Температура и давление сжиженного газа

  • Главная страница
  • О нас
  • Информация
  • Основные свойства сжиженного нефтяного газа.

Одним из наиболее важных свойств пропана и бутана, отличающих их от других автомобильных топлив, является образование двухфазной системы жидкость-пар на свободной поверхности над жидкой фазой, обусловленное давлением насыщенного пара.

Рис. 1 Температурная зависимость давления насыщенного пара пропана и бутана

Одним из важнейших свойств пропана и бутана, отличающим их от других автомобильных топлив, является образование двухфазной системы жидкость-пар на свободной поверхности над жидкой фазой, вследствие возникновения давления насыщенного пара, т.е. давления пара при наличии жидкой фазы в баллоне.

В процессе заполнения баллона первые порции сжиженного газа быстро испаряются и заполняют весь объем, создавая определенное давление в баллоне. Когда давление падает, газ немедленно испаряется. Испарение сжиженного газа в баллоне продолжается до тех пор, пока образующиеся пары сжиженного газа не достигнут насыщенного состояния.

Это свойство пропана и бутана позволяет хранить газ в небольших количествах, что очень важно. В качестве примера рассмотрим рисунок 1. Давление насыщенного пара бутана составляет 0,1 МПа при 0°C и 0,17 МПа при 15°C, а давление насыщенного пара пропана при тех же температурах составляет 0,59 и 0,9 МПа соответственно.

Это различие приводит к значительной разнице в давлении смеси при изменении пропорции пропана и бутана. При повышении температуры давление увеличивается, что приводит к большим изменениям объема сжиженного газа в жидком состоянии.

Поэтому, если сжиженный газ полностью заполнит баллон, а температура продолжит расти, давление будет быстро увеличиваться, что может привести к разрыву баллона.

Поэтому никогда не заполняйте баллон LPG полностью и всегда оставляйте паровую подушку, равную 10% емкости баллона.

Эти два газа (пропан и бутан) различаются по температуре кипения, при которой они переходят из жидкого в газообразное состояние. Пропан превращается в газ при -43 °C, бутан остается жидкостью при 0 °C. Пропан превращается в газ при температуре -43 °C. Бутан превращается в жидкость при 0 °C. Пропан содержит два различных газа.

Рисунок 2: Температурная зависимость давления насыщенного пара пропан-бутановой смеси.

В холодном климате (или зимой) сжиженный нефтяной газ — смесь пропана и бутана — для использования в качестве автомобильного топлива должен иметь более высокую долю пропана для достижения лучшей газификации смеси.

На АЗС поставляется два вида СУГ: летний ГТБА — автомобильный пропан-бутан с 50+10% пропана и остальным бутаном, и зимний ПА — автомобильный пропан с 90+10% пропана. Изменение давления насыщенного пара P пропан-бутановой смеси в зависимости от температуры в баллоне показано на рисунке 2.

Теплота сгорания газа немного выше, чем у бензина. Однако теплота сгорания немного уменьшается при увеличении количества воздуха, подаваемого в двигатель.

Если предположить, что мощность двигателя, работающего на бензине, составляет 100%, то мощность двигателя, работающего на газе, составит около 90%, что приведет к снижению максимальной скорости примерно на 4%, но не стоит забывать о денежной экономии. Соотношение мировых цен на бензин и газ составляет 10:6.

Снижение мощности двигателя связано с более низкой теплотворной способностью газа по сравнению с бензином (см. таблицу 2). Это приводит к неполному заполнению цилиндров двигателя газовоздушной смесью. Иногда для устранения этого недостатка используется угол опережения зажигания на 3° — 5° перед TDC. В условиях эксплуатации разница между газовыми и бензиновыми двигателями невелика.

Сжиженный нефтяной газ (СНГ) — это углеводород или смесь углеводородов, которые находятся в газообразном состоянии при нормальном давлении и температуре окружающей среды, но переходят в жидкое состояние при увеличении давления на относительно небольшую величину без изменения температуры.

Сжиженные газы производятся из попутного природного газа, а также из газоконденсатных месторождений. Перерабатывающие заводы извлекают из них этан, пропан и бензин. Для газовой промышленности наибольшую ценность представляют пропан и бутан. Их главное преимущество заключается в том, что их можно легко хранить и транспортировать в жидком виде, а также использовать в качестве газа. Другими словами, сжиженные газы используются для транспортировки и хранения в виде жидкости и для сжигания в виде газовой фазы.

СУГ широко используется во многих странах, включая Россию, для промышленных, бытовых и коммунальных нужд, в нефтехимической промышленности и в качестве автомобильного топлива.

Молекула пропана состоит из трех атомов углерода и восьми атомов водорода.

Пропан

Промышленный пропан (C3H8) наиболее подходит для систем газоснабжения, используемых в России, поскольку имеет высокое давление паров до минус 35°C (температура кипения пропана при атмосферном давлении — минус 42,1°C). Даже при низких температурах легко извлечь необходимое количество паровой фазы из заполненного пропаном газового баллона или резервуара в условиях естественного испарения. Это позволяет устанавливать баллоны с LPG на открытом воздухе зимой и извлекать пары при низких температурах.

