТЬ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ГАЗОВ
В СУГ влага может содержаться как в жидкой, так и в паровой
фазах [5]. При этом в жидкой фазе содержится растворенная вода, а в
паровой – пары воды. Максимальное содержание водяного пара
определяется упругостью насыщенного водяного пара при данной
температуре. Различают абсолютную и относительную влажность.
Абсолютная влажность газа – количество водяных паров в единице
объема/массы газа (соответственно, абсолютная объемная, г/м3 / абсолютная массовая влажность, г/кг). Абсолютная объемная влажность
и упругость паров в зависимости от температуры при нормальном
атмосферном давлении приведены в табл. 16, 17.
Сжиженные газы (жидкости) способны растворять некоторое количество воды, увеличивающееся с повышением температуры.
Например, для жидкой фазы пропана справедлива эмпирическая зависимость, приведенная в табл. 16.
Содержание растворенной воды в сжиженном пропане
в зависимости от температуры
Количество растворенной воды,
Температура, °С
массовая доля %
0 0,06
5 0,09
10 0,11
15 0,115
20 0,21
25 0,27
30 0,41
40 0,52
Таблица 16
Относительная влажность газа φ (степень насыщения газа водяными парами) – отношение фактически содержащегося в газе количества водяною пара к максимально возможному при заданных температуре и давлении.
31
Упругость водяных паров в зависимости от температуры при давлении 0,1 МПа
держание
Содержание
Содержание
Таблица 17
Упругость
t, °C
водяных
паров, кПа
-30
-29
-28
-27
-26
-25
32
-24
-23
-22
-21
-20
-19
-18
0,037 0,33 -12
0,041 0,37 -11
0,048 0,41 -10
0,051 0,46 -9 0,284 2,33 9 1,148 8,80 27 3,564 25,8
0,057 0,51 -8 0,309 2,54 10 1,228 9,40 28 3,779 27,2
0,063 0,55 -7 0,337 2,76 11 1,312 10,0 29 4,004 28,7
0,070 0,66 -6 0,368 2,99 12 1,402 10,7 30 4,242 30,3
0,074 0,69 -5 0,401 3,24 13 1,497 11,4 31 4,492 32,1
0,086 0,73 -4 0,437 3,51 14 1,598 12,1 32 4,754 33,9
0,100 0,80 -3 0,476 3,81 15 1,705 12,8 33 5,029 35,7
0,103 0,88 -2 0,517 4,13 16 1,817 13,6 34 5,319 37,6
0,113 0,96 -1 0,563 4,47 17 1,937 14,5 35 5,623 39,6
0,125 1,05 0 0,611 4,84 18 2,063 15,4 40 8,307 51,2
Со
водяных
паров, г/м
3
t, °C
Упругость
водяных
паров, кПа
водяных
паров, г/м
t, °C
3
Упругость
водяных
паров, кПа
водяных
паров, г/м
3
t, °C
Упругость
водяных
паров, кПа
Содержание
паров, г/м3
0,218 1,80 6 0,934 7,30 24 2,983 21,8
0,238 1,96 7 1,001 7,80 25 3,167 23,0
0,260 2,14 8 1,073 8,30 26 3,360 24,4
водяных
-17
-16
-15
-14
-13
0,138 1,15 1 0,657 5,22 19 2,197 16,3 45 9,582 65,4
0,151 1,27 2 0,705 5,60 20 2,338 17,3 50 10,344 83,0
0,166 1,38 3 0,758 5,98 21 2,486 18,3 60 19,915 130,0
0,182 1,51 4 0,813 6,40 22 2,643 19,4 70 31,152 198,0
0,200 1,65 5 0,872 6,84 23 2,809 20,6 80 47,335 293,0
32
Относительную влажность газа можно выразить через отношение
=
1
=
ϕ
парциального давления
лению
p
насыщенного пара при той же температуре:
нас
Газ считается насыщенным водяным паром, если
т.е.
.
p
находящегося в газе водяного пара к дав-
i
p
i
=ϕ
p
. (16)
нас
i
pp
нас
Влага в сжиженных углеводородных газах сильно осложняет
эксплуатацию систем газоснабжения из-за образования конденсата.
