Природного газу

ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ПРИРОДНОГО ГАЗУ

Основні визначення і параметри

природного газу

Ідеальний газовий стан – умовний стан газу або суміші газів, який характеризується відсутністю взаємодії молекул газу, а самі молекули не мають власного об'єму.

Реальний газ – газ, який дійсно існує в природі, тобто стан цього газу характеризується взаємодією молекул, а самі молекули мають власний об'єм.

За складом гази можуть бути чистими та сумішами.

Чистими газами є гази, які містять не більше 0,05% (молярних) домішок газів інших найменувань.

Газова суміш – суміш чистих газів, що не вступають один з іншим в хімічну реакцію.

Природний газ – це газова суміш, компонентами якої в основному є насичені вуглеводні (С _n H _2n+2), азот, диоксид вуглецю і сірководень.

Компонентний склад – наявність різних складових (газоподібних, рідких і твердих фаз), що не вступають одна з іншою в хімічну реакцію.

Компонентний склад суміші газів, в тому числі і природного газу, визначається в об'ємних або молярних частках за формулами.

, (1.1)

(1.2)

де r_i x_i – об’ємна і молярна частка і – тої компоненти в газовій суміші.

V_i – об’єм і – тої компоненти.

n_i – кількість молів і -тої компоненти газової суміші, яка визначається за формулою:

(1.3)

В (1.3) m_i – маса і -тої компоненти, кг;

М_і – молярна маса і -тої компоненти, кг/кмоль.

Об’ємна r_i і молярна х_і частки зв’язані наступними співвідношеннями:

(1.4)

, (1.5)

де z_ci – фактор стисливості і -тої компоненти газу при стандартних умовах.

Фактор стисливості – параметр, що характеризує здатність до ущільнення молекул реального газу при зміні його тиску та температури і кількісно оцінює відмінність реального газу від ідеального.

Тиск – дорівнює границі відношення нормальної складової сили (N) до площі (S), на яку діє сила

. (1.6)

При рівномірному розподілі сил:

(1.7)

Абсолютний тиск газів (p) – це тиск газів на стінки трубопроводів і посуду.

Надлишковий тиск газів (p_надл) – різниця між абсолютним тиском газу і атмосферним (p_атм).

(1.8)

Вакуумний тиск (p_вак) – різниця між атмосферним тиском і абсолютним.

(1.9)

Температура – фізична величина, яка характеризує ступінь нагрітості тіла.

Абсолютна температура (термодинамічна температура) – міра середньої кінетичної енергії поступального руху молекул ідеального газу. Значення абсолютної температури Т (в Кельвінах) газового потоку визначається як

, (1.10)

де t – температура середовища, яка вимірюється за шкалою Цельсія, ^оС.

Стандартні умови – значення параметрів тиску і температури газу згідно ГОСТ 30319.0, які використовуються як базові при обліку газу і становлять p_с =0,101325 МПа, Т_с =293,15 К.

Робочі умови – значення фактичних параметрів тиску і температури газу, які характеризують його в даний момент часу у контрольованій точці його стану чи потоку.

Масова витрата – маса газу m, що проходить через поперечний переріз потоку за одиницю часу t, кг/с або кг/год:

, (1.11)

де t – час, протягом якого через даний переріз проходить газ.

Об’ємна витрата – кількість газу в одиниці об’єму, що проходить через поперечний переріз потоку за одиницю часу, м³/с.

. (1.12)

При обліку газу використовують поняття об’ємної витрати при стандартних умовах і об’ємної витрати при робочих умовах.

Лінійна швидкість – газу визначається як об’ємна витрата газу Q в умовах потоку через одиницю поперечного перерізу потоку S, м/с.

, (1.13)

де S – площа поперечного перерізу потоку, м².

Масова швидкість – масова витрата газу через одиницю поперечного перерізу потоку, кг/м²:

. (1.14)

Рівняння стану природного газу – рівняння, яке виражає залежність між фактором стисливості, температурою, густиною і молярними частками компонент.

Густина газу (кг/м³) – маса газу в одиниці об’єму, що дорівнює відношенню молярної маси М, газу до об’єму моля:

, кг/м³. (1.15)

Густину вимірюють за допомогою густиномірів будь-якого типу (пікнометричних, ареометричних, вібраційних, акустичних, радіаційних та ін.) або розраховують непрямим методом на базі вимірювань параметрів стану середовища, визначення його складу і проведенням розрахунку.

де R – універсальна газова стала (R =8,31451 кДж/кмоль·К)

За молярну масу М приймають масу одного кіломоля речовини в кілограмах.

де А_j – маса кілограм-атома j -го елемента, що входить в склад молекули;

n_j – кількість атомів j -го елемента молекули.

Значення R, p_c, T_{c ,} М і z наведені в додатках.

де z і z _с - фактор стисливості відповідно при робочих і стандартних умовах.

