Утверждения об отличных характеристиках топливных смесей обычно слишком общие и малоинформативные. Мы восполняем недостаток информации - в этой статье приведены фактические данные о сжиженных углеводородных газах (СУГ). Они будут полезны всем, кто уже использует такое топливо или только планирует автономную газификацию своего дома (коммерческого объекта).

Что такое СУГ и в чем их главная особенность?

Под названием «сжиженные углеводородные газы» имеются в виду смеси низкомолекулярных углеводородов - пропана и бутана. Их основное отличие состоит в легком переходе из газообразной фазы в жидкую и наоборот:

• В условиях нормального атмосферного давления и при обычной температуре окружающей среды компоненты смеси являются газами.
• С незначительным увеличением давления (без снижения температуры) углеводороды СУГ превращаются в жидкости. При этом их объем резко уменьшается.

Такие свойства позволяют легко транспортировать и хранить СУГ. Ведь достаточно закачать смесь в закрытую емкость под давлением, чтобы она стала жидкой и получила небольшой объем. А перед эксплуатацией СУГ испаряется, и дальше его можно использовать точно так же, как обычный природный газ. При этом смесь бутана и пропана имеет более высокий коэффициент полезного действия. Удельная теплота сгорания сжиженного газа примерно на 25 % выше, чем природного.

Производят СУГ на газоперерабатывающих заводах из попутного нефтяного газа или конденсатной фракции природного газа. Во время переработки сырье разделяют на легкие и тяжелые фракции - этан, метан, газовый бензин и т.д. Две из них - пропан и бутан - дальше перерабатываются в сжиженный газ. Их очищают от примесей, смешивают в нужном соотношении, сжижают и транспортируют в хранилища или к потребителю.

Свойства составляющих СУГ - пропана и бутана

Оба газа являются низкомолекулярными предельными углеводородами:

• Пропан (С 3 Н 8). В линейную молекулу входят три атома углерода и восемь - водорода. Газ идеально подходит для применения в российских климатических условиях - его температура кипения составляет -42,1 °С. При этом до -35 °С пропан сохраняет высокую упругость паров. То есть, он хорошо испаряется естественным путем и транспортируется по наружному трубопроводу даже в самую суровую зиму. Чистый сжиженный пропан можно использовать в надземных газгольдерах и баллонах - сбоев в поступлении газа во время морозов не будет.
• Бутан (С 4 Н 10). Состоит из четырех атомов углерода и десяти атомов водорода. Молекула может быть линейной или разветвленной. Бутан имеет более высокую теплотворную способность, чем пропан, и дешевле стоит. Но у него есть серьезный недостаток. Температура кипения бутана - всего -0,5 °С. Это значит, что при малейшем морозе он будет оставаться в жидком состоянии. Естественное испарение бутана при температуре ниже -0,5 °С прекращается, и для получения газа приходится использовать дополнительный подогрев.

Из приведенной информации получаем важный вывод: температура сжиженной пропан-бутановой смеси в газгольдере или баллоне всегда должна быть положительной. Иначе бутан не будет испаряться и появятся проблемы с газоснабжением. Чтобы добиться нужной температуры, газгольдеры устанавливают подземно (здесь их подогревает геотермальное тепло). Другой вариант - оборудовать емкость электроподогревом (испарителем). Заправленные баллоны всегда держат в помещениях.

От чего зависит качество СУГ?

Итак, сжиженный газ, поставляемый для систем автономной газификации, это всегда смесь. В официальных документах она проходит как СПБТ - смесь пропана и бутана технических. Кроме этих двух газов, в СУГ всегда есть небольшой объем примесей - воды, щелочей, непредельных углеводородов и т.д. Качество смеси зависит от соотношения в ней пропана и бутана, а также от количества и типа примесей:

1. Чем больше в СПБТ пропана, тем лучше она будет испаряться в холодное время года. Правда, сжиженные газы с повышенной концентрацией пропановой составляющей дороже стоят, поэтому их обычно используют лишь в качестве зимнего топлива. В любом случае, в условиях российского климата нельзя использовать смесь с содержанием бутана более 60 %. Она будет испаряться только при наличии испарителя.
2. Чем больше в СУГ примесей, тем хуже для газового оборудования. Непредельные углеводороды не сгорают полностью, а полимеризуются и коксуются. Их остатки загрязняют оборудование и резко сокращают срок его службы. Тяжелые фракции - вода и щелочи - также не идут на пользу технике. Многие вещества остаются в резервуаре и трубопроводах в виде неиспаряемого конденсата, который снижает эффективность системы. Кроме того, примеси не дают такого количества тепла, как пропан и бутан, поэтому их повышенная концентрация понижает КПД топлива.

