Физико-химическая характеристика газов

Газ	Плотность при нормальных условиях (101,3 кПа, 273 К)	Температура кипения при 101,3 кПа	Критическая температура	Критическое давление, МПа	Критическая плотность, кг/м3	Динамическая вязкость при нормальных условиях m0×106, Па×с	Теплоемкость при нормальных условиях
в жидком состоянии, кг/л	в газообразном состоянии, кг/м3	по воздуху	°С	К	°С	К
Метан	0,3042	0,7168	0,5544	- 161,8	111,4	- 82,7	190,5	4,70		10,27	2,18	1,56	34,97
Этилен	0,3961	1,2605	0,9750	-103,7	169,5	9,5	282,7	5,12		9,41	1,47	1,85	41,24
Этан	0,3722	1,3560	1,0489	-88,7	184,5	32,3	305,5	4,89		8,66	1,67	2,26	50,21
Пропилен	0,5455	1,9149	1,4812	-47,7	225,5	91,9	365,1	4,66		7,84	1,46	2,80	61,43
Пропан	0,5011	2,0037	1,5499	-42,1	231,1	96,8	370,0	4,32		7,50	1,57	3,15	69,23
изо-Бутилен	0,6180	2,5022	1,9355	-6,9	266,3	144,7	417,9	4,02		7,32	1,54	3,85	86,40
изо-Бутан	0,5810	2,6751	2,0770	-11,7	261,5	135,0	408,2	3,69		6,89	1,55	4,16	90,09
н-Бутан	0,6010	2,7023	2,0903	-0,5	272,7	152,0	425,2	3,85		6,82	1,57	4,24	91,25
изо-Пентан	0,6392	3,4302	2,6533	27,9	301,1	187,8	461,0	3,38		6,38	1,53	5,25	110,38
н-Пентан	0,6455	3,4570	2,6740	36,1	309,3	196,6	469,8	3,42		6,23	1,56	5,39	112,55
Водород	-	0,0899	0,0695	-252,8	20,4	-240,2	33,2	1,33	31,6	8,40	14,21	1,28	28,64
Азот	-	1,2505	0,9673	-195,8	77,4	-146,9	126,3	3,44		16,63	1,04	1,30	29,14
Кислород	-	1,4290	1,1053	-183,0	90,2	-118,4	154,8	5,16		19,29	0,92	1,31	29,44
Воздух (сухой)	-	1,2928	1,0000	-193,0	80,2	-140,7	132,5	3,76		17,10	1,006	1,30	29,13
Оксид углерода	-	1,2500	0,9669	-191,5	81,7	-140,0	133,2	3,54		16,60	1,04	1,30	28,56
Диоксид углерода	-	1,9769	1,5292	-78,5	194,7	31,0	304,2	7,48		13,65	0,82	1,62	36,09
Диоксид серы	-	2,9266	2,2638	-10,0	263,2	157,5	430,7	7,98		11,60	0,61	1,78	39,08
Сероводород	-	1,5384	1,9000	46,0	319,2	100,4	373,6	8,70		12,50	1,03	1,58	35,10
Водяной пар	-	0,7680	0,5941	100,0	373,2	374,2	647,4	22,50		8,24	2,01	1,54	36,18

Критические и приведенные параметры газов.

Вязкость газовых смесей

Критические параметры. Сущность критических параметров была изложена выше (см. § 1.4). Напомним, что критической является температура, выше которой газ невозможно перевести в жидкое состояние при любом давлении. Критические параметры большинства индивидуальных газов известны и приводятся в справочной литературе [2, 4, 5, 11]. В прил.16 даны эти величины для некоторых газов.

Для газовых смесей, являющихся не столь сложными по сравнению с нефтяными фракциями, критические параметры могут быть подсчитаны по правилу аддитивности. Например, критическая температура газовой смеси, состоящей из n компонентов, определяется по формуле

Аналогично можно определить и другие критические параметры.

Критические параметры газов также могут быть определены в зависимости от молярной массы по графикам (рис. 2.1, 2.2).

Рисунок 2.1 – График для определения критической температуры газов

Рисунок 2.2 – График для определения критического давления газов

Приведенные параметры. Приведенные температура и давление для всех газов рассчитываются по формулам (1.8) и (1.9): Т_пр=Т/Т_кр; р_пр=р/р_кр, за исключением водорода, гелия и неона, для которых справедливы следующие уравнения [1]: Т_пр=Т/(Т_кр+8); р_пр=р/(р_кр+8).

Выше было сказано, что реальные газовые смеси, встречающиеся на практике, могут иметь более или менее значительные отклонения от свойств идеальных газов. Поэтому для технологических расчетов часто используют уравнения Клайперона-Менделеева с поправкой z: рV = zNRТ. Здесь z, безразмерная эмпирическая поправка, называемая коэффициентом (фактором) сжимаемости. Коэффициент сжимаемости при нормальных условиях z₀ для индивидуальных газов определяется по формуле z₀=М/r₀22,4, где r₀ – плотность газа при нормальных условиях, найденная экспериментально (см. прил. 16).

