Физические свойства газов и законы газового состояния

Природные газы представляют собой физическую смесь отдельных компонентов, химически не действующих друг на друга. Поэтому при обработке этих газов к ним применимы основные законы физики и термодинамики с известными отклонениями, о которых будет сказано ниже.

Свойства природных газов предопределяются их составом, следовательно, если знать, какие компоненты входят в состав газа, можно определить его физические свойства.

Известны различные методы анализов газа для определения тех или иных компонентов его. С02, H2S, 02, СО определяются поглощением различными растворами (щелочь, щелочный раствор пирогаллола и др.), а углеводородные компоненты определяются сожжением. Однако, этот способ может дать только общее, суммарное количество углеводородов, что часто является недостаточным при решении вопроса о направлении использования газа.

В таких случаях следует произвести разделение отдельных углеводородов и определить их количество в смеси. Разгонку углеводородных газов на отдельные компоненты достаточно точно можно произвести на приборах В. А. Соколова и В. Подбельняка.

В последнее время в США предложен новый метод количественного определения углеводородных газов в смеси — спектроскопический, обеспечивающий надежные результаты и в значительно более короткое время, чем на фракционирующих аппаратах.

При решении практических вопросов использования газа и, в частности, вопроса об отбензинивании его, требуется определить количество тяжелых газо-бензиновых углеводородов в нем. В этом случае пользуются данными полного анализа газа или производят специальное определение содержания тяжелых фракций в газе одним из трех методов: компрессией и охлаждением испытуемого газа, поглощением жидкими поглотителями, такими, как керосин, соляровое масло и др., или поглощением активированным углем. Последний следует считать более надежным и применимым как для сухих, так и для жирных газов.

Физическое состояние газа определяется тремя величинами: объёмом, давлением и температурой. В зависимости от давления и температуры изменяется и объём газа. Чтобы иметь правильное представление о количестве газа, необходимо приводить его объём к стандартным условиям, т. е. к стандартной температуре и давлению. В США во всех термодинамических расчетах за стандартные условия приняты: температура 32° F (0° С) и давление 14,695 фунт/дм 2 (760 мм рт. ст.) в газовой же промышленности стандартными условиями приняты: температура 60° F (15,56° С) и давление 14,65 фунт/дм 2 (757,5 мм).

В СССР стандартными условиями считаются темпеоатура 0° С и давление 760 мм рт. ст.; в газовой промышленности принимают температуру 20° С и давление 760 мм рт. ст.

Основными физическими свойствами углеводородных газов являются:

1) молекулярный вес;

2) удельный вес в газообразном состоянии;

3) удельный вес в жидком состоянии;

4) теплоёмкость;

5) упругость паров;

6) температуры кипения и плавления;

7) критические температура и давление;

8) скрытая теплота испарения;

9) количество паров из единицы объёма жидкости.

Эти параметры характеризуют особенность и свойства каждого газа и жидкости. Знание их чрезвычайно важно при решении всякого рода задач, связанных с добычей, транспортом, переработкой и использованием газа.

Молекулярный вес какого-либо вещества представляет сумму весов атомов, входящих в молекулу. Например, молекулярный вес метана (СН4) равен (1 xl2)-f(4х 1,01) = 16,04.

хМолекулярный вес, выраженный в килограммах, называется килограмм-молекулой, или молем. Объём моля для всех газов при температуре 0° С и атмосферном давлении одинаков и равен 22,412 м 3 .

Молекулярные веса пропорциональны удельным весам того же вещества. Состав газовых смесей выражают в весовых и в объёмных процентах. Состав жидких смесей выражают в весовых, объёмных и в молекулярных процентах. Для газов объёмные и молекулярные проценты одинаковы. Если объёмные (молекулярные)проценты требуется перевести в весовые, то молекулярный процент каждого компонента умножают на молекулярный вес этого компонента, и получают вес его. Затем суммируют вес всех компонентов и определяют проценты каждого компонента в смеси. Наоборот, если требуется весовые проценты перевести в объёмные? нужно каждый весовой процент компонента разделить на его молекулярный вес, суммировать полученные моли компонентов и определить молекулярный или объёмный пррцент каждого.

Удельный вес газа. Вес 1 м ъ газа при 0° С и атмосфер-* ном давлении называется удельным весом газа (измеряется в кг/м 3 ). Относительный удельный вес газа есть отношение веса единицы объёма газа к весу такой же единицы объёма воздуха при одинаковых условиях температуры и давления.

Чем жирнее газ, тем больше его удельный вес.

Однако на основании одного удельного веса можно сделать самое общее предположение о жирности газа, имея в виду, что присутствие в газе углекислоты, азота и пр. может явиться причиной ошибочного вывода. В таких случаях следует проверить газ на содержание в нем газобензина одним из ранее упомянутых методов.

