Физические свойства и состав СПГ.
Природный газ, это смесь углеводородов, которая после сжижения образует чистую без цвета и запаха жидкость. Такой СПГ обычно транспортируется и хранится при температуре близкой к точке его кипения при атмосферном давлении, - приблизительно
-160С.
В реальности состав СПГ различен и зависит от источника его происхождения и процесса сжижения, но основной компонент это конечно метан. Другими составляющими могут быть, - этан, пропан, бутан, пентан и возможно небольшой процент азота.
Типичный состав СПГ указан в таблице 2.1а, а физические свойства составляющих в таблице 2.1б. Для инженерных расчетов, конечно, берутся физические свойства метана, но для передачи, когда требуется точный подсчет тепловой ценности и плотности, - учитывается реальный композитный состав СПГ.
Таблица 2.1а. Физические свойства СПГ
| Метан CH4 | Этан C2H6 | Пропан C3H8 | Бутан C4H10 | Пентан C5H12 | Азот N2 | ||
| Мол.Вес | 16.042 | 30.068 | 44..094 | 58.120 | 72.150 | 28.016 | |
| Тем.Кип. 1 атм.абс | С | -161.5 | -88.6 | -42.5 | -5 | 36.1 | -196 |
| Плотность Тем.кип. | кг/м3 | 426.0 | 544.1 | 580.7 | 601.8 | 610.2 | 808.6 |
| Уд.Вес пара 15С и 1 атм.аб. | кг/м3 | 0.554 | 1.046 | 1.540 | 2.07 | 2.49 | 0.97 |
| Отношен. Об.газа к Об.жид. при ТК и 1 атм.абс. | |||||||
| Пределы восплам.в воздухе | % | 5.3 - 14 | 3 -12.5 | 2.1 – 9.5 | 2 -9.5 | 3 -12.4 | Не горит |
| Тем.само-восплам. | С | 510/583 | 510/583 | ||||
| Макс.удел. Энергия 15С н/из | кдж/кг | 55.559 | 51.916 | 50.367 | 49.530 49.404 | 49.069 48.944 | |
| Теплота Испар. При Тем.кипен. | кдж/кг | 510.4 | 489.9 | 426.2 | 385.2 | 357.6 | 199.3 |
Таблица 2.1б. Составляющие СПГ.
| Ras-Laffan | Das Islands | Standard | ||
| Метан | CH4 | 90.28% | 84.5% | 89.63% |
| Этан | C2H6 | 6.33% | 12.9% | 6.32 |
| Пропан | C3H8 | 2.49% | 1.5% | 2.16 |
| Бутан | C4H10 | 0.49% | 0.5% | 1.2 |
| Изо-бутан | C4H10 | 0.00% | 0.00% | 0.00 |
| Пентан | C5H12 | 0.02% | 0.00% | 0.00 |
| Изо-пентан | C5H12 | 0.00% | 0.00% | 0.00 |
| Азот | N2 | 0.41% | 0.6% | 0.69 |
| Сред.Мол.Вес | 17.88 | 18.56 | 18.12 | |
| Тем.Кип.атм.дав. | -160.8С | -161.0С | -160.9С | |
| Плотность кг/м3 | 461.8 | 456.8 | 459.4 | |
| Макс.Удел.Энерг. кдж/кг | 54.414 | 54.031 | 54.090 |
Во время морского перехода, тепло передается СПГ через изоляцию танка, вызывая испарение части груза, так называемое выкипание. Состав СПГ изменяется за счет выкипания, так как более легкие компоненты, имеющие низкую температуру кипения, испаряются первыми. Поэтому, выгружаемый СПГ имеет большую плотность, чем тот, который грузился, ниже процент содержания метана и азота, но выше процент содержания этана, пропана, бутана и пентана.
Предел воспламеняемости метана в воздухе (21% О2) приблизительно от 5.3 до 14% по объему. Для уменьшения этого предела, перед началом погрузки воздух удаляется из танков при помощи азота до содержания кислорода 2%. В теории, врыв не произойдет, если содержание кислорода в смеси ниже 13% по отношению к процентному содержанию метана. Для безопасности, на практике, инертизация продолжается пока содержание кислорода не будет ниже 2%. Причина этого будет объяснена позже.
Выкипевший пар СПГ легче, чем воздух при температуре -110С, или выше,- зависит от состава СПГ. В связи с этим, пар будет стремиться уйти вверх над мачтой и быстро рассеиваться. Когда холодный пар смешан с окружающим воздухом, смесь пар/воздух будет хорошо видна как белое облако из-за конденсации влаги в воздухе. Обычно принято считать, что предел воспламеняемости смеси пар/воздух не распространяется слишком далеко за пределы этого белого облака.
