1.3. Основные физические свойства газа

При расчете некоторых свойств газов, а также производительности и пропускной способности газопроводов различают следующие условия состояния газа:

- нормальные условия: температура - 0°С, давление - 0.101325 МП а (760 мм рт. ст.);

- стандартные условия 20°С: температура - 20 ^оС, давление - 0,101325 МПа (760 мм рт. ст.);

- стандартные условия 15°С: температура - 15°С, давление -0,101325 МПа (760мм рт. ст.).

Например, плотность воздуха при различных условиях равна:

в₀=1,293 кг/м³ (0°С, 760 мм рт. ст.);

в₂₀ =1206 кг/м" (20 °С, 760 мм рт. ст.);

в₁₅ =1225 кг/м³ (15 °С, 760 мм рт. ст.).

В расчетах достаточно часто пользуются понятием относительной плотности, т.е. отношением плотности газа к плотности воздуха при одних и тех же условиях

. (1.1)

Плотность газа при нормальных условиях может быть определена по его молярной массе М

=М/22,41, (1.2)

где М - молярная масса, кг/кмоль; 22,41 - объем, который занимаемый

1 кмоль газа при нормальных условиях, м /кмоль.

Приведение плотности, объема и расхода газа к стандартным

условиям выполняется по следующим зависимостям _ _

, (1.3)

, (1.4)

, (1.5)

где Р и Р_ст - абсолютные давления; Т и Т_ст - абсолютные температуры газа; Z и Z_ст - коэффициенты сжимаемости газа соответственно при двух состояниях.

Плотность смеси газов подчиняется закону аддитивности (смешения)

(1.6)

где а_i - молярная (мольная объемная) концентрация, - плотность i-го компонента (табл. 1.3).

Газовая постоянная зависит от состава газовой смеси определяется по формуле( /( ))

= /М, (1.7)

где - универсальная газовая постоянная,

=8314,3 н м / (кмоль К) = 8,3143 кДж / (кмоль К)

Средние критические температура и давление смеси также подчиняются закону аддитивности

, (1.8)

, (1.9)

где Т_крi и Р_крi - абсолютные критические температура и давление компонентов смеси.

Критическим давлением называется такое давление, при котором и выше которого повышением температуры нельзя испарить жидкость.

Критическая температура - это такая температура, при которой и выше которой при повышении давления нельзя сконденсировать пар.

В соответствии с нормами технологического проектирования [ ] критические параметры природного газа могут быть определены, по известной плотности газовой смеси

(1.10)

(1.11)

где - плотность газа (кг/м³) при стандартных (20°С) условиях; критическое давление газа рассчитано в МПа, а критическая температура - в К.

Таблица 1.3

Физические свойства компонентов, входящих в состав природных газов

Продолжение таблицы 1.3

Сжимаемость газа учитывает отклонение газов от законов идеального газа. Сжимаемость газа характеризуется коэффициентом сжимаемости Z, который определяется экспериментально. При отсутствии экспериментальных данных коэффициент сжимаемости определяется по номограммам в зависимости от приведенных температуры и давления (Т_ПР, Р_ПР) газа или в зависимости от давления температуры и относительной плотности по воздуху, а также по формулам, рекомендованным в отраслевых нормах проектирования [ ]

, (1,12)

где

,

Р_ПР=Р/Р_КР, (1.13)

Т_ПР=Т/Т_КР. (1.14)

Влажность газов. Практически все газы содержат водяные пары, т.е. имеют некоторую влажность. Влажность природных газов обусловлена пластовыми условиями. В магистральных и распределительных газопроводах транспортируемый газ может насыщаться влагой, оставшейся в газопроводе после гидравлических испытаний. Присутствие сконденсированных водяных паров и кислых газов может вызвать коррозию трубопроводов и оборудования. При некоторых условиях (температуре и давлении) при наличии капельной влаги в газе могут образовываться кристаллогидраты.

Содержание влаги в газе характеризуется абсолютной и относительной влажностью.

Абсолютная влажность (в г/м³ или кг/кг) характеризует содержание водяных паров соответственно в единице объема или единице массы газа. Влагосодержание природных газов зависит от состава газа, температуры и давления и определяется по номограмме (рис. 1.2).

Относительная влажность газа – отношение фактического количества водяных паров в единице объема газа к максимально возможному количеству при определенных давлении и температуре.