Удельный вес естественных газов по воздуху колеблется в пределах от 0,58 до 1,6, причем нижний предел относится к газам, главным образом состоящим из метана, верхний — характерен для жирных нефтяных газов. Определить численное значение удельного веса газа возможно двумя методами:

а) непосредственным измерением или

б) вычислением на основе известного состава газа.

Для непосредственного измерения существует несколько различных способов и приборов, причем наиболее точным считается способ взвешивания. По этому способу определение удельного веса газа ведут следующим образом. Берут баллон или колбу, откачивают из нее воздух масляным или ртутным насосом и взвешивают на аналитических весах. Затем взвешивают ту же колбу поочередно с воздухом и газом. Вычитая из веса баллона с газом или воздухом вес пустого баллона, узнают веса чистого газа и воздуха. Делением веса газа на вес воздуха находят удельный вес газа по отношению к воздуху.

Имеются более простые, но вместе с тем и менее точные способы определения удельного веса газа, основанные на методе истечения. В лабораторной практике пользуются распространением прибор Шилинга и прибор Бюро стандартов. На этих приборах определенный объём газа и воздуха пропускается через узкое отверстие в диафрагме и замечается время истечения этого объёма. Удельный вес газа находится из соотношения

где d—удельный вес газа;

7\ — время истечения газа;

Т2 — время истечения такого же объёма воздуха.

Если известен состав газа по отдельным компонентам, то легко вычислить удельный вес газа, зная удельные веса компонентов. Допустим, мы имеем газ следующего состава в объёмных процентах:

Требуется определить удельный вес этого газа. Это легко сделать путем умножения удельного веса каждого компонента на содержание его в газе и сложения полученных произведений, т. е.

Метан . . 0,5538.0,90 =0,4984

Этан. 1 0381. 0,02 =0,2076

Пропан. I 5222. 0,015=0,0228

Бутан . 2 0065.0,012=0,0250

Пентан и более тяжелые . . . 2,5100.0,008=0,0200

Углекислота . I 5194. О 015=0,0226

Азот . 0,9672 . 0,03 =0,0290

Таким образом, удельный вес газа по отношению к воздуху будет

Теплоёмкость или удельная теплота измеряется количеством тепла, потребным для нагревания единицы веса или объёма этого вещества на ГС. Для газов она бывает весовой, измеряемой в ккал/кг и объёмной — ккал/м 3 .

При нагревании газа возможны два случая:

1. Газ находится в свободно расширяющемся сосуде.

По мере нагревания газа объём его расширяется (давление в сосуде остается постоянным), а поглощаемая им теплота расходуется на повышение температуры и на производство внешней работы. Теплоёмкость газа при этом Ср.

2. Газ находится в сосуде постоянного объёма. По мере нагревания температура и давление газа возрастают. Так как объём остается постоянным, то газ никакой работы не совершает, и тепло тратится только на повышение температуры. Теплоёмкость газа в этом случае будет Cv.

Легко понять, что Ср больше Cv на величину внешней работыг которую обозначим через R. Если тепловой эквивалент работы обозначить через А, то можно написать следующее равенство:

Ср — Су = AR

В технике очень важным является отношение теплоёмкостей Ср к Cv.

Теплоёмкости Ср и Cv зависят от температуры: с возрастанием ее теплоёмкость также возрастает. Теплоёмкость Cv возрастает быстрее, чем Ср, и поэтому отношение их с возрастанием температуры убывает.

Объёмная теплоёмкость определяется по весовой из соотношения:

Для смеси газов теплоёмкость определяется по процентному составу газа и теплоёмкости компонентов, входящих в данную смесь.

Т еплопроизводительность, или теплотворная способность определяется тем количеством тепла, которое выделяется при сжигании единицы веса или единицы объёма вещества и измеряется в калориях.

Для газа теплопроизводительность измеряется в ккал/кг и в ккал/м 3 „ Эта величина весьма существенна при оценке газа как топлива. Следует отличать низшую теплопроизводительность от высшей; низшая меньше высшей на то количество тепла, которое идет на парообразование воды, заключающейся в продуктах горения.

На практике приходится иметь дело с низшей теплотворной способностью. Теплопроизводительность естественных газов изменяется от 7500 до 12 ООО ккал/м 3 . Сухие газы имеют меньшую калорийность на ж 3 , чем жирные газы, но более высокую на кг.

Для смеси газов теплотворную способность можно вычислить, исходя из состава газа и теплотворной способности его компонентов.

Упругость паров углеводородов измеряется в мм рт. столба или в кг/см 2 . Этот параметр имеет большое значение при извлечении газо-бензиновых фракций, а также при хранении и транспорте газобен-зина и жидких газов. Упругость паров отдельных углеводородов в зависимости от температуры приведена на диаграмме (фиг. 1).