燃气的分类及其性质

CHAP1燃气的分类及其性质1.2燃气的基本性质1.2.1混合气体及混合液体的平均分子量、平均密度和相对密度表1－2及表1－3给出了燃气组成中常见的低级烃和某些单一气体的基本性质。如何求解混合气体及混合液体的基本特性呢？一、平均分子量混合气体的平均分子量计算公式如下：式中——混合气体平均分子量；、、——各单一气体分子量；、、——各单一气体分子量。)(10012211nnMyMyMyMM1y2yny1M2MnM混合液体的平均分子量计算公式如下：式中——混合液体平均分子量；、、——各单一液体分子成分；、、——各单一液体分子量。)(10012211nnMxMxMxMM1x2xnx1M2MnM二、平均密度和相对密度混合气体平均密度计算公式如下：混合气体相对密度计算公式如下：式中——混合气体平均密度（kg/Nm3)——混合气体平均摩尔容积（Nm3/kmol)——混合气体相对密度（空气为1）；1.293——标准状态下空气的密度（kg/Nm3)MVMMVMS293.1293.1MVS天然气、焦炉煤气都比空气轻，而气态液化石油气约比空气重一倍。混合液体平均密度与101325Pa、277K时的水的密度之比称为混合液体相对密度。常温下，液态液化石油气的密度是500kg/m3,约为水的一半。自学例题1－1、1－21.2.2临界参数及实际气体状态方程一、临界参数临界温度：温度不超过某一数值时，对气体进行加压，可以使气体液化，而在该温度以上，无论加多大压力都不能使气体液化，该温度称为气体的临界温度。临界压力：在临界温度下，使气体液化所必须的压力叫做临界压力。C点为临界点，这时的温度TC、压力PC、比容vc、密度分别叫做临界温度、临界压力、临界比容和临界密度。气体的临界温度越高，越易液化。c图1－1所示为在不同温度下对气体压缩时，其压力和体积的变化情况。当从E点开始压缩时至D点开始液化，到B点液化完成；而当气体从F点开始压缩时至C点开始液化，但此时没有相当于BD直线部分，其液化的状态与前者不同。C点为临界点。它既不属于气相，也不属于液相。混合气体的平均临界压力和平均临界温度按公式（1－9）（1－10）计算。同学自学。图1－2中的曲线是蒸汽和液体的分界线，曲线左侧为液态，右侧为气态。由图1－2可知，气体温度比临界温度越低，则液化所需压力越小。由图1－2发现，CH4的临界温度最低，H2O的临界温度最高。天然气主要成分为甲烷，CH4的临界温度很低，故很难液化。液化石油气主要成分是丙烷(C3H8)、丙烯(C3H6)、丁烷(C4H10)和丁烯(C4H8),各种组分的临界温度较高，较易液化。二、实际气体状态方程当燃气压力低于1MPa、温度在10～20℃时，在工程上还可当作理想气体。当压力很高（如天然气的长输管线中）、温度很低时，必须采用实际气体状态方程。式中——气体的绝对压力（Pa）；——气体的比容（m3/kg）；——压缩因子；——气体常熟[J/(KG.K))]——气体的热力学温度（K）。ZRTPvPvZRT压缩因子的求解方法压缩因子是对比温度和对比压力的函数。——工作温度；——临界温度；——工作压力；——临界压力。由图1－3、1－4可以查得压缩因子ZZcrTTTcrPPPrTrPTcTPcPZ混合气体压缩因子的求解方法先计算混合气体的平均临界压力和平均临界温度；利用图1－3、1－4求得压缩因子；例题1－3、1－4自学。1.2.3粘度混合气体的动力粘度近似计算公式如（1－13）所示，这时不考虑温度对粘度的影响。混合气体的动力粘度也可按公式（1－14）计算，这时考虑温度对粘度的影响。混合液体的动力粘度可近似按公式（1－15）计算混合气体及混合液体的运动粘度按公式（1－16）计算。例题1－5自学。1.2.4饱和蒸气压及相平衡常数一、饱和蒸气压与温度的关系液态烃的饱和蒸气压，简称蒸气压，就是在一定温度下密闭容器中的液体及蒸气处于动态平衡时蒸气所表示的绝对压力。蒸气压仅仅取决于温度，与密闭容器的大小及溶液量无关。表1－5为不同温度下部分液态烃的饱和蒸汽压。由表中数据可以看出，温度升高时，蒸气压增大；反之，温度下降时，蒸汽压降低。二、混合液体的蒸气压根据道尔顿定律得：式中为混合液体任一组分的蒸气分压。根据拉乌尔定律得：式中为混合液体任一组分的摩尔成分。为该纯组分在同温度下的蒸气压。因此，混合气体的蒸气压为：iiiPxPPiPPiiiPxPiPixiP举例：居民家中使用的液化石油气主要组成为丙烷及丁烷，当温度一定时，其蒸汽压取决于丙烷、丁烷的含量。当使用容器中的液化石油气时，总是先蒸发出较多的丙烷，而剩余的液体中丙烷的含量渐渐减少。所以，温度虽然不变，容器中的蒸汽压也会逐渐下降。三、相平衡常数根据拉乌尔定律根据混合气体分压力定律由上面两式得：式中为混合液体任一组分的摩尔成分式中为该组分在气相中的摩尔成分。iiiPxPPyPiiiiiikxyPPiyix相平衡常数表示在一定温度下，一定组成的气液平衡系统中，某一组分在该温度下的饱和蒸气压与混合液体蒸气压的的比值是一个常数。在一定温度和压力下，气液两相达到平衡状态时，气相中某一组分的摩尔成分与其液相中的摩尔成分的比值，也是一个常数。工程上，常利用平衡常数k计算液化石油气的气相组成或液相组成。（计算方法同学自学）iPPikikiyix1.2.5沸点与露点一、沸点沸点：通常说101325Pa压力下液体沸腾时的温度。沸点：广义地说，沸点指某压力下液体沸腾时的温度。由表1－6可见，冬季当液化石油气容器设置在以下的地方时，应该使用沸点低的丙烷、丙稀组分高的液化石油气。因为丙烷、丙稀在寒冷的地区或季节也可以气化。C0二、露点饱和蒸气经冷却或加压，立即处于过饱和状态，当遇到接触面或凝结核便液化成露，这时的温度称为露点。表1－5所列的饱和蒸气压相应的温度就是露点。气态碳氢化合物在某一蒸气压时的露点也就是液体在同一压力时的沸点。举例：液态丙烷在－20℃时的饱和蒸气压为0.248MPa；也可以说液态丙烷在0.248MPa压力时的沸点为－20℃；也可以说丙烷蒸气在0.248MPa压力时的露点为－20℃。碳氢化合物混合气体的露点计算方法同学自学。在实际的液化石油气供应中，有时采用含有空气的非爆炸性混合气体。由于碳氢化合物蒸气分压力降低，因而露点也降低了。露点随混合气体的压力及各组分的容积成分而变化，混合气体的压力增大，露点升高。当用管道输送气体碳氢化合物时，必须保持其温度在露点以上，以防凝固，阻碍输气。丙烷、正丁烷与空气混合物的露点，见图1－9，1－10。例1－8（自学）结果表明，液化石油气中蒸气压大的丙烷组分蒸发得快，随着液化石油气得消耗，容器的液体中高沸点的组分正丁烷的比例在增加，所以温度虽然不变，而容器中的蒸气压却渐渐下降。最终容器中会残留不能蒸发的C4。露点的直接计算（见P20)液化石油气的气化潜热由表1－9可知，温度升高，气化潜热减小，到达临界温度时，气化潜热为零。1.2.6液化石油气的气化潜热1.2.7容积膨胀液态碳氢化合物的容积膨胀系数很大，约比水大16倍。在罐装时必须考虑由温度变化引起的容积增大，留出必须的气相空间容积。表1－10给出了部分液态碳氢化合物的容积膨胀系数。液态碳氢化合物的容积膨胀可以按公式(1-26)计算。1.2.8爆炸极限爆炸极限：可燃气体和空气的混合物遇到明火而引起爆炸时的可燃气体浓度范围称为爆炸极限。爆炸下限：当可燃气体的含量减少到不能形成爆炸混合物时的那一含量，称为可燃气体的爆炸下限。爆炸上限：当可燃气体的含量增加到不能形成爆炸混合物时的那一含量，称为可燃气体的爆炸上限。某些可燃气体的爆炸极限列于表1－2、表1－3。混合气体的爆炸极限计算方法见P22。1.2.9水化物水化物：当碳氢化合物中的水分超过一定含量，在一定温度压力条件下，水能和气相及液相的C1、C2、C3和C4生成结晶水化物CmHn·XH2O(甲烷，x=6～7;乙烷，x=6；丙烷及异丁烷，x=17)水化物在聚集状态下是白色的结晶体，或带铁锈色。一般水化物类似于冰或雪。水化物是不稳定的结合物，在高温或低压的条件下易分解为水和气体。在湿气中形成水化物的主要条件：合适的压力及温度。一、水化物生成条件图1－14中，BC线左边是水化物存在的区域，右边是不存在的区域，BC是形成水化物的界限。点C是水化物存在的临界温度，高于此温度在任何高压下都不能形成水化物。在湿气中形成水化物的次要条件：含有杂质、高速、紊流、脉动，急剧转弯等因素。如果气体被水蒸气饱和，即输气管的温度等于湿气的露点，则水化物即可以形成，因为混合物中水蒸气分压远远超过水化物的蒸气压。当如果降低气体中水分含量使得水蒸气分压低于水化物的蒸气压，则水化物也就不存在了。高压输送天然气并且管道中含有足够水分时，会遇到生成水化物的问题，此外，丙烷在容器内急速蒸发时也会形成水化物。二、水化物的防止水化物的生成，会缩小管道的流通截面，甚至堵塞管线、阀件和设备。必须防止水化物的形成或分解已形成的水化物。有下面的两种方法：1.采用降低压力、升高温度、加入可以使水化物分解的反应剂（防冻剂）。2.脱水，使气体中水分含量降低到不致形成水化物的程度。为此，要使露点降低到大约低于输气管道工作温度5～7℃，使得在输气管道的最低温度下，气体的相对湿度接近于60％。液化石油气脱水采用沉淀法，容器装满液化石油气后，静置一段时间，使水分沉淀。在冬季，必须向液化石油气容器中加入防冻剂。1.2.10液化石油气的状态图常用的状态参数有饱和蒸气压P、比容v、温度T、焓值i及熵值s，将这些参数值绘成曲线图，称为状态图。已知其中两个，就可以确定一个状态。状态图的构成，与水蒸气状态图相似。（自学）