Бутан

При сгорании бутан реагирует с четырьмя атомами углерода и десятью атомами водорода, что объясняет его более высокую теплотворную способность по сравнению с пропаном

Бутан (C4H10) — более дешевый газ, но отличается от пропана низким давлением паров, поэтому его можно использовать только при положительных температурах. Температура кипения бутана при атмосферном давлении составляет минус 0,5°C.

Температура газа в резервуарах автономной системы газоснабжения должна быть положительной, иначе бутановая составляющая СУГ не сможет испариться. Чтобы температура газа была выше 0°C, используется геотермальное тепло: резервуар для хранения газа для отдельно стоящего дома устанавливается под землей.

Смесь пропана и бутана

Смесь пропана и технического бутана (СТБТ), также известная в быту как пропан-бутан, используется для бытовых целей. Если содержание бутана в СУГ превышает 60%, непрерывная эксплуатация резервуарных установок в российских условиях невозможна. В таких случаях используются испарители сжиженного газа для перекачки жидкой фазы в паровую.

Особенности и свойства СУГ

Свойства сжиженных газов определяют меры безопасности, а также конструкцию и технические особенности оборудования, в котором они хранятся, транспортируются или используются.

Отличительными особенностями сжиженных газов являются:

  • высокая эластичность пара;
  • без запаха. Для своевременного обнаружения утечек сжиженные газы подвергаются процессу одоризации этилкаптаном (C2H5SH);
  • Низкие температуры и пределы воспламеняемости. Температура вспышки бутана составляет 430°C, пропана — 504°C. Нижний предел воспламеняемости пропана составляет 2,3%, бутана — 1,9%;
  • пропан, бутан и их смеси тяжелее воздуха. В случае утечки сжиженный газ может скапливаться в колодцах или подвалах. Приборы LPG не должны устанавливаться в подвальном помещении;
  • Переход в жидкую фазу при повышении давления или понижении температуры;
  • Высокая теплотворная способность. Для сжигания СУГ требуется большое количество воздуха (1 м³ газовой фазы пропана требует 24 м³ воздуха, а 31 м³ газовой фазы бутана — 31 м³ воздуха);
  • высокий коэффициент объемного расширения жидкой фазы (коэффициент объемного расширения жидкой фазы пропана в 16 раз больше, чем у воды). Баллоны и цистерны могут быть заполнены не более чем на 85% от их геометрического объема. Наполнение более чем на 85% может привести к разрыву, за которым последует быстрое истечение и испарение газа и воспламенение смеси с воздухом;
  • При испарении 1 кг жидкого сжиженного газа при температуре н.у. образуется 450 литров паровой фазы. Другими словами, 1 м³ паровой фазы пропан-бутановой смеси имеет массу 2,2 кг;
  • При сжигании 1 кг пропан-бутановой смеси выделяется примерно 11,5 кВт/ч тепловой энергии;
  • Сжиженный газ интенсивно испаряется и вызывает обморожение при контакте с кожей человека.

Зависимость давления насыщенных паров пропан-бутановой смеси от температуры


Зависимость давления насыщенного пара пропан-бутановой смеси от температуры

Зависимость плотности пропан-бутановой смеси от ее состава и температуры

Таблица Плотность сжиженной пропан-бутановой смеси (в т/м³) в зависимости от состава и температуры

-25-20-15-10-50510152025P/B, %.100/00,5590,5530,5480,5420,5350,5280,5210,5140,5070,4990,49090/100,5650,5590,5540,5480,5420,5350,5280,5210,5140,5060,49880/200,5710,5650,5610,5550,5480,5410,5350,5280,5210,5140,50570/300,5770,5720,5670,5610,5550,5480,5420,5350,5290,5210,51360/400,5830,5770,5720,5670,5610,5550,5490,5420,5360,5290,52150/500,5890,5840,5790,5740,5680,5640,5560,5490,5430,5360,52940/600,5950,5900,5860,5790,5750,5680,5620,5550,5500,5430,53630/700,6010,5960,5920,5860,5810,5750,5690,5620,5570,5510,54420/800,6070,6030,5980,5920,5880,5820,5760,5690,5650,5580,55210/900,6130,6090,6050,5990,5940,5880,5830,5760,5720,5660,5590/1000,6190,6150,6110,6050,6010,5950,5900,5830,5790,5730,567

T — температура газовой смеси (среднесуточная температура воздуха); P/B — соотношение пропана и бутана в смеси, %.

Наиболее важными свойствами сжиженного газа являются его высокая эффективность при нагревании и легкое превращение в жидкость при относительно низком давлении и нормальной температуре. Благодаря этим свойствам в небольшом баллоне сжиженного газа можно хранить достаточно большое количество энергии.

БутанПропан

СНГ, чаще используемый в качестве автомобильного топлива, представляет собой смесь пропана (C3H8), бутана (C4H10) и небольшого количества (около 1%) ненасыщенных углеводородов.

Сжиженный газ может быть произведен из сырой нефти или из фракции конденсата природного газа. Полученная углеводородная смесь поступает на установку абсорбции и фракционирования газа, где она разделяется на отдельные фракции в специальных колоннах.

