Возможно образование конденсата при снижении температуры ниже точки росы или при повышении давления.
Сжиженные газы являются хорошими растворителями нефтепродуктов и резины. В связи с этим в распределительных системах сжиженных газов должны применяться специальные смазки для устранения утечек газа и заменители резины, стойкие против их растворения сжиженными газами.
В нормальном состоянии сжиженные газы не ядовиты и не обладают запахом.
Состав СУГ.
Сжиженные углеводородные газы состоят из простых углеводородных соединений, являющимися органическими веществами, содержащими в своем составе 2 химических элемента, углерод и водород. Основным компонентом сжиженных углеводородных газов (пропан и бутан) относятся к насыщенным углеводородам открытого строения - алканам. Все углеводороды этого типа имеют общую формулу и входят в гомологический ряд предельных углеводородов - соединений в которых углерод до предела насыщен атомами водорода.
Пропан СН4 и этан С2Н6 - являются газами. Пропан С3Н8 нормальный бутан С4Н10 изобутан при нормальных условиях находятся в газообразном состоянии, но при незначительном повышении давления они конденсируются в жидкость.
Пентан С5Н12 - летучая жидкость, входит в состав газового бензина. Высшие углеводороды - твердые тала.
Наряду с нормальными углеводородами существуют так называемые изомерные соединения, отличающиеся характером расположения атомов углерода, а также некоторыми свойствами. Пропан изомера не имеет, изомер бутана - изобутан.
Помимо предельных в составе товарных сжиженных газов встречается также группа насыщенных углеводородов. Это этилен, пропилен, бутилен нормальный и изомер.
Токсические свойства СУГ и продуктов.
Углеводородные газы действуют на организм человека наркотически, но их действие ослабляется малой растворимостью в крови. Следовательно при обозначенных условиях СУГ не ядовиты. Сильным ядом является окись углерода которая образуется при неполном сгорании углеводородных газов. Все газы кроме кислорода обладают удушающими свойствами ( при снижении кислорода в воздухе).сжиженные газы характеризуются низкой температурой кипения и поэтому при испарении во время внезапного выхода в атмосферу из трубопровода или резервуара охлаждаются до отрицательной температуры. Жидкая фаза, попадая на окружающие предметы, в том числе на незащищенную кожу человека, и интенсивно охлаждая может привести к обморожению. Обморожение возможно как в зимнее так и в летнее время. Основной особенностью и положительным свойством сжиженных углеводородных газов является способность к сжижению при сравнительно небольшом повышении давления. Это приводит к тому, что при использовании всегда наблюдаются газовые превращения. Поэтому в отличии от систем использующих сухой(тощий) газ, элементы систем снабжения сжиженными газами необходимо рассчитывать исходя из свойств жидкой и паровой фаз с учетом особенности фазовых превращений. Расчеты проводят по таблицам и диаграммам состояния углеводородов.
По ним можно определить: упругость паров при данной температуре, давление перегретых паров при данных условиях, удельный объем и плотность жидкопаровой и газовой фаз, их теплосодержание, теплоту парообразования, степень сухости и степень влажности паров, работу сжатия газа комрессором и повышение температуры при сжатии, эффект охлаждения жидкости и газа при снижении давления (дросселировании), теплоемкость при постоянном объеме для жидкой паровой и газовой фаз, скорость истечения газа из сопел и газогорелочных устройств.
Состав сжиженных углеводородных газов, используемых для коммунально - бытового газоснабжения, должен соответствовать нормам приведенным в ГОСТ 20448-95.
Установлены следующие марки сжиженных газов:
СПБТЗ - смесь пропана и бутана техническая зимняя.
СПБТЛ - смесь пропана и бутана летняя.
БТ - бутан технический.
В зимних условиях при низких температурах для поддержания необходимого давления в системах газоснабжения в составе сжиженного газа должно быть больше легкого компонента (пропана). Летом количество пропана может быть сокращено.
Различные климатические условия, в которых применяют сжиженные газы, определяют рабочие параметры сжигаемого газа, основным из которых является давление.
Зимой необходимо поддерживать давление, достаточное для работы регуляторов при низкой температуре (Рmin=0,15кПа), летом оно не должно превышать максимального расчетного значения (Рmax=1,6кПа). Наибольшее давление при низкой температуре у пропана, а наименьшее при высокой у бутана. Следовательно, при промежуточных условиях необходимо использовать их смеси.
Закон Бойля - Мариотта.
Критические температура и давление.
