Рекомендованные характеристики углеводородов, физико-химические и термодинамические свойства (стр. 1 )

ГОСУДАРСТВЕННАЯ КОРПОРАЦИЯ «РОСТЕХНОЛОГИИ»

РЕКОМЕНДОВАННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

УГЛЕВОДОРОДОВ

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

МЕТАН ЭТАН ПРОПАН

ДЕМОНСТРАЦИОННЫЙ ВАРИАНТ

«Рекомендованные характеристики углеводородов. Физико-химические и термодинамические свойства. Метан. Этан. Пропан» показывает структуру документа и его объем, содержит текстовую информацию и все виды таблиц, которые будут представлены в полной версии. В демонстраци­онном варианте в полном объеме представлен Раздел 4 Физико-химические константы и термодинамические свойства этана. В таблицах приведены рассмотренные в работе численные данные, их рекомендованные значения и источники этих данных. В полной версии издания будут представлены в полном объеме, доступном на момент издания численные данные, их рекомендованные значения и их источники для метана, этана и пропана.

Москва 2010

Авторы: доктор химических наук, профессор (научный руководитель работы), доктор химических наук, профессор , кандидат химических наук .

Аннотация

В настоящем издании представлены отобранные и проанализированные физико-химические свойства и термодинами­ческие характеристики метана, этана и пропана, представляющих огромный практический и промышленный интерес.

Рекомендуемые, наиболее достоверные значения свойств были отобраны на основании тщательного анализа имеющихся литера­турных данных. Недостающие физико-химические характеристики были рассчита­ны различными методами с учетом возможности их применения и наличии необходимых для расчета эксперимен­тальных свойств.

Для метана, этана и пропана в таблицах приведены брутто-формула, структур­ная формула, а также представлены следующие свойства:

o  Физико-химические и термохимические константы: молекулярная масса, температура плавления, нормальная температура кипения, критическая темпе­ратура, критическое давление, критичес­кий объем, энтальпия образования в стандартном и газообразном состояниях, энтальпии парообразования.

o  Зависимости теплоемкости Cp в газообразном состоянии от температуры.

o  Свойства в области сосуществования пар-жидкость: давление насыщенного пара, теплота испарения, поверхностное натяжение.

o  Свойства насыщенного пара: плотность, изобарная теплоемкость, динами­ческая вязкость, теплопроводность.

o  Свойства жидкости: плотность, изобарная теплоемкость, динамическая вязкость, теплопроводность.

o  Показатели пожаровзрывоопасности: температура само­воспламенения, концентра­ционные пределы воспламенения в воздухе и кислороде, давление взрыва, минимальная энергия зажига­ния.

Отобранные значения свойств удовлетворительно согласуются со средними значениями, полученными из данных разных авторов, опубликован­ных за последние 50-70 лет, что указывает на их надежность.

Издание предназначено для проектировщиков нефтегазо­вого оборудо­вания и технологий, научных работников, инженеров и технологов, работаю­щих в области физической и органической химии, газо - и нефтепереработки, а также для преподавателей и студентов, специализирующихся в области газо - и нефтехимии
.

© , 2010

© Оформление , 2010

СОДЕРЖАНИЕ

1.	Введение	4
2.	Общая часть	5
3.	Физико-химические константы и термодинамические свойства метана (только в полной версии)	9
4.	Физико-химические константы и термодинамические свойства этана	16
5.	Физико-химические константы и термодинамические свойства пропана (только в полной версии)	22
6.	Библиография (только для этана)	29

1. Введение

Настоящая работа представляет рекомендуемые наиболее досто­верные, тщательно отобранные значения ряда физико-химических и термодинами­ческих свойств метана, этана и пропана, необходимые для проектирования нефтегазового оборудования.

В настоящем издании представлен комплекс свойств метана, этана и пропана, включающий физико-химические и термохими­ческие константы (молекулярная масса, температура плавления, нормальная температура кипения, критическая темпе­ратура, критическое давление, критический объем, энтальпия образова­ния в стандартном и газообразном состояниях, энтальпии парообразо­вания); зависимости теплоемкости Cp метана в газообразном состоянии от температуры; свойства метана в области сосущество­вания пар-жидкость (давление насыщенного пара, теплота испарения, поверхностное натяжение); свойства насыщенного пара (плотность, изобарная теплоемкость, динами­ческая вязкость, теплопроводность); свойства жидкости (плот­ность, изобарная теплоемкость, динамическая вязкость, теплопро­водность); показатели пожаровзрывоопасности: температура самовоспла­менения, концентра­ционные пределы воспламенения в воздухе и кислороде, давление взрыва, минимальная энергия зажига­ния.