Коефіцієнт стисливості газу К (суміші газів) – відношення фактору стисливості даного газу при робочих умовах до його фактору стисливості при стандартних умовах.

Питомий об’єм газу V_c – об’єм одиниці маси газу.

(1.23),

В’язкість – одна з основних властивостей потоків, яка характеризується силою внутрішнього тертя F, що виникає між сусідніми рухомими шарами газового потоку або рідини. Ця сила діє в напрямку, перпендикулярному до руху потоку. Вона прямо пропорційна швидкості відносного руху шарів потоку і площі їх дотику S. Сила F виражається рівнянням Ньютона

, (1.24)

де - коефіцієнт динамічної в’язкості речовини; - градієнт швидкості в напрямку нормалі до рухомих шарів потоку.

Кількісно коефіцієнт динамічної в’язкості дорівнює тій силі, яка діє на одиницю поверхні одного з шарів речовини зі сторони другого шару, якщо .

Коефіцієнт динамічної в’язкості, який віднесений до густини речовини за тих самих умов, називається кінематичною в’язкістю.

Кінематична в’язкість (в м²/с) визначається за формулою

. (1.25)

Критичною температурою – називають таку температуру, вище якої при будь-якому тиску не можна сконденсувати пару (перевести в рідкий стан).

Критичним тиском – називають такий тиск, вище якого не можна випарувати рідину при будь-якому підвищенні температури.

Для суміші природних вуглеводневих природних газів критичні параметри містять назву псевдокритичних.

Приведеним тиском p_пр називається відношення абсолютного тиску газової суміші (газу) до її псевдокритичного тиску

, (1.26)

де p_кі – значення абсолютного критичного тиску, і -тої компоненти;

N_i – відносна об’ємна доля і -тої компоненти.

Приведеною температурою Т_пр називають відношення абсолютної температури газової суміші (газу) до її псевдокритичної температури.

, (1.27)

де Т_кі – значення абсолютної критичної температури і -тої компоненти.

Приведений об’єм V_пр визначається виходячи з рівняння стану і виразу для критичного об’єму за відношенням

. (1.28)

Аналогічно визначається приведена густина .

Відносна вологість газу (в долях одиниці) визначається як відношення фактичного вмісту водяної пари G_вп в газовому потоці до їх максимально можливого вмісту G_{вп max} за однакових робочих умов(P i T):

. (1.30)

Відносна вологість газу (долях одиниці) також може бути визначена з відношення парціального тиску водяної пари p_вп, що є у вологому газовому потоці, до максимально можливого його парціального тиску p_{вп мах}, за даної температури або з відношення густини водяної пари у вологому газі до найбільшої можливої густини пари при тих же значеннях p і Т:

. (1.31)

Відносна вологість залежить від параметрів стану (p і Т) газів (газових сумішей). Перерахунок відносної вологості газу , відомої при одних робочих умовах (при p і Т), до других (p₁, Т₁) здійснюються за виразом

, (1.32)

де , - відповідно густина і парціальний тиск насиченої водяної пари при температурі t; , - та саме при температурі t₁.

При вологий газовий потік буде насиченим, при цьому частина водяної пари сконденсується. За таких умов приймають

Показник адіабати (ізоентропи) – термодинамічна характеристика газового середовища (тобто газової суміші), яка відображає процес, що відбувається без теплообміну з зовнішнім середовищем.

Швидкість звуку – є термодинамічною характеристикою газового середовища, числове значення якої дозволяє оцінити швидкість поширення звуку в цьому середовищі.

Питома об’ємна теплота згорання (теплотворна здатність) природного газу – кількість тепла, яке виділяється в процесі повного згорання газу в повітрі при сталому тиску p_с і сталій температурі Т_сг, поділене на об’єм сухого газу, що визначається за стандартних умов, тобто при тиску p_с і температурі Т_с. Вища питома об’ємна теплота згорання визначається після повної конденсації водяної пари, що утворилися у процесі згорання, при температурі Т_сг, а нижча питома об’ємна теплота згорання – за наявності водяної пари в продуктах згорання газу при температурі Т_сг.

При моделюванні фізичних процесів в трубопроводах і засобах обліку газу застосовуються критерії подібності потоків.

Критеріями подібності називають безрозмірні степеневі комплекси, що входять у безрозмірне математичне описування досліджуваного процесу, яке записується за допомогою -теореми.

Визначальними критеріями подібності називають критерії, які складені тільки з величин, заданих в однозначних умовах і незалежних змінних.

Основними критеріями подібності в гідроаеродинаміці є число Рейнольдса Re, число Фруда Fr, число Струхаля St і число Маха М. Число Рейнольдса є безрозмірним критерієм гідродинамічної подібності потоків і є відношенням сил інерції до сил в’язкості потоку.