Зависимость объема от его давления характеризуется законом Бойля - Мариотта для данной массы газа во сколько раз уменьшается объем, во столько же раз увеличивается давление. Произведения же данной массы газа на его объем постоянно, если температура газа не изменяется:
P2 V1 = P2 V2=const при t=const.
Закон Бойля - Мариотта точно соблюдается при давлении не слишком превышающем 1 атмосферу. Изменение состояния реального газа с увеличением давления все больше будет отличаться от приведенной закономерности.
Проделаем мысленно эксперимент, цилиндр, наполненный углекислым газом, поместим в резервуар с жидкостью постоянной температуры и будем сжимать газ поршнем настолько постепенно, чтобы жидкость успевала отбирать теплоту и температура газа не менялась. В начале опыта при Т= const давление с уменьшением объема растет в соответствии с законом Бойля - Мариотта (участок V0 V1) затем с ростом давления наблюдается небольшое отклонение от этого закона (участок V1 V2) и, наконец, несмотря на уменьшение объема, давление не уменьшается (участок V2 V3). В точке V2 часть газа начала конденсироваться - переходить в жидкое состояние. Сжимая газ и уменьшая его объем от V2 до V3, мы увеличиваем в цилиндре массу жидкости и уменьшаем массу газа. Переходя в жидкое состояние, газ занимает меньший объем, поэтому, несмотря на уменьшение объема, давление в цилиндре не возрастает. В точке V3 весь газ будет сконденсирован, цилиндр окажется запоненным жидкостью, и при дальнейшем, даже незначительном уменьшении объема давление возрастет очень быстро (участок V2 V4).
Постоянное давление, при котором жидкость находится в равновесии со своим газом, называют давлением насыщенного пара, а сам газ при этом - насыщенным паром.
Чем выше температура при которой производят сжатие газа, тем короче горизонтальный участок - участок постоянного давления.
При определенной температуре Тк этот участок превращается в точку К, а температуру называют критической. Давление, необходимое для сжижения газа при критической температуре, называют критическим давление Рк. Чем температура ниже критической, тем при меньшем давлении этот газ может быть сжижен. Наиболее легко сжижается пропан, бутан, пентан.
Состояние вещества при котором исчезает различие между жидкой и паровой фазами, называется критическим состоянием. Оно наступает при критическом давлении и температуре. Объем который при этом занимает вещество, называют критическим. При температуре выше критической нельзя превратить газ в жидкость. Смесь идеальных газов не вступающих между собой в химические соединения, ведет себя, как идеальный газ и подчиняется уравнению состояния:
PV=GRT,
Где Р - давление газа
V - объем газа
G - масса газа
R - газовая постоянная
Т - абсолютная температура
Каждый идеальный газ, входящий в смесь, ведет себя так, как если бы в смеси не было других газов, распространяется по всему объему смеси и следует своему уравнению состояния.
Смесь газов подчиняется закону Дальтона, согласно которому общее давление смеси равно сумме давлений отдельных газов, образующих смесь, т.е сумме парциальных давлений ( парциальным называется давление, которое имеет каждый газ в объеме смеси и при температуре смеси).
Рсм=УРi
При этом парциальное давление каждого компонента равно объемному давлению, умноженному на объемное (молярное) содержание данного компонента в смеси:
Рi=riP
Рi - парциальное давление газа i.
ri - молярная доля компонента в паровой(газовой) фазе.
Все сжиженные углеводородные газы (жидкости) взаимно растворяются друг в друге, поэтому к ним при невысоких давлениях применим закон Рауля.
В соответствии с этим законом парциальное давление пара каждого компонента жидкой смеси равно упругости паров его в чистом виде при данной температуре умноженной на молярную долю данного компонента в жидкой фазе.
Рi=xi Рiнас
Рi - парциальное давление паров компонента i, находящегося в смеси.
хi - молярная доля компонента i, в жидкой смеси.
Рiнас - упругость паров чистого компонента i.
Упругость паров жидкой смеси (её давление) равна сумме парциальных давлений паров всех компонентов.
Р=УРi=Уxi Рiнас
Состав газовых смесей и смесей взаимно растворимых жидкостей задают молярными долями (числом молей) для газов ri, для жидкостей xi, массовыми долями mi, объемными долями Vi .
Объем смеси равен сумме объемов газов входящих в смесь.
Общая масса газа равна сумме масс отдельных газов, входящих в смесь.