Полезные факты о сжиженных газах

• Пропан-бутановая смесь отлично смешивается с воздухом, равномерно горит и полностью сгорает, не оставляя на элементах оборудования сажи и нагара.
• СУГ в газообразном состоянии тяжелее воздуха: пропан - в 1,5 раза, бутан - в 2 раза. При утечке смесь опускается вниз. Поэтому резервуары со сжиженным газом нельзя устанавливать над подвалами и колодцами. Зато подземный газгольдер абсолютно безопасен - даже при его повреждении газовая смесь уйдет в нижние слои грунта. Там она не сможет смешаться с воздухом и взорваться или загореться.
• Жидкая фаза СУГ имеет очень высокий коэффициент теплового расширения (0,003 для пропана и 0,002 для бутана на каждый градус повышения температуры). Это примерно в 16 раз выше, чем у воды. Поэтому газгольдеры нельзя заправлять более чем на 85 %. Иначе при повышении температуры жидкая смесь может сильно расшириться и в лучшем случае занять весь объем резервуара. Тогда места для испарения просто не останется и газ в систему поступать не будет. В худших случаях чрезмерное расширение жидкой смеси приводит к разрывам газгольдеров, большим утечкам и образованию взрыво- и пожароопасных смесей с воздухом.
• При испарении 1 л жидкой фазы СУГ образуется 250 л газа. Поэтому так опасны резервуары со сжиженной смесью, установленные внутри помещений. Даже при незначительной утечке жидкой фазы происходит ее моментальное испарение, и комната наполняется огромным количеством газа. Газо-воздушная смесь в этом случае быстро достигает взрывоопасного соотношения.
• Испарение жидкой фазы на воздухе происходит очень быстро. Пролитый на кожу человека сжиженный газ вызывает обморожение.
• Чистые пропан и бутан - газы без запаха. К ним специально добавляют сильно пахнущие вещества - одоранты. Как правило, это соединения серы, чаще всего - этилмеркаптан. Они имеют очень сильный и неприятный запах, который «сообщает» человеку об утечке газа.
• Смесь обладает высокими теплотворными способностями. Так, при сжигании 1 куб. м газообразного пропана используется 24 куб. м воздуха, бутана - 31 куб. м воздуха. В результате сгорания 1 кг смеси выделяется в среднем 11,5 кВт·ч энергии.

Жидким или сжиженным газом называется смесь угле-водородов, которая при нормальных условиях (20 °С и 760 мм рт. ст.) газообразна, а при понижении температуры или незначительном повышении давления превращается в жидкость. Объем смеси умень-шается более чем в 200 раз, что дает возможность транспортировать жидкий газ к местам потребления в легковесных сосудах. К числу таких углеводородов относятся: пропан С 3 Н 8 и пропилен С 3 Н 3 ; бутан С 4 Н 10 и бутилен С 4 Н 8 .

Основными источниками получения жидких газов являются про-дукты переработки нефти и природный «попутный» нефтяной газ, который содержит в своем составе значительное количество тяжелых углеводородов (до 15% и более).

Получение жидкого газа из природных нефтяных газов вместе с газовым бензином состоит из двух стадий. В первой стадии проис-ходит выделение тяжелых углеводородов, а во второй — разделение их на углеводороды, составляющие стабильный газовый бензин, и углеводороды, составляющие жидкие газы — пропан, бутан, изо-бутан. Существует три основных метода выделения тяжелых углево-дородов из природного нефтяного газа.

1. Компрессионный — основанный на сжатии и охлаждении газа, вследствие чего происходит отделение сконденсировавшихся угле-водородов.
2. Абсорбционный — основанный на свойствах жидкости погло-щать (абсорбировать) пары и газы. Этот метод заключается в том, что природный газ подается в специальные аппараты, где реагирует в абсорбентом, поглощающим тяжелые углеводороды. Углеводороды отделяются от абсорбентов в специальных выпарных колонках.
3. Адсорбционный — основанный на свойствах твердых тел по-глощать пары и газы. Этот метод заключается в том, что природный нефтяной газ пропускается через адсорбер, заполненный твердым поглотителем, который адсорбирует (поглощает) тяжелые углеводо-роды из газа.

После насыщения поглотителя тяжелыми углеводородами в ад-сорбер пускают перегретый пар, с помощью которого испаряются углеводороды, и смесь пара с углеводородами подается в холодиль- ник-конденсатор, где углеводороды в жидком виде отделяются от воды.

От места производства (газовых заводов) до раздаточных станций жидкий газ обычно транспортируется в железнодорожных цистернах емкостью 50 м 3 или автоцистернах емкостью 3—5 м 3 . Жидкий газ в цистернах находится под давлением 16 МПа (16 атм.). Так как при повышении температуры он значительно расширяется в объеме, цис-терны заполняются только на 85%.

Газораздаточные станции жидкого газа обычно располагают за городом или в малонаселенных районах города. На станции жидкий газ хранится в резервуарах цилиндрической формы, которые уста-навливают над землей или под землей на фундаменте или на твердом фунте. На станции имеются цехи наполнения баллонов, где распо-ложены компрессор или насосы и наполнительная рампа с гибкими шлангами для заправки баллонов; помещения для хранения порож-них и наполненных баллонов (баллонный парк); помещения для ремонта и испытания баллонов.

Надземные цистерны, в которых хранится жидкий газ, для защи-ты от солнечного облучения окрашивают алюминиевой краской, подземные — покрывают изоляцией для защиты от коррозии.

Снабжение потребителей жидким газом производится тремя спо-собами: сетевым, групповым (централизованным), индивидуальным. При сетевом способе снабжения устраивается испарительная стан-ция, где жидкий газ испаряется при помощи нагрева паром, горячей водой или электрическими нагревателями и подается в городскую газовую сеть в чистом виде или в смеси с воздухом.

При групповом (централизованном) способе снабжения жидким газом, например для крупных многоквартирных домов, во дворе дома устанавливают подземные цистерны емкостью 1,8—4 м 3 , запол-ненные жидким газом от автоцистерны под давлением до 1,6 МПа. Цистерны имеют патрубок, снабженный редуктором для понижения давления, с предохранительным клапаном и манометром для присо-единения трубопроводов подачи газа к потребителям.

