1. Топливные и технологические газы (составы, получение, подготовка, транспорт)

1.1. Основные сведения о горючих газах

Горючие газы состоят из простых углеводородных соединений, являющихся органическими веществами, содержащими в своем составе 2 химических элемента – углерод (С) и водород (Н). Углеводороды отличаются друг от друга количеством атомов углерода и водорода в молекуле, а также, характером связей между ними. Самый простой углеводород, содержащий всего один атом углерода – метан (СН₄). Он является основным компонентом природного, а также, некоторых искусственных горючих газов. Следующий углеводород этого ряда – этан (С₂Н₆) – имеет 2 атома углерода. Углеводород с тремя атомами углерода – пропан (С₃Н₈), с четырьмя атомами углерода – бутан (С₄Н₁₀). Их структурные формулы представлены на рис. 1.1.

Метан Этан Пропан Бутан

Рис. 1.1. Структурные формулы метана, этана, пропана и бутана

Все углеводороды этого типа имеют формулу С_nН_2n+₂ и входят в гомологический ряд предельных углеводородов – соединений, в которых углерод до предела насыщен атомами водорода.

В промышленности и народном хозяйстве используются природные и искусственные топливные газы.

К природным относят газы: добываемые из чисто газовых или газоконденсатных месторождений; попутные – нефтяные, получаемые непосредственно на промысле и нефтяные получаемые при крекинг– процессе на нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ).

К искусственным относят газы, вырабатываемые на перерабатывающих заводах в процессе термической переработки жидких и твердых топлив, а также выделяющиеся в качестве вторичных продуктов некоторых производств, например, в доменном процессе, при получении кокса и др. Качество газообразных углеводородов определяет наличие отдельных горючих и негорючих газов его составляющих и примесей, количественно определяемое компонентным составом газовой смеси.

Горючая часть газового топлива состоит из углеводородов, водорода и окиси углерода.

В негорючую часть входят углекислый газ, азот, кислород и гелий.

К примесям относятся сероводород, аммиак, цианистые соединения, водяные пары, нафталин, смолы и пыль.

Негорючие газы и примеси являются балластом газового топлива и химического сырья, ухудшающие товарные теплофизические качества газа и эксплуатационные свойства оборудования транспортных систем.

1.2. Основные законы идеальных газов

Все газы, в том числе природный газ, подчиняются определенным законам. Но следует отметить, что эти законы в строгой форме справедливы только для идеальных газов. Реальные же газы имеют отклонение от законов для идеальных газов. Однако эти отклонения заметны только при давле­ниях более 0,5 МПа. Так как в городских системах газоснабжения, как правило, используют давления, не превышающие указанных пределов, то при проектировании и эксплуатации газовых сетей можно без каких-либо погрешностей пользоваться законами идеальных газов.

Закон Бойля – Мариотта определяет зависимость между дав­лением и объемом при постоянной температуре:

P₀ V₀ = P₁ V₁ = PV, (1.1)

PV - const,

где Р_о, Р_1, Р – абсолютные давления; V_o, V₁ , V – объемы газа при тех же давлениях.

Отсюда, если объем V_o газа, имеющего температуру Т_о и абсо­лютное давление Р_о, увеличить при неизменной температуре Т_о до объема V, то абсолютное давление этого газа изменится об­ратно пропорционально его объему:

. (1.2)

Этот закон, как мы увидим далее, обязательно учитывается при расчете газопроводов среднего, и высокого давления, распределительных газовых сетей, а также при подсчете количества газа, поданного по трубопроводам или находящегося в каких-либо емкостях или газгольдерах.

Закон Гей-Люссака определяет зависимость объема газа при постоянном давлении от температуры. Он выражается следующей формулой:

, (1.3)

т.е. при постоянном давлении объем газа пропорционален абсолютной температуре.

Уравнение закона Гей-Люссака можно также представить в виде:

V=V₀(1+αt), (1.4)

где V_o – объем газа при температуре газа, равной 0 °С; t- температура газа, °С; α – тепловой коэффициент расширения:

Изменение давления газа при постоянном объеме в зависи­мости от температуры (закон Шарля) описывается анологичным выражением :

P = P₀(1+αt), (1.5)

где Р_о – давление газа при 0 °С.

Общее уравнение состояния газов связывает три основные параметры состояния газа:

или (1.6)

Если это уравнение отнести к одному киломолю газа, то уравнение состояния примет следующий вид:

(1.7)

где Т – абсолютная температура газа; – объем киломоля газа; – универсальная газовая постоянная, имеющая одно и тоже численное значение для всех газов.

Поскольку, в соответствии с законом Авогадро, при нормальных физических условиях (t=0°С, Р₀=101,3 кПа) объемы 1 киломоля различных идеальных газов одинаковы и равны 22,4 нм³/кмоль, численные значения универсальной газовой постоянной равно

.

Для любого однородного газа удельная характеристическая га­зовая постоянная R_yд, Дж/(кг·К), равна универсальной газовой постоян­ной , деленной на молекулярную массу этого газа М:

. (1.8)