По известному z₀ можно подсчитать коэффициент сжимаемости при других условиях по уравнению

(2.4)

Коэффициент сжимаемости газовых смесей, нефтяных паров и других веществ удобно определять по графикам (рис. 2.3 и 2.4), на которых он дан в зависимости от приведенных температуры и давления.

Рисунок 2.3 – График для определения коэффициента сжимаемости углеводородных газов при низких давлениях

Рисунок 2.4 – График для определения коэффициента сжимаемости углеводородных газов при высоких давлениях

Пользование номограммой. Через точку соответствующую заданному значению приведенного давления, провести прямую до пересечения с кривой заданного значения приведенной температуры. Из полученной точки пересечения провести горизонтальную прямую до шкалы коэффициентов сжимаемости. Точка пересечения дает искомое значение.

Вязкость. Это физическое свойство, имеющее для газов ту же природу, что и вязкость жидкостей (см.§ 1.5). Однако по сравнению с жидкостями зависимость вязкости газов от некоторых технологических параметров имеет свои особенности. Так, с повышением температуры и уменьшением молярной массы вязкость газов повышается. Для жидкостей наблюдается обратная картина. Можно принять, что до 5-6 МПа вязкость газов не зависит от давления.

Для газов и паров приняты динамическая и кинематическая вязкости, единицы измерения которых в СИ те же, что и для жидкостей (соответственно паскаль на секунду и квадратный метр на секунду, а также кратные им).

Динамическая вязкость m (в паскалях на секунду) индивидуальных углеводородных газов при температуре Т может быть подсчитана по формуле Фроста [1]

(2.5)

Для определения вязкости газов применяются также различные графики [11]. На рис.2.5 дана зависимость отношения динамических вязкостей при заданных (m) и нормальных (m₀) условиях от приведенных давления и температуры, которая широко используется в технологических расчетах.

Рисунок 2.5 – График для определения динамической вязкости газов

Пользование номограммой. Из точки, соответствующей заданному значению приведенного давления, провести вертикальную прямую до заданного значения приведенной температуры и по горизонтальной линии определить искомое значение динамической вязкости газов (или отношение коэффициентов вязкости).

Изменение вязкости газов в зависимости от температуры при атмосферном давлении описывается уравнением Сатерленда

(2.6)

где m₀ – вязкость газа при нормальных условиях (см. прил.16), Па·с; С – постоянная.

Значения постоянной С для температурного интервала 20-200°С приведены в табл.2.1. Для приближенных расчетов величину С можно найти из выражения С=1,22Т_ср @ 0,7Т_кр.

Таблица 2.1 – Значения постоянной С к уравнению (2.6)

Газ	С	Газ	С
Метан		Водород
Этилен		Азот
Этан		Кислород
Пропилен		Воздух
Пропан		Оксид углерода
изо-Бутилен		Диоксид углерода
изо-Бутан		Сероводород
н-Бутан		Водяной пар
н-Пентан

Вязкость газовых смесей может быть подсчитана по правилу аддитивности лишь в том случае, если смесь составляют близкие по физическим характеристикам газы, например пропан – пропилен. При ориентировочной оценке вязкости допускается расчет и для разнородных смесей. При этом пользуются следующими уравнениями:

ТЕПЛОВЫЕ СВОЙСТВА ГАЗОВ

Теплоемкость. Для газов различают теплоемкость, определяемую при постоянном давлении (изобарная теплоемкость) с_р и при постоянном объеме (изохорная теплоемкость) с_v. Эти теплоемкости идеальных газов связаны между собой соотношением с⁰_р – с⁰_v= R. Здесь индекс 0 означает нормальное давление. Как и для жидких нефтепродуктов
(см. § 1.6), теплоемкость газов может быть молярной, массовой и объемной.

В технологических расчетах преимущественно используются изобарные теплоемкости газов, значения которых при нормальных условиях приведены в прил.16. Теплоемкость газов слабо зависит от давления, обычно этим влиянием в расчетах пренебрегают. При повышении температуры теплоемкость газов увеличивается. Однако в меньшей степени, чем для жидких нефтепродуктов.

На рис.2.6 приведен график зависимости теплоемкости с_р углеводородных газов и нефтяных паров от их относительной плотности и температуры.

Рисунок 2.6 – Зависимость теплоемкости паров углеводородов от температуры и их плотности по отношению к воздуху (I) и от паров жидких углеводородов по отношению к воде (II)

Приближенно теплоемкость насыщенных газообразных углеводородов в килоджоулях на киломоль-кельвин можно определить как функцию числа углеводородных атомов N_с в молекуле с учетом температуры
Т [1]: с_р = 16,74 + 5,44N_с + 0,05N_cТ.

