Диаграммы состояния СУГ

Все основные характеристики пропана и н-бутана: плотность, удельный объем, теплоемкость, энтальпия жидкости, насыщенных и перегретых паров в зависимости от тем­пературы и другие — могут быть легко и с допустимой для прак­тики точностью найдены по диаграммам состояния вещества, ко­торые были предложены Институтом газа АН УССР (рис. 9.17, 9.18). Схема их построения приведена на рис. 9.16.

На горизонтальных осях диаграмм отложены значения энталь­пии, I, а на вертикальной — значения постоянного давления насы­щенных и перегретых паров р. Жирной линией нанесена погра­ничная кривая ЖКП, состоящая из двух частей: кривой ЖК, характеризующей состояние жидкости, и кривой ПК, характери­зующей состояние насыщенного пара. Между этими кривыми про­ведены из критической точки к линии постоянной сухости пара КХ (X, кг/кг). Удельные объемы (υ, м³/кг) показаны в области жидкости линиями ОБ, а в области пара О'Б'В.

Линии постоянной температуры (t, °C) показаны: в докритической зоне (ниже точки К) ломаной кривой ТЕМП, а в сверх­критической зоне (выше точки К) главной кривой Т'Е'. Линии постоянной энтропии [S, кДж/(кг·°С)] показаны кривыми АД. Пользование приведенными диаграммами состояния пока­зано на примерах.

Рис. 9.16. Схема построения диаграмм состояния

Пример 9.6.1.Определить упру­гость насыщенных паров жидкого пропана, находящегося в резерву­аре, если температура жидкости равна +20 °С.

Решение

Находят пересече­ние линии постоянной температуры, соответствующей +20 °С (линия ТЕ на рис. 9.16), с пограничной кривой насыщенного пара (линия ПК). За­тем через точку пересечения прово­дится линия; параллельная линии постоянного давления, и на оси ор­динат отсчитывается упругость па­ров насыщенного пропана. Для на­стоящего примера эта упругость равна 0,84 МПа (абс.). Упругость паров пропана при температуре +20 °С равна 0,833 МПа (абс.). Если линия постоянной температуры не пересекает пограничную кривую насы­щенного пара (линия Т'Е' на рис. 9.16), то это свидетельствует, что при этой температуре пропан никаким давлением не может быть превращен в жидкость, так как его температура выше критической.

Пример 9.6.2.Определить удельный объем и плотность жидкой и паровой фаз пропана в условиях примера 9.6.1.

Решение

Удельный объем жидкого пропана находится в точке пересече­ния линии постоянной температуры с пограничной кривой жидкости, а удельный объем насыщенных паров — в точке пересечения этих линий с пограничной кривой пара. Для данного примера удельный объем находится по рис. 9.17: υ_ж = 0,00196 м³/кг, а удельный объем насыщенного пара υ_п = 0,058 м³/кг. Точ­ные значения этих величин: υ_ж = 0,002004 м³/кг, υ_п=0,056 м³/кг. Плотности жидкости и пара определяются по известным форму­лам: ρ_ж=1:0,00186 = 510,2 кг/м³, ρ_п = 1: 0,058= 18,24 кг/м³.

Пример 9.6.3.Определить скрытую теплоту испарения жидкого пропана при условиях примера 9.6.1.

Решение

Скрытая теплота испарения определяется по разности энталь­пий насыщенного пара и жидкости. Энтальпия жидкости находится на оси абсцисс по точке пересечения линии постоянной температуры (или постоянного давления) с пограничной кривой жидкости, а энтальпия насыщенного пара — по точке пересечения этих линий с пограничной кривой насыщенного пара. Для условий примера энтальпия жидкости i_ж = 140,7 кДж/кг и энтальпия насыщен­ного пара I_н.п=495,6 кДж/кг. Скрытая теплота испарения λ=i_н.п—I_ж = 495,6—140,7=354,9 кДж/кг, ее значение 345,67 кДж/кг.

Пример 9.6.4.Определить количество тепла, необходимое для испарения 100 кг жидкого пропана и перегрева его паров до 20 °С под давлением 0,5МПа (абс.).

Решение

Энтальпия кипящей жидкости по рис. 9.17 I_ж = 100,8 кДж/кг. Энтальпия перегретого пара (точка пересечения линии постоянного давления и кривой постоянной температуры) I_п.п = 512,4 кДж/кг. Теплота

испарения 1 кг жидкости и перегрева 1 кг пара q=I_п.п—I_ж = 512,4—100,8=411,6 кДж/кг. Коли­чество тепла, необходимое для испарения 100 кг жидкого пропана и перегрева его паров до 20 °С Q = 411,6·100 = 41160 кДж/кг. Для условий примера по той же диаграмме определяют температуру кипения жидкости t_к..ж = +1 °С (при­ближенно эта же температура соответствует упругости паров). Скрытая теплота испарения λ=478,8—100,8=378 кДж/кг. Теплота перегрева па­ров q_пер = q—λ = 411,6—378 = 33,6 кДж/кг.

Рис. 8.17. Диаграммы состояния пропана

Пример 9.6.5.Определить количество пара, которое образуется при дроссели­ровании жидкого пропана от 0,8 до 0,2 МПа (абс.), и температуру в конце дросселирования.

Рис. 8.17. Диаграммы состояния бутана

Решение

Дросселирование жидкости проходит по линии постоянной эн­тальпии от точки пересечения линии постоянного давления с пограничной кривой жидкости (точка М на рис. 9.16) до точки пересечения постоянной энтальпии с заданной линией постоянного давления (точка X' на рис. 9.16). Точка пересе­чения заданной линии постоянного давления с линией постоянной энтальпии и кривой постоянной сухости пара (точка X') показывает, какое количество пара образовалось в результате дросселирования жидкости. Для заданного примера по рис. 9.17 его количество равно 0,25 кг/кг. Температура в конце дросселиро­вания

определяется точкой пересечения заданной линии постоянного давления с пограничной кривой пара (точка А на рис. 9.16). Для заданного примера эта температура по рис. 9.17 равна -25 °С.

Пример 9.6.6.Определить работу, необходимую для сжатия 1 кг насыщенных паров пропана от 0,2 до 0,8 МПа (абс.), и температуру пара в конце про­цесса. Процесс сжатия от начального до конечного давления проходит по линии постоянной энтропии.

Решение

Теоретическая работа сжатия определяется разностью энталь­пии в конце процесса (точка Д) и в начале процесса (точка А): ΔI_cж—I_д—I_A.

Температура пара (газа) в конце процесса определяется линией постоян­ной температуры, проходящей через точку Д. Для заданного примера по рис. 9.17 ΔI_cж = 512,4 - 449,4 = 63 кДж/кг. Температура пара в конце процесса сжатия равна +25 °С.

Пример 9.6.7.Критическая температура н-бутана Т_кр.=425,2⁰К и критическое давление Р_кр.=37,5 атм. Определить удельный объем н-бутана при температуре 80 ⁰С и давлении 10 кг/см².

Решение

а) Определяем приведенную температуру и приведенное давление

б) По графику рис. 9.3 определяем коэффициент сжимаемости z=0,825

в) удельный объем определяем из уравнения

,

откуда .

Задача 9.6.1.Газовая смесь, состоящая из метана - 80%; этана - 8,5%; этилена - 4.8%; пропана - 6% и пропилена - 0,7%, сжата при температуре 60⁰С до 40 ат. Определить плотность газовой смеси (рис. 9.3.)

Ответ: ρ = 27,3 кг/м³