Водяные пары, находящиеся в газе, переходят в жидкое состояние, а
затем – в лед. Конденсат сжиженного газа и ледяные пробки могут
закупоривать газопроводы, клапаны регуляторов давления, запорную
арматуру. Кроме того, углеводороды с водой образуют кристаллогидраты, которые также приводят к закупорке газопроводов. Для предот-
,
вращения образования ледяных пробок и кристаллогидратов необходимо выполнение условия φ < 0,6 при низшей расчетной температуре.
Кристаллогидраты – кристаллические тела, похожие на снег или
лед (в зависимости от условий их образования). Так, метан с водой
образует гидрат СН4⋅7Н2O, этан – С2Н6⋅8Н2O, пропан – С3H8⋅18Н2O.
Гидраты возникают при температуре, значительно превышающей
температуру образования льда. Однако каждый углеводород характеризуется максимальной температурой, выше которой ни при каком
повышении давления нельзя вызвать гидратообразование – критической температурой гидратообразования (табл. 18). Чем тяжелее углеводородный газ, тем скорее он в присутствии влаги образует гидрат.
Высокая скорость и турбулентность потока, пульсация компрессора,
быстрые повороты и другие условия, усиливающие перемешивание
смеси, также способствуют возникновению гидратов.
Конденсат образуется при понижении температуры воздуха или
грунта ниже определенного уровня отрицательных температур. Его
образование зависит также от состава сжиженных газов и соответственно от упругости паров.
33
Условия образования гидратов этана и пропана
Этан Пропан
Таблица 18
Температура, °С
-9,5 0,32 -11,9 0,10
-6,7 0,36 -9,0 0,117
-3,9 0,41 -6,3 0,113
-1,1 0,46 -5,6 0,14
-0,6 0,51 -3,3 0,15
1,7 0,58 -1,0 0,169
10,8 1,70 1,7 0,24
13,0 2,70 2,3 0,27
14,5 3,40 3,3 0,34
4,4 0,41
5,5 0,48
Давление, МПа
Температура, °С
Давление, МПа
Образовавшиеся углеводородные гидраты являются нестойкими
соединениями. Их можно разложить подогревом газа, снижением его
давления или вводом веществ, уменьшающих упругость водяных паров и тем самым понижающих точку росы газа. Чаще всего в этих целях применяется метанол (метиловый спирт). Его пары с водяными
парами образуют растворы, переводящие водяные пары в конденсат,
который выделяется из жидкой фазы (температура замерзания спиртоводного раствора значительно ниже, чем воды). Этот раствор затем
удаляют вместе с тяжелыми остатками.
3.9.1. Точка росы
Точка росы – это температура, до которой должен охладиться газ,
чтобы содержащийся в нём водяной пар достиг состояния насыщения и
начал конденсироваться в росу. Этот параметр также зависит от давления. Незначительное сжатие насыщенного пара при t = const или охлаждения при P = const приводят к перенасыщению – выпадает роса.
Температура точки росы определяет минимальную температуру,
при которой целесообразно производить распределение смеси пропан-бутановых газов по трубопроводам.
34
Для паров чистых насыщенных углеводородов точка росы определяется по табл. 6. Например, пропану, находящемуся под давлени-
ем 0,556 МПа, соответствует точка росы +5 °С, а н-бутану при близком давлении 0,545 МПа соответствует точка росы +45 °С.
Определение точки росы паров смесей углеводородов, находящихся под атмосферным давлением, производят графическим методом по номограмме. Номограмма В. Черли, в которой можно определить зависимость точки росы от состава смеси С3Н8, н-С4Н
С4Н
приводится в [6]. Номограмма имеет вид треугольника, на
,
10
и изо-
10
каждой стороне которого отложено содержание (в процентах) пропана, изобутана и н-бутана (рис. 4).
