Сжиженные углеводородные газы

Теплота испарения. Теплота испарения, называемая также теплотой парообразования или энтальпией испарения, для многих газов является известной величиной. В табл.2.5 приведены значения удельной теплоты испарения индивидуальных углеводородов при нормальном давлении и температуре кипения и некоторые другие их характеристики.

Таблица 2.5 – Характеристика углеводородных газов

Газы	Температура кипения, К	Удельная теплота испарения, кДж/кг	Удельный объем при нормальных условиях, м3/кг	Молярный объем при нормальных условиях, м3/кмоль
Метан	111,6	518,1	1,39	22,38
Этилен	169,4	481,6	0,79	22,25
Этан	184,6	486,2	0,74	22,18
Пропилен	225,5	440,2	0,52	21,97
Пропан	231,1	425,9	0,49	21,64
изо-Бутилен	266,2	397,0	0,40	22,42
изо-Бутан	261,5	366,0	0,37	21,64
н-Бутан	272,7	387,8	0,37	21,46
изо-Пентан	301,1	342,6	0,29	21,03
н-Пентан	309,3	257,7	0,29	20,87

Повышение температуры приводит к уменьшению теплоты испарения, и в критическом состоянии, когда может существовать только паровая фаза, теплота испарения равна нулю. Используя данные табл.2.5, теплоту испарения L_т при любой температуре Т легко определить по формуле

L_т=bL₀Т/Т₀,

где b – температурная поправка; L₀ – теплота испарения при нормальной температуре кипения (см. табл.2.5).

Температурная поправка b определяется по графику (рис.2.8) в зависимости от приведенной температуры и отношения Т₀/Т_кр.

Рисунок 2.8 – График для определения температурной поправки к теплоте испарения

С ростом давления теплота испарения также уменьшается. Оценить это влияние можно по формуле Трутона

(2.11)

где Т_кип – температура кипения углеводорода, К; k^/ – постоянная, определяемая по графику (рис. 2.9) как функция отношения 0,0102р/Т; р – давление в системе, Па; Т – температура в системе, К.

Рисунок 2.9 – График для определения постоянной k^/ в формуле Трутона для расчета теплоты испарения

Формула Трутона дает возможность подсчитать теплоту испарения в килоджоулях на килограмм не только индивидуальных углеводородов, но и их смесей.

При работе со сжиженными газами важно знать объем газовой фазы V_г, получающийся при их испарении. Его определяют по формуле

V_г=NV_м, (2.12)

где N – количество жидкой фазы, кмоль; V_м – молярный объем углеводорода (см. табл. 2.5), м³/кмоль.

Для технических сжиженных газов значение V_м принимается равным 21,6 м³/кмоль.

Объем паров, получаемый при испарении 1 м³ сжиженного газа, определяется

где r_ж – плотность жидкой фазы, кг/м³.

Если расчет ведется для смеси газов, необходимо использовать правило аддитивности.

Теплота сгорания. Теплотой сгорания называют количество теплоты, выделяемое при сжигании топлива. В СИ удельную теплоту сгорания измеряют в джоулях на килограмм и кратных единицах. В технологических расчетах используют иногда молярную (килоджоуль на киломоль) и объемную (килоджоуль на кубический метр) теплоту сгорания. Различают высшую и низшую теплоты сгорания. Первая учитывает теплоту, выделяемую дымовыми газами при их охлаждении, а также теплоту конденсации образующихся при сгорании водяных паров, вторая – нет. Другими словами, низшая теплота сгорания меньше высшей на величину указанной теплоты. На практике продукты сгорания обычно не охлаждаются до температуры конденсации водяных паров, поэтому в расчетах пользуются низшей теплотой сгорания , рассчитанной на рабочий состав топлива. Численные значения теплот сгорания некоторых газов при нормальных условиях приведены в табл.2.6.

Таблица 2.6 – Низшая теплота сгорания горючих газов

Газы	Молярная, кДж/моль	Удельная, кДж/кг	Объемная, кДж/м3
Метан	800 931	49 933	35 756
Этилен	1 333 518	47 540	59 532
Этан	1 425 799	47 415	63 652
Пропилен	1 937 450	46 042	86 493
Пропан	2 041 491	46 302	91 138
изо-Бутан	2 648 361	47 208	118 230
н-Бутан	2 655 060	47 327	118 530
изо-Пентан	3 266 404	45 272	145 822
н-Пентан	327 401	45 383	146 178
Водород	241 159	119 622	10 766
Оксид углерода	283 577	10 124	12 660
Сероводород	525 142	15 408	23 444

Теплота сгорания смеси горючих газов определяется по правилу аддитивности:

.

В практической работе часто используют смеси паров сжиженных углеводородных газов с воздухом. Теплоту сгорания таких пропано- и бутано-воздушных смесей можно определить по графику (рис.2.10).

Рисунок 2.10 – Изменение теплоты сгорания газовоздушных смесей в зависимости от содержания в них горючих газов: 1 – бутан; 2 – пропан

Горение горючих газов. Для поддержания нормального горения газообразного или другого топлива необходим кислород или воздух. Теоретический объем V_Т кислорода или воздуха рассчитанный по стехиометрическим уравнениям горения различных газов, приведен в табл.2.7.