При индивидуальном снабжении потребителей жидкий газ достав-ляют в баллонах емкостью до 50 л, имеющих плотно ввернутый в от-верстие горловины вентиль, закрытый стальным предохранительным колпаком. На баллонах, окрашенных в красный цвет, крупными бук-вами написано название газа. Снабжение газа производится по двух-баллонной и однобаллонной системам.

При двухбаллонной системе баллоны с запасом газа на 25-40 дней помешают в металлический шкаф, устанавливаемый на глухой стене дома (без окон). Шкаф должен стоять на прочной опоре, надежно прикрепляться к стене, иметь прорези для вентиляции и запираться. Монтаж индивидуальных установок сжиженного газа осуществляют с применением резинотканевых рукавов или водогазопроводных труб. Монтаж газопроводов с применением резинотканевых рукавов для газопроводов низкого давления (после редуктора) выполняют из од-ного куска длиной не более 10 м. От одного баллона может питаться только один прибор.

Сжигают жидкий газ в тех же бытовых приборах, в которых сжи-гаются искусственный или природный газ. Жидкий газ нетоксичен, но при неполном сгорании дает сильно токсичную окись углерода, поэтому при пользовании жидкий газом необходимо строго соблюдать установленные правила эксплуатации, учитывая также, что при утеч-ке газа содержание его в воздухе в пределах 1,8—9,5% может вызвать взрыв.

Введение

Сжиженные углеводородные газы (СУГ) - смесь сжиженных под давлением лёгких углеводородов с температурой кипения от?50 до 0 °C. Предназначены для применения в качестве топлива. Основные компоненты: пропан, пропилен, изобутан, изобутилен, н-бутан ибутилен.

Производится в основном из попутного нефтяного газа. Транспортируется и хранится в баллонах и газгольдерах. Применяется для приготовления пищи, кипячения воды, отопления, используется в зажигалках, в качестве топлива на автотранспорте.

Газы углеводородные сжиженные (пропан-бутан, в дальнейшем СУГ) - смеси углеводородов, которые при нормальных условиях находятся в газообразном состоянии, а при небольшом повышении давления или незначительном понижении температуры переходят из газообразного состояния в жидкое.

Основными компонентами СУГ являются пропан и бутан. Пропан-бутан (сжиженный нефтяной газ, СНГ, по-английски - liquifiedpetroleumgas, LPG) - это смесь двух газов. В состав сжиженного газа входят в небольших количествах также: пропилен, бутилен, этан, этилен, метан и жидкий неиспаряющийся остаток (пентан, гексан).

Сырьем для получения СУГ являются в основном нефтяные попутные газы, газоконденсатных месторождений и газы, получаемые в процессе переработки нефти. сжиженный углеводородный пропан нефтеперегонный

С заводов СУГ в железнодорожных цистернах поступает на газонаполнительные станции (ГНС) газовых хозяйств, где хранится в специальных резервуарах до продажи (отпуска) потребителям. Потребителям СУГ доставляется в баллонах или автоцистернами.

В сосудах (цистернах, резервуарах, баллонах) для хранения и транспортировки СУГ одновременно находится в 2-х фазах: жидкой и парообразной. СУГ хранят, транспортируют в жидком виде под давлением, которое создаётся собственными парами газа. Это свойство делает СУГ удобными источниками снабжения топливом коммунально-бытовых и промышленных потребителей, т.к. сжиженный газ при хранении и транспортировке в виде жидкости занимает в сотни раз меньший объем, чем газ в естественном (газообразном или парообразном) состоянии, а распределяется по газопроводам и используется (сжигается) в газообразном виде.

Сжиженные углеводородные газы (СУГ) состоят из простых углеводородных соединений, являющихся органическими веществами, содержащими в своём составе 2 химических элемента - углерод (С) и водород (Н). Углеводороды отличаются друг от друга количеством атомов углерода и водорода в молекуле, а также характером связей между ними.

Товарный сжиженный газ должен состоять из углеводородов, которые в нормальных условиях являются газами, а при сравнительно небольшом повышении давления и температуре окружающей среды или незначительном понижении температуры при атмосферном давлении переходят из газообразного состояния в жидкое.

Самый простой углеводород, содержащий всего один атом углерода, - метан (СН 4). Он является основным компонентом природного, а также некоторых искусственных горючих газов. Следующий углерод этого ряда - этан (С 2 Н 6) - имеет 2 атома углерода. Углеводород с тремя атомами углерода - пропан (С 3 Н 8), а с четырьмя - бутан (С 4 Н 10).

Все углеводороды этого типа имеют общую формулу С n H 2n+2 и водят в гомологический ряд предельных углеводородов - соединений, в которых углерод до предела насыщен атомами водорода. При нормальных условиях из предельных углеводородов газами являются лишь метан, этан, пропан и бутан.

Для получения сжиженных газов в настоящее время широко применяют природные газы, добываемые из недр Земли, которые представляют собой смесь различных углеводородов, преимущественно метанового ряда (предельных углеводородов). Природные газы чисто газовых месторождений в основном состоят из метана и являются тощими или сухими; тяжелых углеводородов (от пропана и выше) содержат менее 50 г/см 3 . Попутные газы, выделяемые из скважин нефтяных месторождений совместно с нефтью, помимо метана содержат значительное количество более тяжелых углеводородов (обычно более 150 г/м 3) и являются жирными. Газы, которые добывают из конденсатных месторождений, состоят из смеси сухого газа и паров конденсата. Пары конденсата представляют собой смесь паров тяжелых углеводородов (С3, С4, бензина, лигроина, керосина). На газоперерабатывающих заводах из попутных газов выделяют газовый бензин пропан-бутановую фракцию.