Теплоемкость реальных газов рассчитывается по формуле

(2.7)

где – изобарная теплоемкость газа или газовой смеси в расчете на идеальный газ, кДж/(кг·К); поправка к теплоемкости, учитывающая неидеальность газа, кДж/(кг·К).

Теплоемкость газов (как идеальных) определяется по уравнению

(2.8)

где Е, F, G, Н, N – коэффициенты.

Значения коэффициентов F, G, H, N приведены в табл.2.2. Для рассматриваемых газов Е=0.

Таблица 2.2 – Значения коэффициентов к уравнению (2.8), кДж/(кг·К)

Газы	F·102	-G·103	Н·105	N·10
Водород	329,83	294,05	940,12	200,39
Кислород	21,62	16,46	45,44	12,05
Азот	21,74	16,13	45,18	15,43
Оксид углерода	22,07	16,19	44,59	15,20
Диоксид углерода	25,75	19,43	53,59	6,92
Диоксид серы	19,10	15,48	43,24	5,11
Сероводород	24,41	16,68	45,82	11,68
Водяной пар	40,15	27,80	79,22	26,41
Метан	58,43	15,19	-2,94	18,55
Этилен	58,31	31,71	68,49	2,36
Этан	62,46	25,62	35,94	3,34
Пропилен	57,38	28,87	56,17	1,54
Пропан	66,22	32,71	62,19	-0,78
Бутилен	61,06	33,12	70,58	-0,50
Бутан	65,71	33,13	64,19
Пентан	65,66	33,76	66,84	-6,11

Поправка теплоемкости на давление рассчитывается по формуле

(2.9)

где поправки, определяемые по графикам (прил.17 и 18) в зависимости от приведенных давления и температуры; w - фактор ацентричности.

Фактор ацентричности w находится приближенно по формуле w=0,1745+0,0838Т_пр или по табл.2.3.

Таблица 2.3 – Значения фактора ацентричности для некоторых газов

Газ	w	Газ	w
Водород	0,0	Метан	0,0104
Диоксид углерода	0,2310	Этан	0,0986
Сероводород	0,1000	Пропан	0,1524
Диоксид серы	0,2460	Бутан	0,2010
Водяной пар	0,3480	Пентан	0,2539

Фактор ацентричности газовых смесей подсчитывается по правилу аддитивности, состав смеси при этом выражается в молярных долях. Правило аддитивности действует и при расчете теплоемкости газовой смеси.

Энтальпия. Энтальпия газов или паров при заданной температуре Т численно равна количеству теплоты в джоулях (килоджоулях), которое необходимо затратить на нагрев единицы количества вещества от температуры Т₁ до Т₂ с учетом теплоты испарения и перегрева газов или паров.

Для подсчета энтальпии нефтяных паров (см. § 1.6) применяется формула (1.17). Энтальпия идеального газа ( кДж/кг) при температуре Т и атмосферном давлении рассчитывается по уравнению

где А, В, С, D – коэффициенты, значения которых для газов приведены в табл. 2.4.

Таблица 2.4 – Значения коэффициентов к уравнению (2.10), кДж/кг

Газы	А	В	С	D
Водород	82,27	2,54	0,013	25,12
Кислород	82,72	1,87	0,032	24,37
Диоксид углерода	58,62	5,05	0,012	-11,08
Сероводород	1429,21	-1,32	0,316	-167,44
Метан	154,15	15,12	0,051	59,62
Этилен	66,94	18,77	0,352	49,12
Этан	58,65	23,63	0,414	56,15
Пропилен	40,57	21,94	0,450	52,30
Пропан	33,65	26,31	0,538	35,58
Бутилен	35,38	23,15	0,491	25,63
изо-Бутан	27,32	27,08	0,583	12,74
н-Бутан	34,72	26,08	0,545	39,22
изо-Пентан	26,69	26,84	0,574	11,61
н-Пентан	33,59	25,99	0,550	28,21

Энтальпия нефтяных паров и углеводородных газов с повышением давления снижается. Разность энтальпий при атмосферном и повышенном давлении является функцией приведенных температуры и давления и определяется по графикам (рис.2.7). По известной поправке находится энтальпия при повышенном давлении :

Энтальпия смеси газов или паров, как и теплоемкость, рассчитывается по правилу аддитивности.

Рисунок 2.7 а – График для определения энтальпии нефтяных паров в узком интервале приведенных температуры и давления

Пользование диаграммой.От точки соответствующей заданному значению приведенного давления, провести вертикальную прямую до пересечения с кривой приведенной температуры. Через точку пересечения провести горизонтальную прямую до шкалы искомых значений изменения энтальпии.

Рисунок 2.7 б – График для определения энтальпии нефтяных паров в широком интервале приведенных температуры и давления

Пользование диаграммой.От точки соответствующей заданному значению приведенного давления, провести вертикальную линию до пересечения с кривой соответствующей приведенной температуры. Через точку пересечения провести горизонтальную прямую до пересечения со шкалой искомых значений изменения энтальпии.