Физические свойства газов

Важнейшими физическими свойствами газов являются моляр­ная масса, плотность, вязкость и влажность. От свойств простых горючих и балластных газов, входящих в состав газового топлива, зависят его теплофизические свойства.

Молярная масса М, кг/кмоль — это отношение массы вещества к его количеству. Молярная масса некоторых простых газов дана в табл. 5

Плотность р, кг/м³ — это масса газа, приходящаяся на 1 м³ занимаемого им объема.

Вязкость — это способность газа оказывать сопротивление вза­имному перемещению частиц.

В технических расчетах чаще применяют производную ве­личину — коэффициент кинематической вязкости, м²/с:

υ = μ/ρ

Вязкость может быть определена лишь в условиях ламинарного течения газа. В условиях турбулентного движения вязкость переста­ет быть физической константой. В этом случае вместо вязкого со­противления оперируют понятиями о турбулентном сопротивле­нии, турбулентной вязкости.

Таблица5.3

Значение коэффициентов вязкости некоторых газов при температуре 0⁰С и давлении 101,3 кПа

Газ	Коэффициент динамической вязкости μ, Па•с•10-6	Коэффициент кинематической вязкости υ, (м2/с)•10-6	Коэффициент С в формуле Сутсрленда
Водород	8,35	93,8	83
Оксид углерода	16,93	13,55	102
Метан	10,55	14,71	198
Этан	8,77	6,45	287
Пропан	7,65	3,82	324
Бутан	6,97	2,55	349
Пропилен	7,82	4,11	322
Бутилен	7,78	3,12	329
Диоксид углерода	14,09	7,10	255
Кислород	19,58	13,73	138
Азот	16,93	13,55	107
Атмосферный воздух	17,53	13,56	122
Сероводород	11,82	7,68	331
Водяной пар при температуре 1000С	8,7	14,80	673

Влажностью называется содержание в газе водяного пара.

Насыщение водяными парами газа может быть только до опре­деленного предела, который зависит от температуры и давления. Температура, при которой газ, находящийся под определенным давлением, насыщен до предела водяными парами, называется точкой росы. Охлаждение от этой точки приводит к конденсации водяных паров.

Различают абсолютную, удельную и относительную влажность газа.

Абсолютной влажностью (влагосодержанием) газа называется количество или масса водяных паров, содержащихся в единице объема газа. Единица измерения абсолютной влажности — г/м³.

Удельной влажностью газа называется количество или масса во­дяного пара, приходящаяся на единицу массы влажного газа. Еди­ница измерения удельной влажности — г/кг.

Относительной влажностью газа (степенью насыщения газа во­дяными парами) называется отношение абсолютной влажности газа к максимально возможной при заданных температуре и давле­нии. Относительную влажность газа φ выражают в процентах и оп­ределяют как отношение парциального давления содержащегося в газе водяного пара р к давлению насыщенного водяного пара Р при той же температуре:

φ = р/Р

Насыщенные пары углеводородных газов при данных темпера­туре и давлении находятся в точке росы. При постоянном давле­нии и уменьшении температуры часть паров конденсируется. Из­менение давления при постоянной температуре приводит к сме­щению равновесия точки росы, но состояние насыщенности па­ров сохраняется.

Точка росы имеет важное значение в двухфазных системах (при­мер таких систем — сжиженные газы, представляющие собой пропан-бутановые смеси). Для предотвращения конденсатообразования при естественном испарении в различных климатических зонах и в различные периоды года необходимо применять сжиженные газы с различным соотношением пропана и бутана.

Точки росы для пропан-бутановой смеси при давлении 3 кПа приведены в табл. 5.4.

Точка росы для углеводородных газов, представляющих собой смеси простых газов, зависит от их состава и давления. В точке росы должно выполняться соотношение:

l/P = Σ X_i / P_i

где Р — общее давление смеси; и Р_i — соответственно мольная доля и парциальное давление i-го компонента газовой смеси.

Таблица 5.4

Точки росы для смесей пропана и н-бутана при давлении 3 кПа

Пропан, %	100	90	80	70	60	50	40	30	20	10	0
н-бутан, %	0	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
Точка росы, °С	-42	-32	-26	-2	-17	-13	-10	-8	-5	-2	0

Точку росы из-за сложности ее расчета обычно определяют по специальным номограммам. Номограммы имеют вид треугольни­ка, на каждой стороне которого отложено содержание того или иного газа. В качестве примера на рис. 1 приведена номограмма для определения точки росы смеси пропана, изобутана и н-бутана при атмосферном давлении. Для смеси, состоящей из 25 % про­пана, 60 % н-бутана и 15 % изобутана находят точку пересечения:

Рис.5.1 Номограмма для определения точки росы смеси пропана, изобутана и н-бутана при атмосферном давлении.

Из этой точки опускают перпендикуляр на шкалу температур и находят точку росы данной смеси (-7,6 °С).

Для определения точки росы можно использовать также специ­ально разработанные графики зависимости точки росы различных смесей от давления и объемной доли компонентов, которые при­водятся в справочной литературе.

При относительной влажности φ > 0,6 углеводороды с водой образуют кристаллогидраты, представляющие собой белые кри­сталлические тела, похожие на снег или лед. Они приводят к заку­порке газопроводов, клапанов регуляторов давления, запорной арматуры. Метан с водой образует гидрат СН₄•8Н₂О, этан СН₄•Н₂О.

Гидраты появляются при температуре, значительно превыша­ющей температуру образования льда. Максимальная температура, выше которой ни при каком повышении давления нельзя вызвать гидратообразование газов, называется критической температурой гидрообразования. Для метана она составляет 21,5 °С, этана — 14,5 °С, пропана — 5,5 °С.

Таблица 5.5

Условия образования гидратов

Этан		Пропан
Температура, °С	Давление, МПа	Температура, °С	Давление, МПа
-9,5	0,32	-11,9	0,1
-6,7	0,36	-9	0,12
-3,9	0,41	-6,3	0,13
-1,1	0,46	-5,6	0,14
0,6	0,51	-3,3	0,16
1,7	0,58	-1,0	0,17
10,8	1,7	1,7	0,24
13	2,7	2,3	0,27
14,5	3,4	3,3	0,34
—	—	4,4	0,41
—	—	5,5	0,48

Чем тяжелее углеводородный газ, тем скорее он образует гид­рат при наличии влаги.

Для предотвращения образования кристаллогидратов необхо­димо снижать влажность газов до φ < 0,6 при самой низкой рас­четной температуре в газопроводе.

Образовавшиеся гидраты можно разложить подогревом газа, снижением его давления и вводом веществ, уменьшающих упру­гость водяных паров и понижающих точку росы газа. Одним из таких веществ является метанол (метиловый спирт), который надо вводить в количестве 0,26 кг на 1000 кг газа.