ШФЛУ - широкая фракция легких углеводородов, включает в основном смесь легких углеводородов этановой (С 2) и гексановой (С 6) фракций. В целом типичный состав ШФЛУ выглядит следующим образом: этан от 2 до 5%; сжиженный газ фракций С 4 -С 5 40-85%; гексановая фракция С 6 от 15 до 30%, на пентановую фракцию приходится остаток.

Учитывая широкое применение в газовом хозяйстве именно СУГ, следует более подробно остановиться на свойствах пропана и бутана.

Пропамн -- это органическое вещество класса алканов. Содержится в природном газе, образуется при крекинге нефтепродуктов. Химическая формула C 3 H 8 (рис. 1). Бесцветный газ без запаха, очень малорастворим в воде. Точка кипения?42,1С. Образует с воздухом взрывоопасные смеси при концентрации паров от 2,1 до 9,5%. Температура самовоспламенения пропана в воздухе при давлении 0,1 МПа (760 мм рт. ст.) составляет 466 °С.

Пропан используется в качестве топлива, основной компонент так называемых сжиженных углеводородных газов, в производстве мономеров для синтеза полипропилена. Является исходным сырьём для производства растворителей. В пищевой промышленности пропан зарегистрирован в качестве пищевой добавки E944, как пропеллент.

Бутамн (C 4 H 10) -- органическое соединение класса алканов. В химии название используется в основном для обозначения н-бутана. Химическая формула C4H10 (рис. 1). Такое же название имеетсмесь н-бутана и его изомера изобутана CH(CH 3) 3 . Бесцветный горючий газ, без запаха, легко сжижаемый (ниже 0 °C и нормальном давлении или при повышенном давлении и обычной температуре -- легколетучая жидкость). Содержится в газовом конденсате и нефтяном газе (до 12 %). Является продуктом каталитического и гидрокаталитического крекинга нефтяных фракций.

Производство, как сжиженного газа, так и ШФЛУ осуществляется за счет следующих трех основных источников:

• ? предприятия нефтедобычи - получение СУГ и ШФЛУ происходит во время добычи сырой нефти при переработке попутного (связанного) газа и стабилизации сырой нефти;
• ? предприятия газодобычи - получение СУГ и ШФЛУ происходит при первичной переработке скважинного газа или несвязанного газа и стабилизации конденсата;
• ? нефтеперегонные установки - получение сжиженного газа и аналогичных ШФЛУ происходит при переработке сырой нефти на НПЗ. В данной категории ШФЛУ состоит из смеси бутан-гексановых фракций (С4-С6) с небольшим количеством этана и пропана.

Основное преимущество СУГ - возможность их существования при температуре окружающей среды и умеренных давлениях, как в жидком, так и в газообразном состоянии. В жидком состоянии они легко перерабатываются, хранятся и транспортируются, в газообразном имеют лучшую характеристику сгорания.

Состояние углеводородных систем определяется совокупностью влияний различных факторов, поэтому для полной характеристики необходимо знать все параметры. К основным параметрам, поддающимся непосредственному измерению и влияющим на режимы течения СУГ, относятся давление, температура, плотность, вязкость, концентрация компонентов, соотношение фаз.

Система находится в равновесном состоянии, если все параметры остаются неизменными. При таком состоянии в системе не происходит видимых качественных и количественных изменений. Изменение хотя бы одного параметра нарушает равновесное состояние системы, вызывая тот

или иной процесс.

Сжиженные газы при хранении и транспортировании постоянно изменяют свое агрегатное состояние, часть газа испаряется и переходит в газообразное состояние, а часть конденсируется, переходя в жидкое состояние. В тех случаях, когда количество испарившейся жидкости равно количеству сконденсировавшегося пара, система жидкость-газ достигает равновесия и пары над жидкостью становятся насыщенными, а их давление называется давлением насыщения или упругостью паров.

Давление и температура. Давление газа представляет собой суммарный результат соударения молекул о стенки сосуда, занятого этим газом.

Упругость (давление) насыщенных паров газа* p п -важнейший параметр, по которому определяют рабочее давление в резервуарах и баллонах. Температура газа определяет степень его нагретости, т.е. меру интенсивности движения его молекул. Давление и температура сжиженных газов строго соответствуют друг другу.

Упругость паров СУГ - насыщенных (кипящих) жидкостей - изменяется пропорционально температуре жидкой фазы (см.рис.I-1) и является величиной, строго определенной для данной температуры. Во все уравнения, связывающие физические параметры газового или жидкого вещества, входят абсолютные давление и температура, а в уравнения для технических расчетов (прочности стенок баллонов, резервуаров) - избыточное давление.

Упругость паров СУГ возрастает с повышением температуры и уменьшается с ее понижением.

Это свойство сжиженных газов является одним из определяющих при проектировании систем хранения и распределения. При отборе из резервуаров кипящей жидкости и транспортировании ее по трубопроводу часть жидкости испаряется из-за потерь давления, образуется двухфазный поток, упругость паров которого зависит от температуры потока, которая ниже температуры в резервуаре. В случае прекращения движения двухфазной жидкости по трубопроводу давление во всех точках выравнивается и становится равным упругости паров.

Сжиженные углеводородные газы транспортируются в железнодорожных и автомобильных цистернах, хранятся в резервуарах различного объема в состоянии насыщения: в нижней части сосудов размещается кипящая жидкость, а в верхней находятся сухие насыщенные пары (рис. 2). При снижении температуры в резервуарах часть паров сконденсируется, т.е. увеличивается масса жидкости и уменьшается масса пара, наступает новое равновесное состояние. При повышении температуры происходит обратный процесс, пока при новой температуре не наступит равновесие фаз. Таким образом, в резервуарах и трубопроводах происходят процессы испарения и конденсации, которые в двухфазных средах протекают при постоянном давлении и температуре, при этом температуры испарения и конденсации равны.

