Хранение и распределение сжиженных газов. Курс семинарских занятий

Литература
Рачевский Б.С., «Сжиженные углеводородные газы» – М., Нефть и газ, 2009.
Стаскевич Н. Л., Вигдоричик Д.Я., «Справочник по сжиженным углеводородным газам» – Л.: Недра, 1986.
Федорова Е.Б. «Современное состояние и развитие мировой индустрии сжиженного приодного газа: технологии и оборудование» - М, РГУ нефти и газа им И.М.Губкина, 2011.
Бармин И.В., Кунис И.Д. «Сжиженный природный газ вчера, сегодня, завтра» под редакцией А.М. Архарова – М., МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009.
Вовк В.С., Никитин Б.А., Новиков А.И., Гречко А.Г. «Крупномаштабное производство сжиженного природного газа» – М. ООО «Издательский дом Недра», 2011.

Природный газ
Природный газ (Natural gas, natural fuel gas)
ГОСТ 5542-2014 «Газы горючие природные промышленного и коммунально-бытового назначения. Технические условия»
Природный газ (газ горючий природный) – газообразная смесь, состоящая из метана и более тяжелых углеводородов, азота, диоксида углерода, водяных паров, серосодержащих соединений, инертных газов.
Основным компонентом природного газа является метан

Сжиженные газы
СУГ - сжиженные углеводородные газы, LPG ( Liquefied petroleum gas)
ГОСТ Р 52087-2018 «Газы сжиженные углеводородные топливные. Технические условия»
СПГ – сжиженный природный газ, LNG (Liquefied natural gas)
ГОСТ Р 57431-2017 «Газ природный сжиженный. Общие характеристики».
КПГ – компримированный природный газ, CNG (Compressed natural gas)
ГОСТ 27577-2000 «Газ топливный компримированный для двигателей внутреннего сгорания. Технические условия»

Определение СУГ
Это углеводороды или их смеси, которые при нормальном давлении и температуре окружающего воздуха находятся в газообразном состоянии, но при увеличении давления на относительно небольшую величину без изменения температуры переходят в жидкое состояние. СУГ получают из попутных нефтяных газов, а также на газоконденсатных месторождениях.
Температура кипения пропана при атмосферном давлении минус 42,1°C
Температура кипения бутана при атмосферном давлении минус 0,5°C.

Определение СПГ
Криогенная жидкость представляющая собой многокомпонентную смесь, которая состоит в основном из метана, а также может содержать небольшие количества этана, пропана, бутана, азота и других компонентов, присутствующих в природном газе. Это - природный газ, искусственно сжиженный, путем охлаждения до -160…- 165°C.
Температура кипения метана при атмосферном давлении минус 162°C

Определение КПГ
Природный топливный компримированный газ получают из горючего природного газа, транспортируемого по магистральным газопроводам или городским газовым сетям, компримированием и удалением примесей на газонаполнительной компрессорной станции (ГНКС) по технологии, не предусматривающей изменения компонентного состава и утвержденной в установленном порядке.

Способы хранения СУГ

Способы хранения СПГ

Способы хранения КПГ

Свойства ПГ, КПГ, СПГ

Свойства СУГ, СПГ

Законы, применяемые для сжиженных газов

Закон Бойля-Мариотта
(a1662, ф1676)
Объем газа при постоянной температуре обратно пропорционален давлению
PV=const
.
T=const

Закон Гей-Люссака
(ф1802)
Объем постоянной массы газа пропорционален абсолютной температуры при постоянном давлении.
.
.
P=const

Закон Авогадро
(и1811)
В равных объемах различных газов при одинаковой температуре и давлении находится одинаковое количество молекул
.
M – молекулярный вес газа, кг
Vm – молекулярный объем газа, м3/моль

Закон Клапейрона-Менделеева (ф1834р1875)
.
.
.
R – универсальная газовая постоянная, Дж/(моль К).
Для реальных газов z – коэффициент сжимаемости газов.

Закон Дальтона
(а 1803-1805)
Давление в смеси газов равно сумме парциальных давлений газов
- объемное (молекулярное) содержание i компонента в смеси.
Амага Эмиль – общий объем газовой смеси равен сумме парциальных объемов
- объем, который бы занимал i компонент при отсутствии остальных, в таком же количестве, под тем же давлением и при той же температуре что и в смеси.

Закон Рауля
(ф1887)
Парциальное давление насыщенного пара компонентов жидкости пропорционально его массовой доле (концентрации) в жидкости с коэффициентов пропорциональности, равным давлению насыщенных паров в чистом виде.
.
.