Температура самовоспламенения метана, то есть минимальная температура нагрева газа, при которой он самовоспламеняется без постороннего источника открытого огня, - 595С.
Критическая температура метана – 82.5С, а критическое давление 43 бар абс.
Температура кипения метана увеличивается при увеличении давления, и это изменение показано на диаграмме для чистого метана. Это давление конечно выше, чем при перевозке метана на судне. Присутствие тяжелых компонентов в СПГ увеличивает температуру кипения для заданного давления. Отношение между температурой кипения и давлением СПГ будет приблизительно следовать параллельно линии чистого метана.
Таблица 2.1в. Зависимость температуры кипения метана о давления.
Плотность паров метана значительно меняется в зависимости от температуры, и при температуре около -100С она равна плотности воздуха (при плотности воздуха 1.27 кг/м3 при 15С).
Таблица 2.1г. Зависимость плотности паров метана от температуры.
Характеристики СПГ
Воспламеняемость смеси метана, кислорода и азота.
При любых операциях на судне, перевозящем СПГ, недопустимо смешивание метана и воздуха. Отношение между газом и воздухом в смеси и воспламеняемостью возможных комбинаций метана, воздуха и азота показано на диаграмме 2.2.2а.
Диаграмма 2.2.1а.
Вертикальная ось A-B представляет смесь кислорода и азота без метана, в пределах от 0% кислорода (100% азота) в точке А, до 21% кислорода(79% азота) в точке В, которая представляет собой атмосферный воздух.
Горизонтальная ось А-С представляет собой смесь метана и азота без кислорода, в пределах от 0% метана(100% азота) в точке А и 100% метана в точке С (0% азота).
Каждая точка диаграммы в треугольнике АВС представляет собой смесь всех трех компонентов, - метана, азота и воздуха, каждые в своей пропорции к общему объему.
Эти пропорции могут быть сняты с диаграммы в любой точке. Для примера точка D:
Метан: 6% по шкале А-С
Кислород: 12.2 % по шкале А-В
Азот: 81.8 как остаток
Диаграмма состоит из трех главных секторов.
1. Зона воспламеняемости EDF, каждая точка внутри этой зоны представляет собой горючую смесь.
2. Зона HDFC. Любая смесь компонентов представленная точкой внутри этой зоны способна формировать горючую смесь с воздухом, но содержит слишком много метана, чтобы воспламениться без него.
3. Зона ABEDH. Любая смесь компонентов представленная точкой внутри этой зоны не способна формировать горючую смесь при смешивании с воздухом.
Использование диаграммы.
Предположим, что точка Y на оси кислород-азот соединена с точкой Z на оси метан-азот прямой линией. Если смесь кислород-азот в точке Y смешать со смесью метан-азот в точке Z, смесь, полученная в результате, будет представлена точкой X, которая, двигаясь от Y к Z, будет добавлять количество смеси Z. В этом примере точка Х, представляющая изменение состава, проходит через зону воспламенения EDF, то есть когда содержание метана в смеси между 5.5% в точке М, и 9.0% в точке N.
Применяя это к процессу инертизации грузового танка перед охлаждением, предполагаем, что танк наполнен воздухом, точка В. Азот добавляется до тех пор, пока содержание кислорода не уменьшится до 13% , точка G. Добавление метана, изменит состав смеси вдоль линии GDC, которая не проходит через зону воспламенения, но почти касается ее в точке D. Если содержание кислорода еще уменьшить, перед добавлением метана, до любой точки между 0% и 13%, то изменение смеси добавлением метана никогда не пройдет через зону воспламенения. Поэтому теоретически необходимо добавлять азот в танк до уменьшения содержания кислорода в нем до 13%. Однако, на практике, содержание кислорода уменьшается до 2%, так как достичь полностью равномерной смеси в танке не возможно.
Когда танк наполненный метаном, начинают заполнять азотом, перед продувкой воздухом, необходимо выполнить похожую процедуру. Предположим, что азот добавляется в танк содержащий метан в точке С, до содержания метана 14% в точке Н. При добавлении воздуха, состав смеси будет двигаться по линии HDB, которая касается зоны воспламенения в точке D, но не проходит через нее. По тем же причинам, что были изложены выше, содержание метана в танке понижается до 5%, так как на практике, равномерная смесь метана и азота может не получиться.
Процедуры для избежания прохождения через зону воспламенения можно подытожить следующим образом:
- Танки и трубы, содержащие воздух должны быть продуты азотом перед метаном до содержания кислорода в них не более 5% или ниже.
- Танки и трубы, содержащие метан, должны быть продуты азотом перед воздухом до содержания метана в них не более 5% или ниже.
Для этих целей на судне должен быть OXIMETR & TANKSCOPE.