Специфические особенности свойств сжиженных углеводородных газов (суг)

При изменении величины давления или температуры все газы могут быть превращены в жидкость или из жидкости в пар. Для каждого газа существует определенная температура, выше которой, несмотря на применение любого высокого давления, он не может быть переведен в жидкое состояние. Эта температура называется критической, а давление, необходимое для сжижения газа при этой температуре, критическим. Иными словами, критическая температура чистых веществ – это та максимальная температура, при которой жидкая и паровая фазы еще могут существовать в равновесии. Давление паров при этой температуре называется критическим давлением, а объем единицы плотности вещества критическим объемом. Понятие о критической температуре впервые было предложено в 1861 г. Д. И. Менделеевым, который понимал под ней температуру, при которой исчезают силы сцепления между молекулами жидкости, и она, независимо от давления, превращается в газ. Приведенные выше определения критических параметров справедливы для индивидуальных газов. Технические газы в большинстве случаев представляют собой сложные смеси, критическая температура которых всегда выше критической температуры самого низкокипящего компонента и ниже критической температуры высококипящих компонентов. Критические параметры газовой смеси могут быть подсчитаны по правилу смешения (закону аддитивности), т.е. путем суммирования произведения абсолютных значений критического параметра отдельных компонентов, входящих в газовую смесь, на их мольную концентрацию:

(7.44)

где T_кр1, …, T_крn – критические температуры компонентов, входящих в газовую смесь; у₁, …, у_n – объемные или весовые концентрации компонентов газовой смеси в долях единицы.

Так же определяются и другие критические параметры. Подсчитанные по правилу смешения, критические параметры газовой смеси получили названия псевдокритических, или среднекритических.

Между среднекритическим давлением, среднекритической температурой и относительной плотностью того или иного газа существует зависимость. Отношение абсолютных значений физических констант вещества к их критическим параметрам получило название приведенных параметров.

, (7.45)

, (7.46)

. (7.47)

Эти уравнения были названы обобщенными уравнениями состояния.

Экспериментально было установлено, что все газы при одинаковых приведенных температурах и давлениях имеют одинаковый приведенный объем, т.е. приведенный объем газов есть функция приведенной температуры и приведенного давления:

V_пр = ƒ(T_пр;P_пр) (7.48)

Указанная выше закономерность получила наименование закона соответственных состояний.

Отклонение реальных газов от идеального газа

Законы газового состояния справедливы только для идеального газа. Следовательно, в технических расчетах, связанных с реальными углеводородными газами, законы для идеального газа применяют только в пределах давления до 0,2÷1,0 МПа (в зависимости от вида газа) и при температурах, превышающих 0ºС. При более высоких давлениях или более низких температурах либо применяют уравнения, учитывающие объем, занимаемый молекулами и силы взаимодействия между ними, либо вводят в уравнения для идеального газа опытные поправочные коэффициенты – коэффициенты сжимаемости газа.

Из множества уравнений газового состояния реальных газов наибольшее распространение получило уравнение Ван-дер-Ваальса:

(p + a/V) (V – b) = RT (7.49)

или для 1 моль газа (p+ a/V²)(V_м – b)= MRT, где а и b – константы, характерные для каждого газа. Величина a/V² учитывает силы межмолекулярного взаимодействия, возрастающие с повышением давления до его определенного предела. Величина b учитывает собственный объем, занимаемый молекулами газа.

Уравнение Ван-дер-Ваальса дает результаты, совпадающие с практическими данными для газов с малой плотностью в широ­ких диапазонах давлений и температур. Применение указанного уравнения к тяжелым углеводородам типа пропана, пропилена, н-бутана, бутилена и других может привести к ошибкам, достигающим 2÷10 % в зависимости от давлений и температур, при которых находится газ.

Рис. 7.1. Коэффициенты сжимаемости газов в зависимости от приведенных температур и давлении

а) не свыше 1; б) до 5,6

Учитывая изложенное, а также неудобство пользования этим уравнением в практических расчетах, применяют уравнения для идеального газа с введением в них экспериментально определенных поправок на сжимаемость. При введении таких поправок приведенные ранее уравнения принимают вид V=0,3708V_н(Т/p)z и ρ=2,6965ρ_н(p/T)(1/z) и pV = RTz, где z – коэффициент сжимаемости – безразмерная величина; индекс «н» говорит о нормальных условиях, т.е. 0ºС и 101,3 кПа.

Так как экспериментальных данных по сжимаемости углеводородных газов недостаточно, то коэффициенты сжимаемости обычно определяются по графикам (рис. 7.1), построенным по приведенным температурам и приведенным давлениям.

Для смесей газов пользуются среднекритическими параметрами, определенными по составу газа:

P_ср.кр = Σ r_i p_iкр; (7.50)

T_ср.кр= Σ r_i T_iкр, (7.51)

где r_i – молярная (объемная) доля компонентов, входящих в смесь; p_iкр и T_iкр – критические давления и температуры отдельных компонентов.

Контрольные вопросы:

1. Какие газы относятся к сжиженным углеводородным газам?

2. Назовите маркировку сжиженного углеводородного газа согласно ГОСТ Р 52087 – 2003?

3. Каков компонентный состав СУГ в моторном топливе?

4. Каким законом описывается равновесное состояние фаз СУГ?

5. Особенности свойств СУГ?