Физико-химические свойства углеводородных газов

К основным параметрам газа относятся: молекулярная мас­са, плотность, сжимаемость, вязкость, а также упругость насы­щенных паров.

Газ является наиболее совершенным видом топлива. Он об­ладает высокой теплотой сгорания. Устройство топок для сжига­ния газа сравнительно простое. Воздух не загрязняется дымом и копотью.

Молекулярная масса газа представляет собой сумму мо­лекулярных масс атомов, входящих в молекулу газов. Масса газа в граммах, численно равная его молекулярной массе, называется молем. Если известен мольный, т.е. объемный, состав смеси газа в процентах, то средняя молекулярная масса его

где V₁, …V_n - мольные (объемные) концентрации компонентов,

%; M_{1, …} M_n - молекулярные массы компонентов.

Плотность газа (кг/м³) определяется отношением массы к объему:

где т — масса газа, кг; V— объем данной массы газа, м³.

Большинство горючих газов (водород, метан и др.) легче воздуха, а некоторые газы (пропан, бутан и др.) тяжелее. Этот показатель характеризуется понятием относительной плотности. Относительной плотностью газа называется отношение массо­вой единицы объема газа к массе такой же единицы объема сухо­го воздуха при одинаковых условиях (t и р)

,

где 1,293 кг/м³ – плотность сухого воздуха.

Поскольку плотность р зависит от давления, температуры и сжимаемости газа, плотность p₁ соответствует давлению Р₁ и температуре Т₁, то пересчет ее на другие давления Р₂ и темпера­туру Т₂ производится по формуле

где Т₁, Т₂ — температура; z₁ и z₂ — коэффициенты сжимаемо­сти газа соответственно при Р₁ и Т₁, а также при Р₂ и Т₂. Так как объем одного моля газа при данных значениях температуры и давления является величиной постоянной для всех газов (закон Авогадро), то плотности их прямо пропорциональны молекуляр­ным массам

Плотность газа при 0 °С и данном значении молекулярной массы определяют из выражения

где 22,414 м³ — объем 1 кмоля любого газа (0 °С и 760 мм рт. ст.).

Смеси газов.Плотность газовых смесей определяют по правилу смешения, согласно которому свойства смеси складыва­ются пропорционально из свойств компонентов, входящих в смесь

Р_СМ = а₁ · р₁ + а₂ · р₂ + …+ а_n · p_n,

где р_см — плотность смеси газов, кг/м³; а₁ ,...а_n — объемные концентрации (в долях единицы) компонентов смеси; p₁, … p_n -плотность компонентов.

Сжимаемость газовхарактеризуется коэффициентом, учи­тывающим отклонение реальных газов от законов идеального га­за. Коэффициент сжимаемости z газов определяют эксперимен­тально, а при отсутствии этих данных — по номограммам.

Критической температуройназывают температуру, выше которой газ не переходит в жидкое состояние, как бы ни повысили его давление (бутан — 152 °С, воздух — 142 °С, метан — 82 °С).

Критическим давлениемназывают такое давление, ниже которого газ не переходит в жидкое состояние, как бы ни пони­зили его температуру (воздух — 3,8 МПа, бутан — 3,5 МПа).

Среднекритические параметры газовой смеси определяют по правилам смешения:

—для среднекритической температуры (в К)

T_кр.см. = а₁ · Т_кр1 + а₂ · Т_кр2 + … + а_n · T_кр.n;

- для среднекритического давления (вПа)

Р_кр.см.=а₁ · Р_кр1 + а₂ · Р_кр2 + … + а_n ·P_кр.п.

Вязкость газа характеризует свойство газа оказывать со­противление сдвигающим усилиям возникающим в результате сил трения между слоями движущееся газа Коэффициент, учи­тывающий это свойство реальных газов и характеризующий про­порциональное отношение действующей силы сдвига, отнесен­ной к единице поверхности соприкасающихся слоев, называется коэффициентом динамической вязкости(Па-с)

где τ — напряжение внутреннего трения, Па; n — расстояние по нормам к направлению линейной скорости газа, м; w — линейная скорость газа, м/с.

При гидравлических расчетах пользуются понятием кине­матической вязкости (м²/с)

где р — плотность, кг/м³.

Вязкость газа не подчиняется правилу смешения, ее опре­деляют по эмпирическим формулам (при t = 20 °С):

— для динамической вязкости

— для кинематической вязкости

При температуре, отличающейся от + 20 °С (—10 до + 40 °С) кинематическая вязкость определяется из выражения

v_r=v₂₀ · [l + 0,006 · (t - 20)];

где v₂₀ и v_t — кинематические вязкости газовых смесей соот­ветственно при 20 °С и 0,1 МПа и при температуре газа t.

Теплоемкость. Теплоемкостью называется количество теп­ла, необходимого для нагревания на 1 К газа, взятого в количест­ве одной весовой или объемной единицы. Различают весовую и объемную теплоемкости газов. Весовая измеряется в килоджо­улях на килограмм-градус Кельвина кДж/(кг · К), объемная — в килоджоулях на кубический метр-градус Кельвина кДж/(м³ · К).

В зависимости от условий нагревания газа различают теп­лоемкость Ср при постоянном давлении (газ при нагревании в свободно расширяющемся сосуде расширяется, сохраняя посто­янное давление) и теплоемкость Cv при постоянном объеме (газ нагревается в сосуде постоянного объема). Эти две величины связаны между собой следующим соотношением

C_p-C_V=A· R,

где А = 1/427 - тепловой эквивалент работы; R = 8,4 Дж/(моль · К) — газовая постоянная; C_p>C_v на величину внешней работы, ко­торую совершает нагреваемый газ при расширении.

Теплота сгоранияоценивает газ как топливо. Она равна количеству тепла, выделяющегося при сжигании единицы веса или единицы объема газа.

Упругость насыщенных паровопределяется по закону Дальтона — Рауля. Давление, при котором жидкость при данной температуре находится в равновесном состоянии со своими па­рами, называется упругостью насыщенных паров жидкости. Каж­дой жидкости соответствует своя упругость паров. Кривая изме­нения давления от температуры называется кривой испарения. По закону Дальтона (закону парциальных давлений) давление газо­вой смеси равно сумме давлений компонентов, входящих в смесь:

P = P₁ + P₂ + …+ P_n =

Каждый компонент, обладая собственной упругостью (дав­лением), по объему равен объему смеси и приводится к общему давлению по закону Бойля-Мариотта

v_i · P = V·p_i,

где v_i — парциальный объем компонента; Р — общее давление газовой смеси; V — общий объем газовой смеси; p_i — парциальное давление компонента.

Парциальнымназывается давление каждого газа в смеси нескольких газов, которое он имел бы, если бы один занимал весь объем смеси.

P_i = x_i · P_уi

где — объемная или молекулярная концентрация.