Кристаллогидраты

  При транспортировании газа, насыщенного влагой, возможно образование кристаллогидратов, которые представляют собой химические соединения газов с водой, внешне похожие на лед. Их состав М*Н2О, где М - молекула углеводорода. Метан образует соединения: СН4*6Н2О; СН4*7Н2О. Кристаллогидраты образуют при определенных температуре и давлении газа.
  Устойчивое существование кристаллогидратов природного газа возможно при  температуре от -5 до +10 градусов С и при давлениях соответственно 0,6...2 МПа. При более высоких температурах или более низких давлениях газа кристаллогидраты не образуются.
  Для природных газов существует максимальная температура, сверх которой повышение давления не может вызвать образование кристаллогидратов. Эта температура называется критической температурой гидратообразования. Для метана она составляет 21,5, для этана - 14,5 и пропана - 5,5 градусов С.
  Образование кристаллогидратов вызывает закупорки промысловых и магистральных газопроводов. Разрушают кристаллогидраты путем снижения давления в системе, разогрева участка трубопровода или ввода в поток газа метанола, способствующего разрушению кристаллогидратов.
  Во избежание образования гидратов газ осушают до точки росы, температура которой должна быть на 6...7 градусов С ниже температуры газа в газопроводе.
  Российские ученые первыми в мире начали изучать природные газовые гидраты как полезные ископаемые. Ими открыт в земной коре новый вид полезных ископаемых - "твердый газ". Что же представляет собой "твердый газ"? Это газовые гидраты, твердые соединения природного газа и воды, по физическим свойствам и внешне похожие на лед. Из одного кубического метра такого "льда" может высвободиться до 180 м.куб. природного газа.
  Установлено, что география залежей твердого газа на континентах совпадает с зоной распространения многолетней мерзлоты и охватывает около 40 млн км.кв.
  В нашей стране проводятся исследования, направленные на использование газовых гидратов в различных технологических процессах: для хранения газов, очистки и опреснения природных и промышленных вод, извлечения из водных растворов ценных компонентов и др.

Влажность газов

  В природных газах содержание влаги зависит от температуры и давления. Чем выше температура газа, тем больше влаги содержится в единице объема газа. Давление газа имеет обратное действие: с повышением давления влажность газа уменьшается.
  Пары воды могут насыщать газ до определенного давления, равного давлению насыщенного водяного пара при данной температуре. Если содержание водяных паров превысит этот предел, то произойдет их конденсация, т.е. переход в жидкое состояние.
  Температура, при которой газ полностью насыщен водяными парами, называется точкой росы данного газа. Наличие влаги в газе нежелательно, так как при транспортировании газа происходит внутренняя коррозия трубопроводов и арматуры, а также образование закупорок газопроводов. Кроме того, содержание влаги снижает теплоту сгорания газа. Поэтому до подачи газа в городские газовые сети производится его тщательная осушка путем поглощения водяных паров твердыми или жидкими поглотителями. Однако, несмотря на тщательную очистку, газовое топливо, распределяемое по городским газопроводам, содержит некоторое количество водяных паров. Может произойти и дополнительное насыщение газа водой, попадающей в газопроводы при их строительстве.
  Различают абсолютную и относительную влажности. Абсолютная влажность - это количество паров в граммах в 1 м.куб. газа.
  Под относительной влажностью понимают процентное отношение фактического количества водяных паров к максимально возможному его содержанию при данных температуре и давлении. Относительная влажность насыщенного газа равна единице.