Р и с . 4. Номограмма В. Черли. Определение точки росы смеси
сжиженного газа, состоящей из пропана, изобутана
и нормального бутана
35
Для определения точки росы смеси необходимо найти пересечение линий процентного содержания двух компонентов с вертикальной линией точки росы, значения которой отложены на линии, параллельной содержанию н-бутана.
Например, для определения точки росы смеси, содержащей пропан – 40 %, н-бутан – 30 % и изобутан – 30 %, достаточно найти пересечение линии, соответствующей 40 % пропана с линией, соответствующей 30 % н-бутана. Опустив из точки пересечения вертикальную прямую на шкалу температур, находим точку росы смеси, рав-
ную минус 13 °С.
Например, для определения точки росы смеси, содержащей 25 %
пропана, 60 % н-бутана и 15 % изобутана, достаточно найти точку пересечения линий, соответствующих 25 % пропана и 60 % н-бутана. Проведя из этой точки перпендикуляр к шкале температур, находим точку росы трехкомпонентной смеси, равную в нашем случае минус 7,6 °С.
3.10. 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 (табл. 19).
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 имеет-
36
ся избыточное количество метана (более 15 %). Здесь газовоздушная
смесь получается «богатой», и для ее нормального воспламенения не
хватает кислорода, который является окислителем.
В табл. 19 показаны пределы воспламеняемости отдельных горючих газов [9].
Пределы воспламеняемости горючих газов
Пределы воспламеняемости, %
Газ
нижний верхний
Метан 5 15
Этан 3 12
Пропан 2,5 9,5
Бутан 1,9 8,5
Таблица 19
Явление взрыва газов может возникнуть при нарушении правил
розжига переведенных на газ котлов, при негерметичных задвижках
газовой аппаратуры и вышедшей из строя защитной автоматике. При
этом топка и газоходы котлов могут заполняться взрывоопасной смесью. Если в такую газоопасную смесь попадает источник воспламенения, то происходит взрыв.
При взрыве всего объема газовоздушной смеси масса ее тут же превращается в продукты сгорания. Последние, восприняв теплоту реакции
взрыва, мгновенно расширяются и оказывают динамическое давление на
стенки топки и газоходов. Максимальное давление, возникающее при
взрыве смеси природного газа с воздухом, находится в пределах
0,44−0,75 МПа. Взрывная волна возникает в топке и распространяется
по газоходам практически мгновенно со скоростью примерно 1 км/с.
3.10.1. Горение СУГ
Под термином «сгорание» применительно к автомобильным двигателям понимают быструю реакцию взаимодействия углеводородов
и примесей топлива с кислородом воздуха, сопровождающуюся выделением значительного количества тепла [9]. При сгорании проис-
37
ходит превращение химической энергии топлива в тепловую, и далее
в
н
в
н
в
н
в механическую. Процесс сгорания определяет мощностные и экономические показатели двигателя, а характер его протекания существенно влияет на надежность и долговечность двигателя.
При сгорании топлива выделяется тепло, количество которого зависит от состава горючей смеси и от свойств самого топлива. Способность топлива выделять при полном сгорании то или иное количество тепла обусловливается его теплотой сгорания (теплотворность
или теплотворная способность). Теплота сгорания (теплотворная способность) – это количество теплоты, которое выделяется при сжига-
нии единицы объема или массы газа. Различают высшую
шую
Q
теплоту сгорания газов. Если в результате сгорания вода по-
лучается в виде жидкости, теплота сгорания называется высшей –
Q
и низ-
Q
.
В технических устройствах вода обычно выбрасывается вместе с
продуктами сгорания в виде пара. Если в результате сгорания вода
получается в виде пара, теплота сгорания называется низшей –
Она меньше, чем
Q
на количество затрат теплоты на испарение. В
Q
Российской Федерации и ряде других стан обычно оперируют низшей
теплотой сгорания на рабочее состояние
Q
. В США и Великобрита-
нии теплотехнические расчёты выполняют на основе высшей теплоты
сгорания [3]. В табл. 20 даны значения в мегаджоулях и килокалориях. 1 мегаджоуль [МДж] = 239,005736137667 термохимическая килокалория [ккал (Т)].
.