Рисунок 2. Фазные состояния сжиженных газов при хранении.

В реальных условиях в сжиженных газах в том или ином количестве присутствуют водяные пары. Причем их количество в газах может увеличиваться до насыщения, после чего влага из газов выпадает в виде воды и смешивается с жидкими углеводородами до предельной степени растворимости, а затем выделяется свободная вода, которая отстаивается в резервуарах. Количество воды в СУГ зависит от их углеводородного состава, термодинамического состояния и температуры. Доказано, что если температуру СУГ снизить на 15-30 0 С, то растворимость воды снизится в 1,5-2 раза и свободная вода скопится на дне резервуара или выпадет в виде конденсата в трубопроводах. Скопившуюся в резервуарах воду необходимо периодически удалять, иначе она может попасть к потребителю или привести к поломке оборудования.

Согласно методам испытаний СУГ определяют наличие лишь свободной воды, присутствие растворенной допускается.

За рубежом предъявляются более жесткие требования на наличие воды в СУГ и ее количество, посредством фильтрации доводится до 0,001% по массе. Это оправдано, так как растворенная вода в сжиженных газах является загрязнителем, ибо даже при положительных температурах она образует твердые соединения в виде гидратов.

Плотность . Масса единицы объема, т.е. отношение массы вещества в состоянии покоя к занимаемому им объему, называется плотностью (обозначение). Единица плотности в системе СИ - килограмм на кубический метр (кг/м 3). В общем случае

При движении сжиженных газов с давлением ниже упругости пара, т.е. при движении двухфазных потоков, для определения плотности в точке следует пользоваться пределом отношения:

При многочисленных расчетах, особенно в области термодинамики газов и газо-жидкостных смесей, часто приходится пользоваться понятием относительной плотности d - отношением плотности данного вещества к плотности данного вещества к плотности какого-либо вещества, принимаемой за удельную или стандартную с,

Для твердых и жидких веществ в качестве стандартной принимают плотность дистиллированной воды при давлении 760 мм рт.ст. и температуре 3,98єС (999, 973 кг/м 3 1 т/м 3), для газов - плотность сухого атмосферного воздуха при давлении 760 мм рт.ст. и температуре 0 єС (1,293 кг/м 3).

На рисунке I-2 приведены кривые зависимости плотности насыщенной жидкой и паровой фаз основных компонентов сжиженных газов от температуры. Черной точкой на каждой кривой указана критическая плотность. Это точка перегиба кривой плотности соответствует критической температуре, при которой плотность паровой фазы равна плотности жидкой. Ветвь кривой, расположенная выше критической точки, дает плотность насыщенной жидкой фазы, а ниже - насыщенных паров. Критические точки предельных углеводородов соединены сплошной, а непредельных - штриховой линией. Плотность можно также определить по диаграммам состояния. В общем виде зависимость плотности от температуры выражается рядом

Т = Т0 +(Т-Т 0)+(Т-Т 0) 2 +(Т-Т 0) 2 ±.

Влияние третьего и других членов этого ряда на величину плотности в связи с малыми значениями, и незначительно, поэтому с точностью, вполне достаточной для технических расчетов, им можно пренебречь. Тогда

Т = Т0 +(Т-Т 0)

Где =1.354 для пропана, 1,068 - для н-бутана, 1,145 - для изобутана.

Относительное изменение объема жидкости при изменении температуры на один градус характеризуется температурным коэффициентом объемного расширения вт, который у сжиженных газов (пропана и бутана) в несколько раз больше чем у иных жидкостей.

Пропан - 3,06 *10 -3 ;

Бутан - 2,12 *10 -3 ;

Керосин - 0,95 *10 -3 ;

Вода - 0,19 *10 -3 ;

При повышении давления жидкая фаза пропана и бутана сжимается. Степень сжатия ее оценивается коэффициентом объемной сжимаемости всж, размерность которого обратна размерности давления.

Удельный объем. Объем единицы массы вещества называется удельным объемом (обозначение). Единица удельного объема в системе СИ - кубический метр на килограмм (м 3 /кг)

Удельный объем и плотность являются обратными величинами, т.е.

В отличие от большинства жидкостей, которые при изменении температуры незначительно изменяют свой объем, жидкая фаза сжиженных газов довольно резко увеличивают свой объем при повышении температуры (в 15 раз больше, чем вода). При заполнении резервуаров и баллонов приходится учитывать возможное увеличение объема жидкости (рис. I-3).

Сжимаемость . Оценивается коэффициентом объемного сжатия, м 3 /н,

Величину, обратную р, называют модулем упругости и записывают так:

Сжимаемость сжиженных газов по сравнению с другими жидкостями весьма значительны. Так, если сжимаемость воды (48,310 -9 м 2 /н) принять за 1, то сжимаемость нефти 1,565, бензина 1,92, а пропана - 15,05 (соответственно 75,5610 -9 , 92,7910 -9 и 727,4410 -9 м 2 /н).

Если жидкая фаза занимает весь объем резервуара (баллона), то при повышении температуры расширяться ей некуда и она начинает сжиматься. Давление в резервуаре в этом случае повышается на величину, н/м 2 ,

где t - перепад температур жидкой фазы, .