Примеры решения задач

Задача №1
По газопроводу за полчаса поступает 1500м3 газа при давлении 0,25 МПа и температуре 220С. Необходимо определить какой объем газа будет при нормальных условиях.

Задача №2
Баллон с газом при температуре 250С и давлении 0,5 МПа нагрели до 500С. Необходимо определить давление в баллоне после нагрева.

Задача №3
Определить парциальные давления компонентов, входящих в газовую смесь следующего состава: СН4 – 2%, С3Н8 – 57%, С4Н10 – 41% при давлении 1,2 МПа
.
PCH4=0,02∙1,2=0,024 МПа
РС3Н8=0,57∙1,2=0,684 МПа
РС4Н10=0,41∙1,2=0,492 МПа.

Задача №4
Определить плотность газа при температуре 250С и давлении 1,0 МПа, если его плотность при стандартных условиях равна 0,6971кг/м3.

Задача №5
В емкость 200м3 поместили 50м3 С4Н10 при давлении 0,4 МПа, добавили С3Н8 120м3 при давлении 0,8 МПа. Определить парциальные давления газов, общее давление и объемный состав смеси .
.
.
Робщ=Р1+Р2=0,48+0,1=0,58 МПа
.
.

Давление насыщенных паров
Давление, при котором жидкость находится в равновесном состоянии с паром при данной температуре, называется упругостью насыщенных паров

Упругость паров

Табличные данные

Примеры решения задач

Задача №6
Определить состав смеси газов равновесной паровой фазы при температуре 300С и следующем молярном составе жидкой фазы С2Н6 – 2%, С3Н8 – 60%, С4Н10 – 38%
. P=0,02∙4,46+0,6∙1,08+0,38∙0,28=0,84МПа
.
.
.
.

Точка росы
Температура, при которой начинается конденсация насыщенных паров газа при заданном давлении называется точной росы.
Если при постоянном давлении начать охлаждать пары или при постоянной температуре начать сжимать пары, то некоторая их часть начнет конденсироваться.

Примеры решения задач

Задача №7
Определить точку росы смеси газа следующего состава: пропан – 25%, н-бутан –60%, изобутан – 15% при атмосферном давлении.
Решение: температура -7,60С.

Диаграмма состояния
Диаграмма состояния это графическое отображения состояния и физических свойств газов.
Диаграмма строится на полулогарифмической сетке из горизонтальных линий постоянного давления и вертикальных линий постоянной энтальпии (теплосодержания).

Диаграмма состояния
Пояснения к схеме построения диаграмм состояния для углеводородов:
ЖКП пограничная кривая
К – критическая точка
Кривая ЖК – характеризует состояние жидкости
Кривая КП – характеризует состояние насыщенного пара
КХ – кривые сухости пара, характеризующие долю пара в двухфазной системе
ОБ и О’Б’B – кривые удельных объемов (изохоры) в области жидкости и пара соответственно
ТЕМЛ – кривая постоянной температуры (изотерма) докритической зоны
АД – кривые энтропии (адиабаты), используются для определения параметров углеводородов при сжатии их в декомпрессоре и при истечении из сопел горелок

Диаграмма состояния пропана

Диаграмма состояния бутана

Диаграмма состояния метана

Примеры решения задач

Задача №8
Определить упругость насыщенных паров жидкого пропана, находящегося в резервуаре при температуре минус 100С.
Находим на диаграмме состояния пропана пересечении линии постоянной температуры минус 100С с пограничной кривой насыщенного пара, получаем
Р=0,35МПа.

Задача №9
Определить удельный объем и плотность жидкой и паровой фаз пропана в сосуде при температуре минус 200С.
Удельный объем жидкой фазы пропана находим в точке пересечения линии температуры -200С и пограничной кривой насыщенной жидкости, а паровой фазой в точке пересечения с пограничной кривой насыщенного пара .
.
.

Задача №10
После заполнения баллона пропаном объем жидкой фазы составил 85% от объема баллона при температуре 150С. С повышением температуры объем паровой фазы будет уменьшаться. Определить при какой температуре баллон будет полностью заполнен жидкостью.
При заданной температуре по диаграмме состояния находим удельный объем.
.
Тогда масса пропана в баллоне будет равна.
.
.
.

Задача №10
Общая масса в баллоне
.
Определим плотность жидкости, когда она заполнит весь объем
.
.
По диаграмме находим приблизительно 620С

Задача №11
Температура пропана в баллоне равна 300С. Пары пропана проходят через регулятор, где их давление снижается до 0,128МПа. Определить температуру пропана после регулятора и величину перегрева паров.
По диаграмме находим:
Температура равна 90С.
Перегрев 9С-(-38С)=47С.

Диаграмма состояния пропана