Физические свойства природных газов

2.1. Свойства природных газов

Природный газ состоит в основном из метана (СН₄). Плотность ρ газа зависит от его состава, давления и температуры. При стандартных условиях (p=0, 1013 МПа, T= 20°С или 293 °К) плотность природного газа ρ _ст составляет примерно 0, 7 кг/м³.

На практике для выполнения расчетов объемов и массовых потоков газов в различных устройствах и технологических линиях широко используют приведение объемов к нормальным условиям. Нормальными условиями для газов принято считать:

- температуру 0^оС (273К);

- давление 760 мм рт. ст. или101, 325 кПа.

Такое приведение удобно и необходимо для сравнительных расчетов объемов газов при изменении параметров их состояния (давления, температуры). В отличие от жидкостей объем газа сильно изменяется при изменении параметров состояния.

Для приведения объемов газа к 0 °С (273, 16 °К) и 760 мм рт. ст., а также к 20 °С (293, 16 °К) и 760 мм рт. ст. могут быть применены следующие формулы

Таблица 3 - Коэффициенты для пересчета объемов газа

	(33)
	(34)

где V_{0 °С и 760 мм рт. ст.} — объем газа при 0 °С и 760 мм рт. ст., м³;

V_{20° С и 760 мм рт. ст.} — объем газа при 20 °С и 760 мм рт. ст., м³;

V_P — объем газа в рабочих условиях, м³;

р — абсолютное давление газа в рабочих условиях, мм рт. ст.;

Т — абсолютная температура газа в рабочих условиях, °К.

Пересчет объемов газа, приведенных к 0 °С и 760 мм рт. ст., а также к 20 °С и 760 мм рт. ст., в объемы при других (рабочих) условиях можно производить по формулам

	(35)
	(36)

Относительной плотностью ∆ газа по воздуху называется отношение ρ _г/ρ _в плотности ρ _г природного газа к плотности ρ _в воздуха при одних и тех же (например, стандартных) условиях. Очевидно, что для совершенных газов это отношение не зависит ни от давления, ни от температуры. В частности, плотность ρ _ст природного газа представляется в виде: ρ _ст=(ρ _в)_ст·Δ, причем (ρ _в)_ст=1, 204 кг/м³.

Связь вида F(p, , T)=0 между давлением p в газе, его удельным объемом ϑ =1/ρ и абсолютной температурой T называется уравнением состояния газа. При умеренных давлениях и температурах свойства газов достаточно хорошо моделируются уравнением состояния Клапейрона-Менделеева

(37)

где V - объем газа;

m - его масса, кг;

µ - молярная масса газа, (кг/кмоль);

R₀ - универсальная газовая постоянная (R₀ =8314 Дж/(кмоль·К)).

Газы, свойства которых моделируются уравнением Клапейрона-Менделеева, называют совершенными.

Чаще это уравнение применяется в виде для 1 кг газа

рυ =RT,

(38)

где υ – относительный объем, м³/кг.

С учетом соотношения υ =1/ρ это уравнение приобретает вид

р=ρ RT.

(39)

Газовая постоянная R является основной характеристикой газа и крайне важна для практических расчетов. Физический смысл газовой постоянной – работа расширения одного моля идеального газа при повышении его температуры на 1^оКпри постоянном давлении. На рисунке - работа перемещения поршня на величину Н при подогреве одного моля газа на 1^о К

(40)

где m – масса поршня.

Величина μ R называется универсальной газовой постоянной и для всех газов равна

Зная молекулярный вес газа, можно легко определить его газовую постоянную.

Газовая постоянная R метана равна518, 33 Дж/(кг·K), углекислого газа– 188, 95 Дж/(кг·K), кислорода– 259, 81 Дж/(кг·K), воздуха– 287, 1 Дж/(кг·K).

Реальным газом называется газ, между молекулами которого имеется силовое взаимодействие. Основным отличием реального газа от идеального является его сжимаемость, т. е. зависимость объёма, занимаемого единицей массы газа, от изменения давления газа (температура полагается неизменной).

При увеличении давления в реальном газе возрастают силы межмолекулярного взаимодействия, становится заметным влияние собственного объёма молекул. Для расчётов параметров состояния таких газов используется уравнение Ван-дер-Ваальса

(41)

где - поправка на взаимное притяжение молекул газа (внутреннее давление);

- поправка на собственный объём молекул.

Для каждого реального газа имеется некоторая критическая температура T_кр такая, что для любого значения T ≤ T_кр существует давление p, при котором происходит фазовый переход газа в жидкое состояние, а для температур T ≥ T_кр такой переход невозможен ни при каких давлениях. Если T = T_кр, то существует давление р_кр, при котором свойства жидкой и газовой фаз неразличимы. Параметры газа T_кр, р_кр называют критическими.

Постоянные компонентов, составляющих природный газ

В ряде случаев уравнение состояния реального газа представляют в виде

(42)

где - безразмерный коэффициент сжимаемости газа (называемый иногда коэффициентом сверхсжимаемости газа). Очевидно, что для совершенных газов Z=1.

Для природных газов, представляющих собой метан в смеси с некоторыми другими компонентами (этан, пропан, бутан, изобутан, пентан, азот, сероводород, углекислый газ, водород, гелий и т.п.), коэффициент Z сжимаемости может быть рассчитан по следующей аппроксимационной формуле

(43)

Молярная масса и критические параметры газовой смеси вычисляются по следующим аддитивным формулам:

	(44)
	(45)
	(46)

где – объемные доли компонентов, составляющих газ.

Задача 10. Газовая смесь состоит из 99 % метана, 0, 5 % этана и 0, 5 % азота. Определить молярную массу газовой смеси и значение газовой постоянной.