Повышение давления в резервуаре (баллоне) при повышении температуры окружающей среды не должно быть более допустимого расчетного, иначе возможна авария. Поэтому при заполнении необходимо предусматривать паровую подушку определенной величины, т.е. заполнить резервуар не полностью. Значит, необходимо знать степень заполнения, определяемую соотношением

Если же необходимо выяснить, какой перепад температур допустим при имеющемся заполнении, его можно рассчитать по формуле:

Критические параметры. Газы могут быть превращены в жидкое состояние сжатием, если температура при этом не превышает определенной величины, характерной для каждого однородного газа. Температуру, при превышении которой данный газ не может быть сжижен никаким повышением давления, называют критической температурой газа (Т кр). Давление, необходимое для сжижения газа при критической температуре, называют критическим давлением (р кр). Объем газа, соответствующий критической температуре, называют критическим объемом (Vкр), а состояние газа, определяемое критическими температурой, давлением и объемом, - критическим состоянием газа. Плотность пара над жидкостью при критическом состоянии становится равной плотности жидкости.

Принцип соответственных состояний. Обычно для обобщения опытных данных по исследованию различных процессов и веществ используют критериальные системы, основанные на анализе уравнений движения, теплопроводности и др. Для использования таких уравнений подобия необходимы таблицы физических свойств рабочих сред. Неточность определения физических свойств или отсутствие их не дает возможности использовать уравнения подобия. Особенно это относится к мало изученным рабочим телам, в частности к сжиженным углеводородным газам, о физических свойствах которых в литературе имеются достаточно противоречивые данные, зачастую при случайных давлениях и температурах. В то же время имеются точные данные о критических параметрах и молекулярной массе вещества. Это позволяет, используя приведенные параметры и закон соответственных состояний, который подтвержден многочисленными исследованиями и теоретически обоснован современной кинетической теорией вещества, определять неизвестные параметры.

Для термодинамически подобных веществ, а сжиженные углеводородные газы термодинамически подобны, приведенные уравнения состояния, т.е. уравнения состояния, написанные в безразмерных (приведенных) параметрах (р пр = р/р кр =), имеют один и тот же вид. В разное время различными авторами было предложено до пятидесяти уравнений состояния для реальных веществ. Наиболее известным и употребительным из них является уравнение Ван-дер-Ваальса:

где а и b - константы, присущие данному химическому соединению;

Выразив параметры газа в безразмерных приведенных величинах, можно установить, что для газов существует общее уравнение состояния, не содержащее величин, характеризующий данный газ:

F(р пр, Т пр, V пр) = 0.

Законы газового состояния справедливы только для идеального газа, поэтому в технических расчетах, связанных с реальными газами, их применяют с реальными газами в пределах давления, 2-10 кгс/см 2 и при температурах, превышающих 0. Степень отклонения от законов идеальных газов характеризуется коэффициентом сжимаемости Z = (рис. 1-4 - 1-6). По нему можно определить удельный объем, если известны давление и температура, или давление если известны удельный объем и температура. Зная удельный объем, можно определить и плотность.

Удельный вес. Вес единицы объема вещества, т.е. отношение веса (силы тяжести) вещества к его объему называют удельным весом (обозначение. В общем случае где G вес (сила тяжести вещества, V объем, м 3 . Единица удельного веса в СИ = ньютон на кубический метр (н/м 3). Удельный вес зависит от ускорения силы тяжести в пункте его определения и, следовательно, но является параметром вещества.

Теплота сгорания . Количество тепла, которое выделяется при полном сгорании единицы массы или объема газа, называют теплотой сгорания (обозначение Q). Размерность теплоты сгорания в СИ - джоуль на килогамм (дж/кг) или джоуль на кубический метр (дж/м 3).

Температура воспламенения. Минимальную температуру, до которой должна быть нагрета газовоздушная смесь, чтобы начался процесс горения (реакция горения), называют температурой воспламенения. Она не является постоянной величиной и зависит от многих причин: содержания горючего газа в газовоздушной смеси, степени однородности смеси, размеров и формы сосуда, в котором она нагревается, быстроты и способа нагрева смеси, давления, под которым находится смесь, и др.

Пределы воспламеняемости газа. Газовоздушные смеси могут воспламеняться (взрываться) только в том случае, если содержание газа в воздухе (или кислороде) находится в определенных пределах, вне которых эти смеси самопроизвольно (без постоянного притока тепла извне) не горят. Существование этих пределов объясняется тем, что по мере увеличения содержания в газовоздушной смеси воздуха или чистого газа уменьшается скорость распространения пламени, увеличиваются тепловые потери и горение прекращается. С увеличением температуры газовоздушной смеси пределы воспламеняемости расширяются.

Теплоемкость. Количество теплоты, необходимое для изменения температуры тела или системы на один градус, называют теплоемкостью тела или системы (обозначение С). Размерность в СИ - джоуль на градус Кельвина (дж/К). 1 дж/К - 0,2388 кал/К =0,2388*10 -3 ккал/К.

В практических расчетах различают среднюю и истинную теплоемкость в зависимости от того, в каком интервале температур она определена. Средняя теплоемкость С m представляет собой величину, определенную в конечном интервале температур, т.е.

С m = q/(t 2 -t 1).

Истинная теплоемкость есть величина, определенная в данной точке (при данных р и Т или и Т), т.е.

Различают теплоемкость, определенную при постоянном давлении (С р) или при постоянном объеме (С v).

Теплопроводность. Способность вещества передавать тепловую энергию называют теплопроводностью. Она определяется количеством тепла Q , проходящего через стенку площадью F толщиной за промежуток времени при разности температур t 2 -t 1 , т.е.