Для смеси газов теоретических объем кислорода или воздуха подсчитывается по правилу аддитивности.

В промышленных условиях обычно используется воздух, реальное количество которого берется несколько больше теоретического, чтобы обеспечить наилучшую полноту сгорания. Отношение реального объема воздуха V_p к теоретическому называют коэффициентом избытка воздуха a=V_p/V_Т. Коэффициент избытка воздуха для газообразного топлива принимают равным 1,05-1,2.

Объем и состав продуктов сгорания, образующихся при горении газов с теоретически необходимым объемом воздуха, приведены в табл.2.8.

Объемы воздуха и продуктов сгорания в табл.2.7 и 2.8 приведены для нормальных условий (101,3 кПа, 273 К). Если фактические условия горения отличаются от нормальных, объемы следует пересчитать по одному из законов состояния газа.

Таблица 2.7 – Теоретический объем кислорода и воздуха при сжигании 1 м³ газа, м³

Газ	Кислород	Воздух	Газ	Кислород	Воздух
Метан	2,0	9,53	Бутаны	6,5	30,90
Этилен	3,0	14,28	Пентаны		38,08
Этан	3,5	16,66	Водород	0,5	2,38
Пропилен	4,5	21,42	Оксид углерода	0,5	2,38
Пропан		23,8	Сероводород	1,5	7,14
Бутилен		28,56

Таблица 2.8 – Состав и объем продуктов сгорания, образующихся при горении 1 м³ газа, м³

Газ	Диоксид углерода	Водяной пар	Азот	Всего продуктов сгорания	Максимальное содержание СО2, %
Метан			7,50	10,50	11,8
Этилен			11,28	15,28	15,0
Этан			13,16	18,16	13,2
Пропилен			16,92	22,92	15,0
Пропан			18,80	25,80	13,8
Бутилены			22,56	30,56	15,0
Бутаны			22,40	33,40	14,0
Пентаны			30,08	41,08	15,0
Водород	-		1,88	2,88	-
Оксид углерода		-	1,88	2,88	34,7
Сероводород			5,64	7,64	-

В практике сжигания топлива используется понятие жаропроизводительной способности или жаропроизводительности, которая представляет собой температуру, развиваемую при полном сгорании топлива с теоретическим количеством воздуха без учета тепловых потерь и при начальной температуре топлива и воздуха 0°С (273 К).

Значения жаропроизводительности различных горючих газов приведены в табл.2.9. Для смеси газов жаропроизводительность (t_max, °С) определяется по формуле

, (2.13)

где – объемная теплота сгорания смеси газов, кДж/м³; V_c – объем продуктов полного сгорания топлива с теоретически необходимым объемом воздуха, м³; с_р – средняя теплоемкость продуктов сгорания, подсчитанная в интервале температур от °С до t_max, кДж/(м³×К).

Знаменатель выражения (2.13) может быть подсчитан по правилу аддитивности.

Таблица 2.9 – Жаропроизводительность горючих газов

Газ	Максимальное содержание СО2 при сжигании газа в воздухе, %	Жаропроизводительность, °С	Газ	Максимальное содержание СО2 при сжигании газа в воздухе, %	Жаропроизводительность, °С
Метан	11,8		Бутан	14,0
Этилен	15,0		Пентан	14,2
Этан	13,2		Водород	-
Пропилен	15,0		Оксид углерода	34,7
Пропан	13,8		Природный	11,8
Бутилен	15,0		Попутный	13,0

ЛИТЕРАТУРА

1. Расчёты основных процессов и аппаратов нефтепереработки : Справочник/ Под ред. Е.Н.Судакова.-М.:Химия, 1979.-568с.

2. Сарданашвили А.Г., Львова А.И. Примеры и задачи по технологии переработки нефти и газа.-М.:Химия, 1980.-256с.

3. Эрих В.Н., Расина М.Г., Рудин М.Г. Химия и технология нефти и газа-Л..-Химия, 1985.-424с.

4. Кузнецов А.А., Судаков Е.Н.Расчёты основных процессов и аппаратов переработки углеводородных газов: Справ, пособие.-М.:Химия, 1983-.224с.

5. Варгафтик Н.Б.Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей.-М.: Наука, 1972.-720с.

6. Технологические расчёты установок переработки нефти:Учеб. пособие для вузов/ Танатаров М.А., Ахметшина М.Н., Фасхутдинов Р.А. и др.-М.:Химия, 1987.-352с.

7. Рудин М.Г., Смирнов Г.Ф. Проектирование нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводов .-Л.: Химия, 1984.-256с.

8. Рудин М.Г., Драбкин А.Е. Краткий справочник нефтепереработчика.-Л. Химия, 198О.-328с.

9. Справочник нефтепереработчика: Справочник/ Под ред. Г.А.Ластовкина, Е.Д.Радченко и М.Г. Рудина.-Л.: Химия, 198б.-648с

10. Хорошко С.И., Хорошко А.Н. Сборник задач по химии и технологии нефти и газа : Учеб. пособие для сред. спец. учеб. заведений.-Минск :Высш.шк., 1989.-122с.

11. Рябцев Н.И. Природные и искусственные газы.-М.:Стройиздат, 1978.-325с.