2. Общая часть

Успехи, достигнутые за последнее время в нефтехимии и в других областях науки и производства, были бы невозможны без накопления данных о термодинамических свойствах веществ и предварительного термоди­намического анализа соответствующих процессов на основе этих данных. Все это делает необходимым, с одной стороны, изучение термохимических свойств, а с другой стороны накопление уже имеющихся данных, их критический анализ и оценку достоверности, а также систематизацию этих данных в виде, доступном специалистам других отраслей науки и техники.

Среди материальных объектов деятельности государственной корпорации «Ростехнологии», ключевое положение занимает производство по выпуску нефтегазового оборудования и аппаратов химической технологии.

Знание физико-химических свойств веществ необходимо для расчетов химико-технологических процессов, аппаратов химичес­кой технологии, а показатели пожаровзрывоопасности позволяют даже для взрывоопасных производств выбрать безопасные режимы работы установок.

Важной задачей является и обеспечение проектно-изыскатель­ских работ надежными физико-химическими и термодинамичес­кими характеристиками углеводо­родов и их систем.

Термодинамические свойства углеводородов требуются для выполнения различных химико-технологических расчетов при разработке новых и оптимизации имеющихся производств, а также для расчета эффективности топлив, их оптимальных составов, для оценки новых энергоемких веществ и их смесей [1].

При проведении таких расчетов нужен полный набор свойств всех участвующих в процессе веществ.

При отсутствии нужных экспериментальных характеристик для какого-либо вещества необходимо выполнить большой объем работ по расчету отсутствующих в литературе данных. При этом, вычисленные значения могут иметь большую погрешность, чем экспериментальные, однако расчетные значения весьма полезны при отсутствии надежных экспериментальных данных.

С этой целью проведены следующие работы.

1.  Сбор имеющейся информации, в том числе новейшей, по физико-химическим и термодинами­ческим свойствам углево­дородов.

2.  Оценка достоверности этой информации и представление рекомендуемых величин.

3.  Получение новой информации по свойствам веществ на основе рекомендуемых значений, используя математические соотношения между различными свойствами.

Оценка достоверности и представление рекомендуемых величин свойств потребовала весьма тщательной работы специалистов высшей научной категории, т. к. эксперты должны отлично знать детали экспериментальных работ, качество работы различных научных школ, уметь оценить надежность данных по согласованию различных физических величин, а также из сопоставления расчетных и экспериментальных данных.

В настоящей серии «Рекомендованные характеристики углеводоро­дов» предусматривается анализ и представление данных по базовым свойствам промышленно важных углеводородов.

Будут представлены необходимые базовые физико-химические и термодинамические характеристики и ряд других свойств.

Представляемый спектр данных призван удовлетворить запросы разных потребителей этих данных, включая необходимую их точность.

В настоящей работе представлены отобранные физико-химические свойства и термодинамические характеристики для метана, этана и пропана, представ­ляющих огромный практический и промышлен­ный интерес.

Для этих веществ был проведен поиск литературных данных по всем указанным выше физико-химическим, термодинамическим, а также пожаровзрывоопасным свойствам. Анализировалась отечественная и зарубежная научно-техническая литература, а также отчеты различных организаций, диссертации, нормативные документы и депонированные работы.

На основании тщательного анализа литературных данных с учетом чистоты исследуемого вещества, методики проведения эксперимента, погрешности полученных результатов, авторитета автора или его школы, были отобраны рекомендуемые, наиболее достоверные значения свойств, которые при необходимости корректировались на основе единой системы ключевых величин CODATA [2, 3], недостающие физико-химические данные рассчи­таны. Расчеты проводили различными методами с учетом возможности их применения и наличии необходимых для расчета экспериментальных свойств. Исполь­зованные расчетные методы были основаны на принципе соответственных состояний или на принципе подобия. Оба принципа являются приближенными, поэтому к расчетным значениям свойств необходимо прибегать при отсутствии эксперимен­тальных данных [4, 5, 7, 8].