где - коэффициент теплопроводности, характеризующий теплопроводящие свойства вещества, вт/(м*К) или ккал/(м*ч*С).

Вязкость - это способность газов или жидкостей оказывать сопротивление сдвигающим усилиям, обусловленная силами сцепления между молекулами вещества. Сила сопротивления скольжению или сдвигу F, и, возникающая при перемещении двух смежных слоев жидкости или газа, пропорциональна изменению (градиенту) скорости вдоль оси, нормальной к направлению потока жидкости изи газа, т.е.

где - коэффициент пропорциональности, нсек/м 2 (в СИ); его называют коэффициентом динамической вязкости 9внутреннего трения) или динамической вязкостью; dw - градиент скорости в двух соседних слоях, находящихся на расстоянии dy.

Во многих технических расчетах пользуются кинематической вязкостью, представляющей собой отношение динамической вязкости жидкости или газа к их плотности, т.е. =/. Единица кинематической вязкости в СИ - квадратный метр на секунду (м 2 /сек).

Вязкость жидкой фазы с возрастанием температуры уменьшается, а вязкость газа и пара увеличивается.

Октановое число газового топлива выше, чем у бензина, поэтому детонационная стойкость сжиженного газа больше, чем бензина даже самого высшего качества. Среднее октановое число сжиженного газа - 105 - недостижимо для любых марок бензина. Это позволяет добиться большей экономичности использования топлива в газовом котле.

Диффузия . Газ легко смешивается с воздухом и равномерней сгорает. Газовая смесь сгорает полностью, поэтому не образуется сажи в топках и на нагревательных элементах.

Давление в емкости. В закрытом сосуде СУГ образует двухфазную систему, состоящую из жидкой и паровой фаз. Давление в емкости зависит от давления насыщенных паров, которое в свою очередь зависит от температуры жидкой фазы и процентного соотношения пропана и бутана в ней. Давление насыщенных паров характеризует испаряемость СУГ. Испаряемость пропана выше чем бутана, поэтому и давление при отрицательных температурах у него значительно выше. Расчетами и экспериментами установлено, что при низких температурах окружающего воздуха эффективнее использовать СУГ с повышенным содержанием пропана, так как при этом обеспечивается надежное испарение газа, а следовательно и достаточность газа для газопотребления. Кроме того, достаточное избыточное давление в емкости обеспечит надежную подачу газа к котлу в сильные морозы. При высоких положительных температурах окружающего воздуха эффективнее использовать СУГ с меньшим содержанием пропана, так как при этом в емкости будет создаваться значительное избыточное давление, что может вызвать срабатывание клапана сброса. Кроме пропана и бутана, в состав СУГ входит незначительное количество метана, этана и других углеводородов, которые могут изменять свойства СУГ. В процессе эксплуатации емкости может образовываться неиспаряемый конденсат, который отрицательно сказывается на работе газовой аппаратуры.

Изменение объема жидкой фазы при нагревании . Правилами Европейской Экономической Комиссии ООН предусмотрена установка автоматического устройства, ограничивающего наполнение емкости до 85% ее объема. Данное требование объясняется большим коэффициентом объемного расширения жидкой фазы, который для пропана составляет 0,003, а для бутана 0,002 на 1°С повышения температуры газа. Для сравнения: коэффициент объемного расширения пропана в 15 раз, а бутана в 10 раз, больше, чем у воды.

Изменение объема газа при испарении. При испарении сжиженного газа образуется около 250л. газообразного. Таким образом, даже незначительная утечка СУГ может быть опасной, так как объем газа при испарении увеличивается в 250 раз. Плотность газовой фазы в 1,5--2,0 раза больше плотности воздуха. Этим объясняется тот факт, что при утечках газ с трудом рассеивается в воздухе, особенно в закрытом помещении. Пары его могут накапливаться в естественных и искусственных углублениях, образуя взрывоопасную смесь. СНиП 42-01-2002 предусматривает обязательную установку газоанализатора, выдающего сигнал отсечному клапану на закрытие в случае скопления газа в концентрации 10% от взрывоопасной.

Одорация. Сам газ практически не пахнет, поэтому для безопасности и своевременной диагностики утечек газа органами обоняния человека в него добавляют незначительные количества сильнопахнущих веществ. При массовой доле меркаптановой серы менее 0,001% СУГ должны быть одорированы. Для одорации применяется этилмеркаптан (С2Н5SH), представляющий собой неприятно пахнущую жидкость плотностью 0,839 кг/л и с точкой кипения 35°С. Порог чувствительности запаха 0,00019 мг/л, предельно допустимая концентрация в воздухе рабочей зоны 1 мг/м 3 . В случае, когда токсичность в норме или несколько ниже нормы, запах одоранта практически не ощущается и его накопления в помещении не наблюдается.

Вывод

Таким образом, можно подвести итог и выделить основные свойства пропан-бутановых смесей, влияющих на условия их хранения, транспортирования и измерения.

1. Сжиженные углеводородные газы относятся к низкокипящим жидкостям, способным находиться в жидком состоянии под давлением насыщенных паров.

Температура кипения:

Пропан -42 0 С;

Бутан - 0,5 0 С.