Основные законы газового состояния

  Молекулярно-кинетическая теория газов лежит в основе физических свойств газов и законов газового состояния. Большинство законов газового состояния было выведено для идеального газа, молекулярные силы которого равны нулю, а объем самих молекул бесконечно мал по сравнению с объемом межмолекулярного пространства.
  Молекулы реальных газов помимо энергии прямолинейного движения обладают энергией вращения и колебания. Они занимают некоторый объем, т. е. имеют конечные размеры. Законы для реальных газов несколько отличаются от законов для идеальных газов. Это отклонение тем больше, чем выше давление газов и ниже их температура, оно учитывается введением в соответствующие уравнения поправочного коэффициента сжимаемости.
  При транспортировании газов по трубопроводам под высоким давлением коэффициент сжимаемости имеет большое значение.
  При давлениях газа в городских газовых сетях до 1 МПа законы газового состояния для идеального газа достаточно точно отражают свойства природного газа. При более высоких давлениях или низких температурах применяют уравнения, учитывающие объем, занимаемый молекулами, и силы взаимодействия между ними, или вводят в уравнения для идеального газа поправочные коэффициенты, т.е. коэффициенты сжимаемости газа.

Измерение объема и плотности газов

  Объем газа измеряют в кубических метрах (м.куб.). В связи с тем, что объем газов значительно изменяется при нагревании, охлаждении и сжатии, для сравнения объемных количеств газа их приводят к нормальным и стандартным условиям.
  Нормальными условиями принято считать температуру 0 градусов С (273,2 К) и давление 101,325 кПа. На практике за единицу измерения количества газа принимают 1 м.куб. газа, взятого при давлении 101,325 кПа, температуре 20 градусов С и влажности, равной 0. Эти условия принято считать стандартными.
  Масса газа в единице объема называется плотностью. Применительно к газам плотность имеет размерность кг/м.куб. и определяется обычно при температуре 0 градусов С и давлении 101,325 кПа.
  Чтобы показать, насколько 1 м.куб. данного газа легче или тяжелее 1 м.куб. воздуха, определяют относительную плотность. Для этого необходимо плотность газа разделить на плотность воздуха при нормальных условиях.

Единицы измерения параметров газа 2

  Измерение количества теплоты. В качестве основной единицы измерения количества теплоты ранее принималась калория (кал). Калория - это количество теплоты, которое необходимо сообщить 1 г дистиллированной воды для повышения ее температуры с 19,5 до 20,5 градусов С при давлении 101,325 кПа.
  В теплотехнике применялась укрупненная единица измерения - килокалория (ккал), равная 1000 кал. Килокалория (ккал) - это такое количество теплоты, которое необходимо сообщить 1 кг дистиллированной воды для повышения ее температуры на 1 градусов С.
  Теплота - один из видов энергии, способный производить работу. В системе единиц СИ теплота выражается универсальной единицей - джоулем (Дж).
  Джоуль - это работа, которую совершает сила в 1 Н на пути в 1 м. Можно применить и более крупную и удобную единицу (килоджоуль, кДж), равную 1000 Дж, 1 Дж=0,239 кал.
  Горение любого топлива, в том числе и газового, сопровождается выделением теплоты. При этом количество теплоты, выделяемое при сжигании различных видов топлива, неодинаково. Поэтому введено понятие удельной теплоты сгорания.
  Количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании 1 м.куб. газа, называется удельной теплотой сгорания газового топлива. Теплота сгорания газообразного топлива измеряют в ккал/м.куб. при температуре 20 градусов С и давлении 760 мм рт. ст. Теплоту сгорания определяют с помощью специальных приборов - калориметров - или расчетным путем, если известен химический состав газового топлива.
  Для удобства сравнения различных видов топлива введено понятие условного топлива, теплоту сгорания которого принимают равной 7000 ккал/кг, или 29 288 кДж/кг.
  Чтобы привести любое топливо к условному, необходимо значение его низшей теплоты сгорания разделить на эту величину.
  Величина, показывающая во сколько раз теплота сгорания данного топлива больше теплоты сгорания условного топлива, называется тепловым эквивалентом.
  Для метана тепловой эквивалент
            Kкал=Qн/7000=8558/7000=1,22,
где Qн - низшая теплота сгорания метана, ккал/м.куб.; 7000 - теплота сгорания условного топлива. 1 м.куб. метана эквивалентен 1,22 кг условного топлива.