В двигателях внутреннего сгорания температура выходящих газов выше температуры конденсации водяных паров, поэтому при расчетах пользуются значением низшей теплоты сгорания (табл. 20, 21).
При полном сгорании смеси автомобильных бензинов различного
состава с воздухом выделяется 820–930 ккал/м3 смеси или 665–
675 ккал/кг. Однако практически в двигателе выделяется значительно
меньше тепла в связи с тем, что состав смеси неоднороден и в различных местах камеры сгорания стехиометрическое соотношение топлива
38
с воздухом не достигается. Теплота сгорания смеси, поступающей в
н
двигатель, зависит также от общего коэффициента избытка воздуха.
Таблица 20
Теплотворная способность индивидуальных газов
Компонент
сжиженного
газа
Метан 35,83 8 558 49,62 11 930 800,38 191 290
Этан 64,31 15 370 47,41 11 330 1424,81 340 530
Пропан 93,51 22 350 46,32 11 070 2040,08 487 580
Изобутан 121,55 29 050 45,56 10 890 2646,53 632 520
Н-бутан 123,47 29 510 45,69 10 920 2653,22 634 120
Пентан 145,98 34 890 45,36 10 840 3272,13 782 040
Этилен 59,92 14 320 47,53 11 360 1332,60 318 490
Пропилен 88,16 21 070 46,03 11 000 1936,11 462 730
Бутилен 113,51 27 130 45,44 10 860 2548,03 608 980
МДж/м3 ккал/м3 МДж/кг ккал/кг МДж/моль ккал/моль
Низшая теплота сгорания
объемная весовая мольная
Q
при 0 ºС и 0,1 МПа
Свойства пропана и н-бутана при стандартных условиях (20 ºС и
0,1 МПа) несколько отличаются от свойств при температуре 0 °С
(табл. 21).
Таблица 21
Свойства пропана и н-бутана при стандартных условиях
(20 ºС и 0,1 МПа) и их молекулярные массы [4, 5]
Наименование
углеводорода
Пропан 1,8641 0,9834 86,53 44,09
Н-бутан 2,4956 0,9682 114,27 58,12
Плотность
3
кг/м,ρ
Коэффициент
сжимаемости Z
Низшая объемная
теплота сгорания
Q
, МДж/м3
н0
Молекулярная
масса, кг/кмоль
Процесс сгорания углеводородных топлив заключается в распаде
составляющих его сложных соединений на простые молекулы и
группы атомов и в окислении входящих в их состав углерода и водорода кислородом воздуха. Низшая теплота сгорания СУГ зависит от
его состава. При увеличении количества бутана в смеси, ее низшая
теплота сгорания увеличивается (табл. 22).
39
Зависимость низшей теплоты сгорания СУГ от состава
(содержания пропана и бутана)
Таблица 22
Пропан Н-бутан
масса, % объем, % масса, % объем, % МДж/кг МДж/м3
95 96,2 5 3,8 46,40 87,6
90 92,3 10 7,7 46,35 88,65
80 84,3 20 15,7 46,30 90,90
70 75,7 30 24,3 46,25 93,25
60 66,8 40 33,2 46,20 95,75
50 57,2 50 42,8 46,10 98,40
40 47,2 60 52,8 46,00 101,20
Q
нв
Q
н0
Чем выше удельная теплота сгорания топлива, тем меньше его
расход. Поэтому теплотворная способность является одной из наиболее значимых характеристик топлива.
Удельная теплота сгорания каждого вида топлива зависит:
1) от его горючих составляющих (углерода, водорода, летучей
горючей серы и др.);
2) от его влажности и зольности.
Согласно табл. 23 СУГ имеет наибольшую теплотворную способность и с этой точки зрения является исключительно перспективным – оптимальным решением для систем автономной газификации.
Таблица 23
Теплотворная способность топлива
Вид топлива
Газ сжиженный 46,000
Бензин 45,216
Дизельное топливо 42,704
Нефть 41,867
Мазут 41,448
Газ природный 35,586
, МДж/кг
Q
н
Уголь антрацит 30,230
Бурый уголь 14,235
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]