• 2. При нормальных условиях объем газообразного пропана больше в 270 раз, чем объем пропана сжиженного.
• 3. Сжиженные углеводородные газы характеризуются высоким коэффициентом теплового расширения.
• 4. СУГ характеризуются низкой плотностью и вязкостью по сравнению со светлыми нефтепродуктами.
• 5. Нестабильность агрегатного состояния СУГ при течении по трубопроводам в зависимости от температуры, гидравлических сопротивлений, неравномерности условных проходов.
• 6. Транспортирование, хранение и измерение СУГ возможны только посредством закрытых (герметизированных) систем, рассчитанных, как правило, на рабочее давление 1,6 МПа.
• 7. Перекачивающие, измерительные операции требуют применения специального оборудования, материалов и технологий.

Во всем мире, углеводородные системы и оборудование, а также устройство технологических систем подчинено единым требованиям и правилам.

Сжиженный газ представляет собой ньютоновскую жидкость, поэтому процессы перекачивания и измерения описываются общими законами гидродинамики. Но функция углеводородных систем сводится не только к простому перемещению жидкости и ее измерению, но и обеспечению уменьшения влияния «отрицательных» физико-химических свойств СУГ.

Принципиально, системы, перекачивающие СУГ, мало отличаются от систем для воды и нефтепродуктов, и, тем не менее, необходимо дополнительное оборудование, гарантирующее качественные и количественные характеристики измерения.

Исходя из этого технологическая углеводородная система, как минимум должна иметь в своем составе резервуар, насос, газоотделитель, измеритель, дифференциальный клапан, отсечной или регулирующий клапан, устройства безопасности от превышения давления или скорости потока.

Ученый-химик, исследовав существовавший в то время бензин, обнаружил, что в его составе много легкоиспаряющихся фракций пропана, бутана и других ароматических углеводородов. Через некоторое время была создана установка, отделяющая из бензина летучие углеводороды, которые сами по себе оказались прекрасным топливом. Первый двигатель внутреннего сгорания на сжиженном газе был создан в 1913 году.

Экономичность двигателей при использовании СУГ

Одним из важнейших показателей использования коммерческого транспорта является его экономичность. Для двигателя внутреннего сгорания показателем экономичности является отношение полученной единицы кинетической энергии к стоимости израсходованного топлива. В свою очередь расход топлива зависит от его октанового числа и предела воспламенения при сжатии. Это основные показатели сортности топлива.

Для сжиженного газа на пропан-бутановой основе октановое число составляет 100-110 ед. При этом, стоимость одного килограмма СУГ значительно ниже, чем стоимость высокооктанового бензина. В результате исследований, проведенных ВНИИГАЗ, были получены данные, что для автомобиля с двигателем внутреннего сгорания на газе, движущегося со скоростью 50 км/час расход топлива на 30-40% ниже, чем при использовании бензина. Учитывая более низкую стоимость СУГ экономический эффект от перевода автопарка на газ увеличивается в разы.

Кроме того, двигатели, работающие на СУГ отличаются гораздо более высоким моторесурсом. Износ снижается за счет того, что в камере сгорания гораздо меньше откладываются сернистые соединения (нагар), характерные для бензина, лучше условия смазки поршневой группы. В целом, при переводе автомобиля на газ можно добиться 40% экономии эксплуатации, а окупаемость такого перевода составляет 0,5 – 1 год.

Экологические показатели СУГ

Пропан-бутановая смесь, из которой в основном состоит СУГ, является, пожалуй, самым экологически чистым видом топлива. В продуктах горения такой смеси практически отсутствуют тяжелые зольные соединения, копоть, минимально количество угарного (СО) газа.

В отличие от твердых и жидких углеводородов газ при горении не выделяет диоксида серы, бензопиреновых соединений, сероводорода, сажи. По сравнению с бензином, выхлопы от которого содержат большое количество свинца, сжиженный газ абсолютно безопасен. При сжигании СУГ получается большое количество безопасного водяного пара, что не коей мере не может ухудшить экологию.

Комплект газобаллонного оборудования

Транспортные средства, переоборудуемые для работы на сжиженном газе, оснащаются комплектом газобаллонного оборудования. На сегодняшний день на рынке газового оборудования имеется комплекты четвертого и пятого поколения. Они отличаются лучшими эксплуатационными характеристиками, высокой надежностью и безопасностью.

В автомобильных газобаллонных комплектах пятого поколения изменена подача газа в двигатель. Теперь во впускной коллектор топливо подается в жидкой фазе, что позволяет улучшить условия его работы. Для этого в системе установлен дополнительный газовый насос.

Краткий обзор рынка сжиженного газа

Сжиженный газ получают из попутного нефтяного газа и в результате переработки сжиженного газа, а также как побочный продукт на некоторых химических производствах. Его выработка постоянно увеличивается. Около 2/3 произведенного СУГ поступает на внутренний рынок. Остальное идет на экспорт, в основном в Европу. Крупнейшими покупателями российского сжиженного газа является Польша, Финляндия, Турция. Структура потребления сжиженного газа в РФ значительно отличается от европейской.

У нас большая доля СУГ используется в качестве моторного топлива и в качестве сырья химической промышленности. В Европе сжиженный газ по большей части расходуется в жилищно-коммунальном хозяйстве. По прогнозам специалистов в ближайшее время будет наблюдаться рост потребления СУГ в промышленности и на автотранспорте. При этом потребление СУГ в коммунальной сфере останется на том же уровне, даже не смотря на развитие централизованной газораспределительной сети.

Пропан технический (ПТ)

Горючий углеводородный газ. При нормальном давлении находится в газообразном состоянии. Химическая формула С2Н8; молекулярная масса 44; при температуре 15оС имеет плотность в жидкой фазе 510 кг/м3; теплотворная способность при сгорании 85МДж/м3; октанове число 110; температура кипения при нормальном давлении -43оС.