, (1.15)

где m_П – количество водяного пара в единице объема пара; m_Т -максимально возможное количество водяного пара_, которое может находиться в газе без конденсации при данных давлении и температуре; Р_П - парциальное давление водяного пара в газовой смеси; Р_Т -давление насыщенного водяного пара при температуре Т.

Температура, при которой газ становится насыщенным при определенном давлении, называется точкой росы.

При подготовке к транспорту газ должен быть осушен так_, чтобы точка росы была на 5...7 градусов ниже минимальной температуры охлаждения газа в газопроводе (табл. 1.4).

Рис. 1.2. Диаграмма влагосодержания насыщенного природного газа

Таблица 1.4.

Требования к влажности транспортируемого газа

Примечание: 1. А - умеренная и жаркая климатическая зона; В – холодная климатическая зона. 2. Для обеих зон содержание механических примесей не болеем 0,1 г/100 м³, сероводорода не более 2 г/100 м³_, кислорода не более 1%.

Вязкость газа характеризуется коэффициентом динамической (абсолютной) вязкости (Па с) и определяется по формуле

. (1.16)

В условиях городских распределительных газопроводов (давление не более 2 МПа) коэффициент динамической вязкости мало зависит от давления и может быть также найден по формуле Сатерленда

, (1.17)

где - коэффициент динамической вязкости при температуре Т; ₀ – коэффициент динамической вязкости при 0⁰С; Т – абсолютная температура газа, К; С – постоянная Сатерленда:

Метан…..162 изо-Бутан…..368

Этан…….252 н-Пентан…...382

Пропан….373 Этилен……..225

Н-Бутан…377 Пропилен…..322

Коэффициент кинематической вязкости в зависимости от температуры и давления выражается формулой

. (1.18)

Теплоемкость реальных газов зависит от состава газа, температуры и давления. Изобарная теплоемкость природных газов (в кДж/(кгК) с содержанием метана более 85% в отраслевых нормах проектирования определяется из соотношения

(1.19)

Теплоемкость газовых смесей вычисляется по правилу аддитивности

,

где y_i – молярная доля компонентов в смеси.

Эффект Джоуля-Томсона. При снижении давления по длине газопровода и при дросселировании газа на ГРС наблюдается снижение температуры. На ГРС это вызывает обмерзание трубопроводов, запорных и регулирующих устройств и приводит к образованию гидратов в трубопроводах. Это явление учитывается коэффициентом Джоуля- Томсона (в К/МПа), для определения которого в отраслевых нормах проектирования рекомендуется аппроксимация (для природных газов с содержанием метана более 85%).

(1.20)

где с_Р - средняя изобарная теплоемкость газа, определяемая для средних значений давления и температуры в процессе дросселирования.

D может быть >0 и <0 (газ нагревается). Совокупность точек, где D=0 – линия инверсии.

Теплотворная способность (теплота сгорания) – тепло, выделяемое при сгорании единицы объема (или массы) газа при определенных условиях. Различают высшую и низшую теплотворную способность топлива. В большинстве энергетических установок (газотурбинные установки, печи и т.п.), предназначенных для использования или преобразования тепловой энергии, можно рассчитывать лишь на низшую теплоту сгорания топлива из-за невозможности воспользоваться теплотой, выделяющейся при конденсации паров воды как продукта сгорания топлива. Теплота сгорания природных газов определяется по правилу аддитивности с учетом теплоты сгорания индивидуальных компонентов и их молярной (объемной) доли в составе природного газа

, (1.21)

где - молярная доля 1- го компонента в составе сухого (индекс с) газа; Q_Hi- низшая теплота сгорания 1- го компонента ( кДж/м³).

Влажность природных газов влияет на их теплотворную способность. Пересчет молярной доли компонентов, плотности и теплоты сгорания рабочего состава газа (индекс р) с учетом влажности производится по формулам:

; (1.22)

; (1.23)

, (1.24)

где К определяется по формуле

. (1.25)

В приведенных выше формулах - влагосодержание газа, выражаемое в кг на м³ сухого газа при О °С и 0,101325 МПа.

Природный газ является многокомпонентной смесью. Методы анализа многокомпонентных смесей:

1. Хроматография – наибольшее распространение;

2. Масс – спектрометрические и др.