Пропан и бутан очищены от соединений серы, щелочи, воды и других компонентов, поэтому сжигание газа наносит лишь незначительный ущерб атмосфере. По сравнению с пропаном, бутан обладает меньшей испаряемостью, поэтому его смешивают с пропаном. В зависимости от типа CLS, пропан и бутан смешиваются в соответствующих пропорциях.

Плотность жидкой фазы газа зависит от температуры; плотность уменьшается с повышением температуры. При нормальном атмосферном давлении и температуре 15 градусов С плотность жидкой фазы пропана составляет 0,51 кг/л, бутана — 0,58 кг/л. Паровая фаза пропана в 1,5 раза тяжелее воздуха и в 2 раза тяжелее бутана. Температура кипения бензина выше температуры окружающей среды, в то время как сжиженный газ испаряется при более низких температурах. Это означает, что бензин в резервуаре можно поддерживать в жидком состоянии при атмосферном давлении, а сжиженный газ в резервуаре можно поддерживать при давлении, соответствующем температуре окружающей среды.

Октановое число газообразного топлива выше, чем у бензина, поэтому детонационная стойкость сжиженного нефтяного газа выше, чем даже у самого высококачественного бензина. Среднее октановое число сжиженного газа составляет 105, что не сравнится ни с одним сортом бензина. Это позволяет улучшить экономию топлива в газовом котле.

Диффузия. Газ легко смешивается с воздухом и горит более равномерно. Газовая смесь сгорает полностью, поэтому в плите и на нагревательных элементах не образуется нагар.

Давление в резервуаре. В закрытом резервуаре СУГ образует двухфазную систему, состоящую из жидкой и паровой фаз. Давление в резервуаре зависит от давления насыщенного пара, которое, в свою очередь, зависит от температуры жидкой фазы и процентного содержания в ней пропана/бутана. Давление насыщенных паров характеризует летучесть сжиженного нефтяного газа. Испаряемость пропана выше, чем у бутана, поэтому его давление при отрицательных температурах намного выше. На основании расчетов и экспериментов было установлено, что при низких температурах окружающей среды эффективнее использовать LPG с более высоким содержанием пропана, так как это обеспечивает надежное испарение газа и, следовательно, достаточное количество газа для потребления. Кроме того, достаточное избыточное давление в резервуаре обеспечивает надежную подачу газа в котел при экстремально низких температурах. При высоких положительных температурах окружающей среды эффективнее использовать СУГ с меньшим содержанием пропана, так как в этом случае в резервуаре создается значительное избыточное давление, которое может привести к срабатыванию предохранительного клапана. Помимо пропана и бутана, в сжиженном газе содержится небольшое количество метана, этана и других углеводородов, которые могут изменять свойства сжиженного газа. Во время работы резервуара может образовываться неиспарившийся конденсат, что отрицательно сказывается на работе газового аппарата.

Изменение объема жидкой фазы при нагревании. Правила ЕЭК ООН требуют наличия автоматического устройства, ограничивающего наполнение до 85% объема цистерны. Это требование объясняется высоким коэффициентом объемного расширения жидкой фазы, который составляет 0,003 для пропана и 0,002 для бутана на 1oC увеличения температуры газа. Для сравнения, коэффициент объемного расширения пропана в 15 раз больше, чем у воды, а бутана — в 10 раз больше, чем у воды.

Изменение объема газа при испарении. При испарении сжиженного газа образуется около 250 литров газообразного газа. Поэтому даже небольшая утечка сжиженного газа может быть опасной, так как при испарении объем газа увеличивается в 250 раз. Плотность газовой фазы в 1,5-2,0 раза больше плотности воздуха. Это объясняет, почему утечки газа трудно рассеиваются в воздухе, особенно в помещениях. Его пары могут скапливаться в естественных и искусственных понижениях местности, образуя взрывоопасную смесь. СНиП 42-01-2002 требует установки газоанализатора, который подает сигнал на закрытие запорной арматуры в случае накопления 10% взрывоопасного газа.

Запах. Сам газ практически не имеет запаха, поэтому для безопасности и своевременной диагностики утечек газа с помощью человеческого обоняния в газ добавляют небольшое количество сильно пахнущих веществ. Если массовая доля меркаптановой серы составляет менее 0,001%, СУГ должен быть одорирован. Для одоризации используется этилмеркаптан (C2H5SH), который представляет собой неприятно пахнущую жидкость с плотностью 0,839 кг/л и температурой кипения 35°C. Порог чувствительности к запаху составляет 0,00019 мг/л, предельно допустимая концентрация в воздухе на рабочем месте — 1 мг/м 3 . Когда токсичность нормальная или чуть ниже нормы, запах одоранта едва ощутим, и в помещении не накапливается одорант.

Стоимость автономной газификации составляет в среднем от 5 000 рублей за киловатт тепловой мощности, стоимость газификации магистральным газом — от 9 000 рублей за киловатт, стоимость электроэнергии — от 20 000 рублей за киловатт.

Оцените статью
Добавить комментарий