М=УМi, то m1+ m2…. mn=1
Парциальное давление компонента i в паровой фазе по закону Дальтона равно:
Рi=riP
Давление паров компонента i находящегося в жидкой фазе, по закону Рауля составляет:
Рi=xi Рiнас
Из равенства парциальных давлений получаем основное уравнение:
Рri=xi Рiнас
Где Кi - константа равновесия или коэффициент распределения.
Двухфазное состояние двухкомпонентных систем хрошо отражается диаграммой состояния.
Она строиться по упругостям испарения компонентов и объединенному закону Дальтона - Рауля. Построим такую диаграмму для пропана и бутана. Давление жидкой смеси определяется уравнением: Р=УРi=Уxi Рiнас представляющим собой прямую линию.
Рисунок.
Линия АВ является границей между жидкой фазой и двухфазной системой и является линией упругости жидкой смеси. Выше этой линии находится жидкость; при снижении давления начинается процесс испарения (кипения) жидкости и образуется двухкомпонентная система.
Таким образом линия АВ является линией начала испарения. Если продолжать испарение и снижать давление, тогда наступит момент, когда испарится вся жидкость и образуется смесь сухого пара.
Геометрическое место точек таких давлений образует линию 2 - линию начала конденсации или линию точек росы. Ниже этой линии находится смесь перегретого пара. Эта кривая строится по уравнению.
Рri=xi Рiнас
Откуда для каждых пар значений Р,х определяем соответствующее значение r и по r строим кривую. Область 3 соответствует двухфазной системе, состоящей из жидкости и пара.
Если смесь углеводородов находится в замкнутом объеме, при термодинамическом равновесии и представляет собой двухфазную систему, то при данной температуре по составу жидкой фазы рассчитывают состав паровой фазы или по составу паровой фазы определяют состав жидкости.
В процессе расчета также вычисляют давление смеси. Если известен состав жидкой фазы, то состав паровой фазы рассчитывают следующим образом. По заданной температуре определяют упругость паров, Рiнас компонентов и рассчитывают давление смеси по формуле:
Р=Уxi Рiнас
По формуле:
niP=xi Рiнас
Определяют мольный состав паровой фазы:
Ри известном составе паровой фазы состав жидкости находят следующим образом. По формуле Рri=xi Рiнас
Просуммируем Xi для всех компонентов, имея в виду, что Уxi=1
Отсюда:
Далее по формуле: niP=xi Рiнас
Определяют состав жидкой фазы Х: если известно давление и температура двухфазной системы, а также состав в однофазном состоянии. Такая задача решается при расчете состава смеси в баллоне.
Предположим, что мольный состав жидкой смеси равен единице. Температура t и давление P заданны. Требуется определить состав паровой Уri =1 и жидкой Уxi =1 фаз, также долю общего числа молей залитых в баллон которые перешли в паровую фазу V и остались в жидкой фазе Li(V+L=1).
Общее количество молей для компонента i - Ai равно количеству молей в жидкой фазе riV, т.е.
Ai =Lxi+ Vri подставим в это выражение ri
А также исключим величину V, используя выражение V=1-L
Далее определяется:
Просуммируем хi для всех компонентов:
Из этого уравнения определим значение L и рассчитаем состав паровой и жидкой фаз. Аналогично можно получить расчетную зависимость, по которой сначала определяют величину V далее рассчитывают состав паровой и жидкой фаз.
Лекция 8
8.1 Газонаполнительные станции сжиженных углеводородных газов
Газонаполнительные станции (ГНС) сжиженных газов - это стационарные хранилища для приёма от поставщиков и хранения сжиженных газов и выдачи их потребителям.
На ГНС сжиженных газов осуществляются следующие операции:
Приём от поставщика сжиженных газов, поступающих в железнодорожных цистернах;
Слив сжиженных газов в свои хранилища;
Хранение сжиженных газов в надземных или подземных резервуарах, баллонах и т.д.
Слив из пустых баллонов неиспарившихся остатков и слив сжиженных газов из баллонов, имеющих неисправности;
Разлив сжиженных газов в баллоны, передвижные резервуары, автоцистерны;
Приём пустых и выдача наполненных баллонов;
Транспортировка сжиженного газа в баллонах и по внутренней трубопроводной сети;
Ремонт и переосвидетельствование баллонов;
Технологическое обслуживание и ремонт оборудования ГНС;
Доставка сжиженных газов потребителям в баллонах и автоцистернах;
Территория ГНС по периметру должна иметь ограду из несгораемых материалов, а также должна быть разделена оградой на две зоны: производственную и вспомогательную.
Производственная зона - наполнительное отделение с погрузочно-разгрузочными площадками для баллонов, в котором производятся все операции с баллонами.