Все числовые значения были приведены к виду, удобному для дальнейшего использования. Для каждого свойства была выбраны единицы измерения, наиболее часто используемые в практической деятельности и в технологических расчетах. Использование в единицах обозначения "К" (Кельвин) вместо просто "град" в настоящее время общепринято и применимо как к абсолютной шкале температур, так и к традиционной шкале температур с ее единицей - градус Цельсия. При необходимости термодинами­ческие данные могут быть пересчитаны в системе СИ с учетом, что 1кал = 4,184 Дж.

Для метана, этана и пропана в таблицах приведены брутто-формула, структур­ная формула и затем физико-химические свойства, критические параметры, энтальпия образования в стандартном и газообразном состоянии, а также показатели пожаровзрывоопасности.

Число указанных значащих цифр приближенно отражает качество данных. Значения свойств, зависящих от температуры, представлены, как правило, с интервалом температур в 10 градусов.

Каждое свойство снабжено ссылкой на литературный источник, откуда оно было взято. Приведен список использованной литературы. Ниже в таблицах представлены следующие свойства:

o  Физико-химические константы: молекулярная масса, температура плавления, нормальная температура кипения, критическая температура, критическое давление, критический объем, энтальпия образования в стандартном и газообразном состояниях, энтальпии парообразования.

o  Зависимости теплоемкости Cp вещества в газообразном состоянии от температуры. Представлены зависимости тепло­емкости в виде степенного ряда от температуры, коэффициенты которого и интервал температур приведены в соответствующих таблицах.

o  Свойства вещества в области сосуществования пар-жидкость: давление насыщенного пара, теплота испарения, поверхностное натяжение.

В этой области первые два свойства в равной степени можно отнести как к жидкости, так и к пару: давление насыщенного пара - то же самое, что давление кипения жид­кости, теплота испарения жидкости - то же самое, что теплота конденсации пара.

o  Свойства насыщенного пара вещества: плотность, изобар­ная теплоемкость, динамическая вязкость, теплопроводность.

Приведенные свойства вещества в газообразном состоянии являются в общем случае функциями двух независимых параметров состояния вещества - температуры и давления. Однако вдоль линии сосуществования пар - жидкость эти параметры зависят друг от друга, поэтому свойства газа являются функцией только одного независимого параметра, например, температуры. Для того чтобы в явном виде указать, к какой области состояния газа относятся свойства данной группы, мы вместо громоздкого названия "Свойства пара в области сосуществования пар-жидкость" применили короткое общепри­нятое название "Свойства насыщенного пара".

o  Свойства жидкости: плотность, изобарная теплоемкость, динамическая вязкость, теплопроводность.

Как и в предыдущем случае имеются в виду свойства жидкости в области сосуществования пар-жидкость - короткое название "Свойства жидкости".

o  Показатели пожаровзрывоопасности: температура само­воспламенения, концентра­ционные пределы воспламенения (нижний концентрацион­ный предел воспламенения - верхний концентра­ционный предел воспламене­ния) в воздухе и кислороде, давление взрыва, минимальная энергия зажигания.

Критическая температура, критическое давление и критический объем представляют собой три широко используемые константы чистых веществ, тем не менее, недавние, современные их измерения почти не встречаются.

Подробный обзор критических свойств ряда органических соединений до 1967 года выполнен в работе [9]. Критическим параметрам посвящены также работы [10, 11].

В более поздних работах [12-15] проведен широкий и подробный анализ, представленных в этих публикациях критических парамет­ров веществ.

Для получения расчетных значений критических параметров часто используется метод Лидерсена [19, 20], который считается простым в использовании и наиболее точным не только для углеводородов [20], но и для других органических веществ [21]. Другие методы расчета критических параметров рассмотрены, например, в [4, 5, 11, 12, 22- 26].

Ряд исследований теплофизических свойств углево­дородов были обобщены в справочниках Тиличеева [77] по состоянию 1947 года, экспериментальные данные до 1960 года представ­ле­ны в справочниках Варгафтика [17], Татевского [76], Тиммермана [34, 35], в справочнике [18] рассмотрены числен­ные данные по физико-химическим свойствам, опубликованным до 1984 г., в монографии Казаряна [52] использованы численные данные, опубликованные до 1995 г.