Число Рейнольдса Re=v·l/ (де v – характерна для даної задачі швидкість потоку, l – характерний лінійний розмір, - кінематична в’язкість потоку). Наприклад, при протіканні потоку в круглому трубопроводі діаметром D приймають l=D, v – середня по перерізу швидкість потоку (середня об’ємна витрата q_v). Число Рейнольдса Re_D, що відноситься до діаметра при змінній витраті q₀ газу в робочих умовах

; (1.33)

при відомій витраті сухого газу q_с за стандартних умов

; (1.34)

при відомій витраті сухої частини вологого газу за стандартних умов

. (1.35)

Для газових потоків воно знаходиться в межах 10³...10⁷; і суттєво впливає на постійність коефіцієнта витрат у витратомірах змінного перепаду тиску. Для забезпечення необхідної точності вимірювання вказаними засобами обліку газу коефіцієнт витрати повинен бути постійним для робочого діапазону зміни витрати. Оскільки в’язкість газу змінюється несуттєво, то основний вплив на число Рейнольдса здійснює швидкість потоку або його об’ємна витрата, а також густина газу, яка суттєво змінюється від значення його робочого тиску. Після досягнення числом Рейнольдса граничного значення Rе_гр здійснюється стабілізація коефіцієнта витрат. Тому задання режиму роботи звужуючих пристроїв повинно здійснюватись із забезпеченням умови, коли для мінімальної вимірюваної витрати Rе_min повинно перевищувати Rе_гр.. Для діафрагм Rе_гр становить 3·10⁴ при модулі 0,05 і зростає із зростанням модуля до 10⁶ при модулі 0,7. Для сопел значення Rе_гр практично не залежить від модуля і становить близько 2·10⁵.

Число Фруда Fr=v²/gl (де v – швидкість рідини на відстані від тіла що нею обтікається). Число Фруда характеризує відношення між силами інерції і силами тяжіння в потоці рідини. Воно відіграє важливу роль при моделюванні процесів, зв’язаних з роботою різних гідротехнічних споруд, рухом кораблів і т.д. При моделюванні газових потоків цей критерій подібності не відіграє важливої ролі, оскільки через малу густину газів впливом сили тяжіння зазвичай можна знехтувати.

Число Струхаля – критерій подібності неусталеного руху середовища

, (1.36)

де v – характерна швидкість; T_x – характерний інтервал часу, який наприклад дорівнює періоду коливання для періодичного руху середовища.

Число Маха (Число Маєвського) характеризує вплив стисливості рідини на її рух.

, (1.37)

де v – швидкість рідини в точці, що аналізується; с – швидкість звуку в цій точці.

Для випадків, коли , рідину вважають не стискуваною. Рух стискуваного середовища називають дозвуковим, якщо М_х<1, і надзвуковим, якщо М_х>1.

Поправочний множник на розширення вимірюваного середовища (коефіцієнт розширення) - це спеціальний параметр, який враховує зміну густини газу при проходженні через звужуючий пристрій, є функцією перепаду тиску , модуля m і показника адіабати природного газу і використовується при розрахунку витратомірів змінного перепаду тиску.

1.2 Визначення фізичних властивостей природного газу.

1.2.1. Визначення густини суміші газів за стандартних умов по компонентному складу.

В формулах (1.38)...(1.40) і надалі індекс “с” означає стандартні умови, “и” – ідеальний газовий стан, “і” – позначення компоненти природного газу чи суміші.

Значення густини ρ _{с.и і} і фактора b_і ^0,5 подаються в нормативній додатковій літературі, наприклад, в ГОСТ 30319.1.

1.2.2. Визначення густини природного газу при робочих умовах (р і Т).

Густина природного газу визначається за формулою (1.21).

де К₀, К₁, К₂... К₅ – коефіцієнти, значення яких подаються в ГОСТ 30319.1

1.2.3. Визначення показника адіабати.

Показник адіабати застосовується при розрахунку коефіцієнта розширення газу.

де _і - показник адіабати і -тої компоненти суміші.

1.2.4. Визначення швидкості звуку.

Швидкість звуку застосовується при визначені поправочного множника показів вібраційних густиномірів.

К - коефіцієнт стисливості газу, що визначається за методами NX19 мод. або GERG-19, які деталізовані в ГОСТ 30319.2, а методика визначення наводиться нижче в розділі 1.2.7;

ρ _с - густина природного газу за стандартних умов.

1.2.5. Визначення динамічної в'язкості.

де μ_Т виражений в мкПа·с.

Формула (1.48) застосовується в діапазоні температур 240-360К.

В'язкість при підвищених тисках (до 12 МПа) для природного газу обчислюється за формулою:

(1.49)

де - поправочний множник.

Приведені тиски р _п і температуру Т _п обчислюють за формулами (1.26) і (1.27),

в яких псевдокритичні значення тиску р _пк і температури Т _пк розраховують за формулами:

, (1.50)

. (1.51)

В формулах (1.50), (1.51) допускається замість молярних часток діоксида вуглецю і азоту використовувати їх об'ємні частки.

Поиск по сайту: