Фізико-хімічні властивості газів

Реферат

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

АЕРОКОСМІЧНИЙ ІНСТИТУТ

КАФЕДРА ХІММОТОЛОГІЇ

ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА

ТЕМА:

Фізико-хімічні властивості газу

ВИКОНАВ: студент МЕФ IV 401

Едель Аліна Вікторівна

Київ 2010

ЗМІСТ

Вступ

Фізико-хімічні властивості природних газів

Основні параметри газів

Термодинамічні властивості газів

Токсичні і теплові властивості газів

ІІІ. Висновки

ВСТУП

Даний реферат розкриває фізико-хімічні властивості газів, висвітлюючи, по-перше, основні параметри газів з наведенням розрахункових формул для їх знаходження, а саме: густину, питомий об’єм, масовий розхід, лінійну швидкість, масову швидкість, тиск, в’язкість, вологість, стисливість, а також критичні параметри; по-друге, такі термодинамічні властивості газів, як теплоємність системи, теплопровідність, теплота згорання, розглянуть процес дроселювання; по-третє, токсичні і теплотворні властивості природних газів. В роботі також наводяться графіки та номограми для визначення тих чи інших властивостей.

Метою даної роботи є детальний і різноплановий розгляд властивостей газу задля глибшого ознайомлення з основами дисципліни «Газ і паливно-мастильні матеріали» та розуміння природи багатьох явищ, з котрими стикаються експлуатаційники газотранспортної системи.

Завданням є вивчення фізичних параметрів газу, його термодинамічні й теплові властивості, зумовлені хімічним складом; вивчення токсичних властивостей та їхній можливий вплив на організм людини; отримання практичних знань та вмінь в знаходженні того чи іншого параметру газу, виходячи з розрахункових формул та довідкових матеріалів; закріпити та поглибити вивчений раніше матеріал.

ФІЗИКО-ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ГАЗІВ

1. Основні параметри газів

Природні гази поділяються на три групи: гази, які добуваються з чисто газових родовищ і складаються в основному з метану (82—98 %), гази, які одержують із газоконденсатних родовищ і є сумішшю газу та конденсату широкої фракції, що складається з бензину, лігроїну, їй росину, а іноді й солярового масла — цей газ також містить значну кількість метану (80—95 %); гази, які добуваються разом із нафтою з нафтових родовищ — це попутні гази, що складаються з суміші газу з газовим тином і пропан-бутанової фракції, містять тільки ЗОЛІ % метану.

5 стр., 2032 слов

Зріджений газ та його використання

... й використання таких газів. Тема роботи актуальна нині, оскільки скраплені гази затребувані у багатьох областях медицини, науку й техніки. 1. Природа явища і їхні властивості скраплених газів Безперервні ... до того, що у ній втрачається частина тиску газу та газ виходить із перегородки за більш низькому тиску. Газ розширюється чидросселируется.Дросселем називається будь-яке пристрій, що представляє ...

До основних параметрів газу відносяться:

Густина газу (кг/м 3 ) — маса одиниці об’єму, що дорівнює відношенню молекулярної маси Мг газу до об’єму моля:

Фізико-хімічні властивості газів 1

Сума молекулярних мас атомів, що складають молекулу, називається молекулярною масою речовини.

Якщо відомий мольний, тобто об’ємний склад суміші газу у відсотках, то середня молекулярна маса його Фізико-хімічні властивості газів 2 визначається по формулі:

Фізико-хімічні властивості газів 3

V 1 , V2 , … Vn — мольні (об’ємні) концентрації компонентів, %;

M r1 , Mr2 , … Mrn — молекулярні маси компонентів. Якщо відомий масовий склад суміші у відсотках, то його середня молекулярна маса визначається:

Фізико-хімічні властивості газів 4

деФізико-хімічні властивості газів 5 — масові концентрації, %.

Якщо молекулярний склад виражений у частках одиниці, то відповідно середня молекулярна маса:

Фізико-хімічні властивості газів 6

де Фізико-хімічні властивості газів 7 — молекулярний склад у частках одиниць,

Фізико-хімічні властивості газів 8 — маси компонентів. У розрахунках використовують відносну густину природного газу по повітрю. Густина повітря при нормальних умовах дорівнює 1,293 кг/м3 .

Фізико-хімічні властивості газів 9

Оскільки густина залежить від тиску (Р), температури (Т) і стисливості (Z) газу, то перерахунок густини (ρ г ) на інший тиск (Рг) проводиться по формулі:

Фізико-хімічні властивості газів 10

деФізико-хімічні властивості газів 11 — відповідають умовам для ρ1 .

Фізико-хімічні властивості газів 12 — параметри, при яких необхідно ви зачити ρ2 .

Питомий об’єм газу— об’єм одиниці маси газу:

Фізико-хімічні властивості газів 13

Де V — об’єм газу, м 3 ;

  • m — маса газу, кг;

Vc — питомий об’єм середовища, м 3 /кг.

Число Воббе – характеристика якості газу, що визначає взаємозаміну різних газів (одна із експлуатаційних характеристик).

Як фізична величина визначає відношення вищої теплоти згорання палива до квадрату з його відносної густини:

W = Фізико-хімічні властивості газів 14

Тиск – дорівнює відношенню нормальної складової сили (N) до площі (S) на яку діє сила:

Фізико-хімічні властивості газів 15

де Р вар — різниця між барометричним тиском і абсолютним

Фізико-хімічні властивості газів 16

при рівномірному розподілі сил:

Фізико-хімічні властивості газів 17

Абсолютний тиск газів (Р) — це тиск газів на стінки трубопроводів і посудин.

Надмірний тиск газів (Р надм .) — різниця між абсолютним тиском газу і барометричним (Рбар .)

Фізико-хімічні властивості газів 18

У гідравлічних розрахунках газопроводів використовують абсолютний тиск.

В’язкість газу — це властивість газу чинити опір при русі, яка виникає в результаті сил тертя між шарами газу, що рухається. Коефіцієнт, який враховує цю властивість реальних газів, називається коефіцієнтом динамічної (абсолютної) в’язкості (Па

  • с) і визначається по формулі:

Фізико-хімічні властивості газів 19

де Фізико-хімічні властивості газів 20 — тангенціальна сила внутрішнього тертя,

Фізико-хімічні властивості газів 21 — відстань між нескінченно тонкими шарами середовища, які рухаються з швидкістю W2 -W1 .

Залежність динамічної в’язкості газів від температури виражається формулою Сатерланда:

Фізико-хімічні властивості газів 22

де μ – динамічна в’язкість газу при заданій температурі

μ0 – в’язкість газу при 273 °К;

  • С – температура газу °К;

У гідравлічних розрахунках використовують поняття кінематичної в’язкості (м/с), яка визначається співвідношенням:

Фізико-хімічні властивості газів 23

Кінематична в’язкість залежно від температури і тиску виражається формулою:

Фізико-хімічні властивості газів 24

де ν – кінематична в’язкість, м 2 /с;

μ – динамічна в’язкість, Па

  • с;

ρ – густина, кг/м 3 ;

R – газова стала, Дж/кмоль

  • К.

Із підвищенням температури газу в’язкість збільшується.

При наявності в природному газі сірководню (Н 2 5), вуглекислого газу (С02 ) і азоту (N2 ) в’язкість його трохи збільшується.

Фізико-хімічні властивості газів 25

Рис.1.01 Залежність в’язкості газів від молекулярної маси при атмосферному тискові

Залежність в’язкості газів від молекулярної маси при атмосферному тискові показано на графіку (рис. 1.01).

Вологість — природний газ у пластових умовах, насичений парами води, які при русі газу конденсуються, збираються в низьких місцях газопроводів, порушуючи технологічний режим транспортування газу. Сполучення води з кислими газами сприяє інтенсивній корозії обладнання. Крім того, при певних тисках у присутності вологи в газі утворюються — кристалогідрати, які закупорюють прохідний переріз газопроводу й арматури, що може призвести до аварійної ситуації.

Наявність вологи в газі характеризується абсолютною і відносною вологістю. Абсолютна вологість (U) характеризує вміст водяних парів в одиниці об’єму газу в г/м 3 або кг/1000 м3 .

Відносна вологість (Uо) —відношення абсолютної вологості при даних тиску і температурі до його вологоємності, тобто до кількості вологи в одиниці об’єму газу, що міститься при умовах насичення. Відносна вологість вимірюється в частках одиниці або відсотках. Відносна вологість газу, насиченого парами води, дорівнює 100 %.

Вологовміст природних газів залежить від тиску, температури, складу газу й води, характеристики середовища контакту і визначається по номограмі (рис. 1.02).

Фізико-хімічні властивості газів 26

Температура, °к

Рис. 1.02. Номограма для визначення вологовмісту природного газу

Температура, при якій газ повністю насичений водяними парами, називається точкою роси даного газу.

Тиск насичених парів вуглеводнів є функцією темпера тури. При підвищенні температури рідини тиск збільшується за рахунок переходу частини рідини в пароподібний стан. При рівновазі парової і рідкої фаз парціальний тиск компонента в паровій фазі (над рідиною) і в рідкій фаз (в рідині) буде однаковим.

Тиск, при якому рідина при даній температурі знаходиться в стані рівноваги зі своїми парами, називається пружністю насичених парів рідини. Залежність пружності парів вуглеводневих газів показана на рисунку 1.03

Фізико-хімічні властивості газів 27

Стисливість газу характеризує відхилення властивостей реальних газів від законів ідеального газу. Об’єм реальних газів змінюється не пропорційно його тиску й температурі і при однакових умовах стискується більше або менше, ніж ідеальний газ на величину Z— коефіцієнт стисливості, який визначають експериментально або по номограмі залежно від приведених температури й тиску газу.

Фізико-хімічні властивості газів 28

деФізико-хімічні властивості газів 29 —середні температура й тиск газу;

Фізико-хімічні властивості газів 30 — середньокритичні температура й тиск газу

відповідно в °К, МПа.

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 випарити рідину при будь-якому підвищенні температури.

2. ТЕРМОДИНАМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ГАЗІВ

Теплоємність системи, Дж/°К,— це відношення кількості теплоти Q, поглинутої газом у певному термодинамічному процесі, до приросту температури ΔТ:

Фізико-хімічні властивості газів 31

Відношення теплоємності (С) однорідного тіла до його маси (m) називається питомою масовою теплоємністю (Дж/кг·Кº), тобто:

Фізико-хімічні властивості газів 32

Теплоємність реальних газів залежить від складу газу, температури й тиску.

Теплопровідність визначається кількістю теплоти (Q), що проходить крізь стінку площею (F), товщиною (δ) за проміжок часу (τ) при різниці температур по обидві сторони стінки (T 1 — Т2 ) :

Фізико-хімічні властивості газів 33

де К — коефіцієнт теплопровідності у Вт/м*°К.

Із підвищенням тиску теплопровідність газів зростає (рис. 1.04).

Фізико-хімічні властивості газів 34

Рис. 1.04 Залежність теплопровідності від приведених температури Т пр . і тиску Рпр

Теплота згоряння (теплотворна здатність) — це тепло, що виділяється при згорянні одиниці об’єму (або маси) газу за певних умов. Теплота згоряння визначається кількістю тепла, яке виділяється при охолодженні продуктів згоряння до 273 °К і при конденсації утвореної вологи. Теплоту згоряння природного газу можна підрахувати по теплоті згоряння.

Фізико-хімічні властивості газів 35

Наявність компонентів, які входятьу його склад, припускаючи, що природний газ підлягає законам ідеального газу (табл. 1.01).

інертних газів у газовій суміші зменшує її теплоту згоряння (рис. 1.06).

Фізико-хімічні властивості газів 36

Рис. 1.05 Залежність теплотворної здатності природного газу від його густини і вмісту інертних газів

Дроселювання газу — це технологічний процес при добуванні і транспортуванні газу, приякому відбувається різке зниження тиску і розширення газового потоку. При [у залежно від перепаду тисків знижується температура газу. Зміна температури газу при _дроселюванні отримала назву ефекту Джоуля-Томсона. Зміну температури газу при йогодроселюванні можна визначити по номограмі (рис.1.06).

Для визначення температури газу після дроселювання знаходять точку з координатами, що відповідає початковим тиску й температурі (до штуцера), а потім цю точку переміщують паралельно найближчійгазоентальпії кінцевого тиску (після штуцера).

Ордината цієї точки в новому положенні визначить кінцевутемпературу (після штуцера).

Фізико-хімічні властивості газів 37

Рис. 1.06 номограма для визначення інтегрального дросельного ефекту для метану

3.ТОКСИЧНІ І ТЕПЛОВІ ВЛАСТИВОСТІ ГАЗІВ

Небезпечними властивостями вуглеводневих газів е їх токсичність, пожежонебезпечність і здатність до утворення вибухонебезпечних сумішей із повітрям.

В атмосферному повітрі населених пунктів, у повітрі робочої зони і у воді водоймищ санітарно-побутового водокористування встановлюються гранично допустимі концентрації шкідливих речовин, які затверджуються Міністерством охорони здоров’я України.

Із газових компонентів природних і попутних газів особливо токсичний сірководень, його запах відчувається при вмісті в повітрі 0,0014—0,0023 мг/л.

Сірководень є отрутою, що викликає параліч органів дихання й серця. Концентрація сірководню 0,06 мг/л викликає головний біль. При концентраціях 1 мг/л і вище настають гостре отруєння і смерть. Гранично допустима концентрація сірководню в робочій зоні виробничих приміщень — 0,01 мг/л, а в присутності вуглеводнів С 1 — С5 — 0,003 мг/л.

Характер дії на організм людини вуглекислого газу — наркотичний, при високих концентраціях викликає швидку задуху через нестачу кисню. Вміст 4—5 % вуглекислого газу в повітрі призводить до запаморочення голови, підвищує кров’яний тиск. Вдихання високих концентрацій вуглекислого газу (20 %) спричиняє зупинку дихання і смерть.

Природні вуглеводневі гази утворюють вибухонебезпечні суміші з повітрям. Існують концентраційні границі вибуховості газів у суміші з повітрям: нижня границя відповідає мінімальній концентрації горючого газу, при якій вибух уже неможливий; верхня — максимальній концентрації, при якій ще можливий вибух.

При вибуху швидкість поширення детонаційної хвилі горіння (900— 3000 м/с) перевищує швидкість звуку в повітрі.

При концентрації газу в повітрі в межах запалювання при наявності джерела запалювання виникне вибух. Якщо вміст газу в повітрі менше нижньої і більше верхньої границі вибуховості, то суміш не здатна вибухати. При цьому вона згоряє спокійним полум’ям. Швидкість поширення фронту хвилі горіння при атмосферному тиску становить близько 0,3—2,4 м/с.

Тиск, що виникає при вибуху газоповітряної суміші, визначається по формулі:

Фізико-хімічні властивості газів 38

де Р поч — початковий тиск газоповітряної суміші до вибуху в Па;

Т виб — температура газів, які утворюються при вибуху (1900—2000 °С), °К;

Т поч — температура газоповітряної суміші до вибуху, °К;

  • m — об’єм продуктів горіння газу з урахуванням азот) повітря;
  • п — об’єм суміші газу в повітрі до вибуху.

Величини т і п визначаються рівняннями реакцій горіння складових частин газу з урахуванням балансу газу й азоту в повітрі, які беруть участь у реакції.

ВИСНОВКИ

Таким чином, ми розглянули фізико-хімічні властивості газів з трьох аспектів: з боку визначення основних параметрів, термодинамічних властивостей, а також токсичних і теплових властивостей. Такий підхід дав нам змогу побачити зв’язок між хімічною структурою, фізичними параметрами газу та навколишнього середовища та його поведінкою у тих чи інших процесах. Саме такий аналіз дозволяє нам, майбутнім експлуатаційникам газотранспортної системи, у подальшому вирішувати широке коло проблем, пов’язаних із професійною діяльність, проводити спеціальні розрахунки щодо характеристик газу, розуміти природу явищ, пов’язаних зі зберіганням, транспортуванням і використанням природного газу.

Отже, наразі ця інформація є завжди актуальною та необхідною, а особливо – у контексті майбутньої модернізації газотранспортної системи України, що є однією з найпотужніших у Європі.

ЛІТЕРАТУРА

1. Громов А.В., Гузанов Н.Е., Хачикян Л.А. Эксплуатационнику магистральных газопроводов.— М.: Недра, 1987. – 548с.

2. Розгонюк В.В., Удолов О.С., Нікішин В.П. Експлуотаційникові газонафтового комплексу: довідник. – К.: Росток, 1998. – 431 с.

3. Бойченко С.В., Моца В.Г., Тітова О.С. Газ і паливно-мастильні матеріали: Навчальний посібник. – К.:НАУ, 2002, — 188 с.