Знание пожаровзрывоопасных свойств веществ необходимо при разработке методов обеспечения безопасности зданий, сооружений, технологических процессов и оборудования, безопасности людей в химической, нефтехимической, газовой, деревообрабатывающей и других отраслях промышленности, на транспорте, в строительстве, т. е. практически во всех сферах деятельности человека. Эти данные необходимы для разработки мер предотвращения возникновения пожаров и взрывов, а также для оценки условий их развития и подавления [75].

4.  Физико-химические константы и термодинамические свойства этана

Этан является органическим соединением и относится к насыщенным углеводородам. Этан содержится в нефти, входит в состав большинства природных и искусственных горючих газов, которые получают при термической переработке нефти и каменного угля. Содержание этана в этих продуктах, как правило, значительно ниже, чем метана. При температурах выше 850 К, в отсутствии катализатора, этан распадается на этилен и водород, в присутствии катализатора этан также склонен к распаду.

Этан является важнейшим сырьем для органического синтеза, широко используется при производстве органических спиртов, эфиров, каучука, смол, топлив и других веществ. Основная масса этана в смеси с пропаном используется для получения этилена и этиленхлорида.

При разработках новых технологий и аппаратов для нефте­газовой промышленности, с участием этана, необходимы надежные данные о его физико-химических и термодинамических свойствах, в том числе в широкой области температур и давлений, включая жидкую фазу.

Первые работы по экспериментальному определению термоди­намических свойств этана, выполнены еще в начале 20-ого века, однако систематические исследования его свойств начаты лишь в середине тридцатых годов. К настоящему времени накоплен большой объем экспериментальных данных о термических свойст­вах этана в широких областях температур и плотностей, но ряд его свойств изучено недостаточно. Обобщение термодинамических данных до 1980 года проведено в монографии [6]. Некоторые стандартные термодина­мические данные этана приведены в [79].

Ниже, в таблицах 1-13 представлены имеющиеся в литературе и рекомен­дуемые численные значения указанных выше характерис­тик для этана. Отобранные значения свойств удовлетворительно согласуются со средними значениями, полученными из данных разных авторов, опубликованных за последние 50-70 лет, что указывает на их надежность.

Этан CAS Registry Number: 74-84-0 H3C—CH3 C2H6

Таблица 1

Физико-химические и термохимические константы этана

Свойства	Константы	Источник
Молекулярная масса	30.069 г/моль
Нормальная температура плавления	101 K	[27]
Нормальная температура кипения	184.6 K	[27]
Критическая температура	305.32 K	[13]
Критическое давление	4.872 МПа	[13]
Критический объем	0.1455 л/моль	[13]
Плотность (при T = 184.15 K)	0.5446 г·см-3	[28]
Энтальпия сгорания, DсгHo	-1560.7±0.3кДж/моль	[29]
Энтальпия образования (газ), DfHo (газ)	‑83.85 кДж/моль	[29]
Энтальпия испарения, DvapHo	9.76 кДж/моль	[30]
Энтальпия испарения, DvapH (T= 78.15 K)	5.16 кДж/моль	[28]
Энтальпия сублимации, DsubH (T= 90 K)	20.5 кДж/моль	[31]
Энтропия, So (газ)	229.2 Дж·моль-1·K-1	[28]
Теплоемкость при постоян. давлении Cpo(газ) Cpo(газ)	52.52 Дж·моль-1·K-1	[28]

Таблица 2

Имеющиеся данные по нормальной температуре кипения Tкип этана

Tкип (K)	Источник	Tкип (K)	Источник	Tкип (K)	Источник
184.65	[32]	184.85	[39]	184.65	[46]
184.9	[33]	184.1	[40]	184.55	[47]
184.55	[34]	185.15	[41]	184.52	[48]
184.65	[35]	184.3	[42]	184.5	[49]
184.46	[36]	185.15	[43]	184.6	[50]
185.15	[37]	184.3	[44]	184.5	[51]
184.15	[38]	184.6	[45]	184.6	[27]
184.61	Среднее значение данных Tкип (K)

Таблица 3

Имеющиеся данные по критической температуре Tc этана

Tc (K)	Источник	Tc (K)	Источник	Tc (K)	Источник
305.340	[52]	305.61	[55]	305.33	[60]
305.370	[53]	305.34	[56]	305.32	[61]
305.32	[6]	305.61	[57]	305.32±0.04	[13]
305.380	[54]	305.39	[58]
305.4	[30]	305.42	[59]
305.40	Среднее значение данных Tc (K)

Таблица 4