Физические свойства газов

      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. С(Х, H₂S, О₂, СО определяются поглоще­нием различными растворами (щелочь, щелочной 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/дм² (760 мм рт. ст.) в газовой же промышленности стандартными условиями приняты: температура 60° F (15,56° С) и давление 14,65 фунт/дм² (757,5 мм).

В России стандартными условиями считаются температура 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   (1х12)4-(4х1,01)=1б,04.

Молекулярный 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 м³.

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 каждогоком-понента 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 процент каждого.

Удельный вес газа. Вес 1 м³ газа при 0° С и атмосфер­ном давлении называется удельным весом газа (измеряется в кг/м³). 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.

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:

Метан...................................................................................................     90

Этан      ................................................................................................... 2

Пропан     ...........................................................................................     1,5

Бутан....................................................................................................     1,2

Пентан и более тяжелые....................................................................      0,8

Углекислота........................................................................................     1,5

Азот      .........   ....................................................................................     3

100

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..............................................................                          15222.0,015=0,0228

Бутан     .............................................................                         2 0065.0,012=0,0250

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

Углекислота      ................................................                          15194.0 015=0,0226

Азот....................................................................                          0 9672.0 03 =0,0290

0,8254

Таким образом, удельный вес газа по отношению к воздуху будет 0,8254.

Теплоёмкость или удельная теплота измеряется количе­ством тепла, потребным для нагревания единицы веса или объёма этого вещества на 1°С. Для газов она бывает весовой, измеряемой в ккал/кг и объёмной — ккал/м³.

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 С_р.

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  C_v.

Теплопроизводительность, 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/м³, 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 12 000 ккал/м³. Сухие газы имеют меньшую калорийность на м³, 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/см². Этот параметр имеет большое значение при извлечении газо-бензиновых фракций, а также при хранении и транспорте газобен­зина и жидких газов. Упругость паров отдельных углеводородов в зависимости от температуры приведена на диаграмме.

Упругость для каждого углеводорода различна, причем, чем тяже­лее углеводород, тем упругость его меньше. При одновременном на­хождении газа и жидкости в ёмкости, трапе или сепараторе разделе­ние на газовую и жидкую фазы происходит в соответствии с упругостью каждого компонента таким образом, что парциальные давления в газе и жидкости для одного и того же компонента будут равны.

Заранее можно сказать, что легких углеводородов (метан, этан, пропан), имеющих высокую упругость паров, в газе будет сравнительнобольше, чем в жидкости и, наоборот, более тяжелых углеводородов в газе будет меньше, чем в жидкости.