Единицы измерения параметров газа

  Измерение давления газа. Газы, находящиеся в сосудах, оказывают на поверхность этих сосудов определенное давление, которое называют силой давления.
  Силу, приходящуюся на единицу поверхности, принято называть давлением газа.
  В системе СИ единица измерения давления - паскаль (Па). Единица паскаль обозначает давление, вызываемое силой 1 ньютон (Н), равномерно распределенной по нормальной к ней поверхности площадью 1 м.кв.
  Давление может быть избыточным и абсолютным. Газопроводы находятся под действием избыточного давления, т.е. разности внутреннего и наружного давлений. Величину избыточного давления измеряют манометрами, а для получения абсолютного давления необходимо к избыточному давлению прибавить атмосферное.

Измерение температуры. Температура - мера теплового состояния тела. С изменением температуры свойства тел изменяются. Теплота всегда самопроизвольно переходит от более нагретых тел к менее нагретым. Объясняется это тем, что в холодном теле молекулы двигаются медленнее, чем в теплом. При соприкосновении тел в нагретом теле скорость движения молекул уменьшится и температура понизится, а в теле с низкой температурой температура повысится за счет увеличения скорости движения молекул. При нагревании тела расширяются и увеличиваются в объеме. Больше всего расширяются газообразные тела, меньше - твердые.
  Пример. Газопровод длиной 100 м при нагревании до 100 градусов С увеличит свою длину только на 12 см; 100 л воды при нагревании до 100 градусов С увеличат свой объем на 4 л. При нагревании газа от 0 до 273 градусов С его объем увеличивается в два раза.
  Температуру газа, транспортируемого по газопроводам, измеряют термометрами, шкала которых имеет две постоянные точки: таяния льда (0 градусов С) и кипения воды (100 градусов С).
   

Состав горючих газов

  В состав газообразного топлива входят горючие и негорючие газы.

  Физико-химические и теплотехнические характеристики газового топлива обусловлены различием в составе горючих компонентов и наличием в газе негорючих газообразных компонентов (балластов) и вредных примесей.

  К горючим компонентам газообразного топлива относят следующие вещества.

  Метан CH4. Бесцветный нетоксичный газ без запаха и вкуса. В состав метана входит 75% углерода и 25% водорода; 1 м.куб. его имеет массу 0,717 кг. При атмосферном давлении и температуре 111 К метан сжижается и его объем уменьшается почти в 600 раз. Сжиженный метан - перспективное топливо для многих отраслей народного хозяйства. Использование и транспортирование сжиженного природного газа в ряде случаев дает большое экономический эффект, позволяет значительно снизить металлозатраты на сооружение газопроводов и тем самым помогает решить проблемы, связанные с резервированием газоснабжения в отдельных районах страны и созданием запасов сырья для химической промышленности.

  Вследствие содержания в метане 25% водорода (по массе) имеется большое различие между высшей и низшей теплотой сгорания. Высшая теплота сгорания метана Qв составляет 39 820 кДж/м.куб., 9510 ккал/м.куб.; низшая Qн - соответственно 35 880 кДж/м.куб., 8570 ккал/м.куб.

  Содержание метана в природных газах достигает 98%, поэтому его свойства практически полностью определяют свойства природных газов.

  Сгорание метана в воздухе протекает по уравнению CH4+2O2+7,52N2=CO2+2H2O+7,52N2. В результате сгорания образуется 10,52 м.куб. продуктов горения.

  Метан обладает сравнительно низкой реакционной способностью. Это объясняется тем, что на разрыв четырех связей в молекуле метана требуется большая затрата энергии. Кроме метана в горючих газах могут содержаться этан C2H6, пропан С3Н8, бутан С4Н10.

  Углеводороды метанового ряда имеют общую формулу СnH2n+2, где n - углеродное число, равное 1 (для метана), 2 (для этана) и 3 (для пропана).

  С увеличением числа атомов в молекуле тяжелых углеводородов возрастают их плотность и теплота сгорания.