Технология использования сжатых газов (стр. 7 )

Эти величины определяются по правилу аддитивности,
т. е. ,

где объёмная доля компонента; молекулярная масса того же компонента и ,

где мольная доля компонента (при атмосферном давлении ); коэффициент сжимаемости компонента. Из приведенных выше формул следуют очевидные соотношения . В общем случае имеет место связь различных долей

.

Газовые смеси состоят из разных газов, поэтому они конденсируются при различных температурах и у них нет чётко выраженного критического состояния (равновесное состояние «пар-жидкость»). Поэтому значения приведённых параметров определяют по псевдокритическим давлению и температуре вычисляемым по формулам

где с индексом «» приведены критические давления и температуры компонентов.

Аналогичным образом определяются теплоёмкость газовых смесей

где теплоёмкость компонента.

Энтропия газовой смеси равна

,

где энтропия компонента, а ∆Sсм – энтропия смешения газов, т. к. процесс смешения необратимый, а по законам термодинамики при этом энтропия увеличивается. Поэтому энтропия газовой смеси не может быть рассчитана по правилу аддитивности.

2.5 Свойства газов при высоких параметрах

2.5.1 Общие сведения

Развитие мирового промышленного производства шло по пути всё более стремительного наращивания темпов выпуска продукции, что требовало внедрения всё более производительных технологий и оборудования.

В отраслях химической и нефтехимической промышленности это означало применение процессов с всё более высокими параметрами и прежде всего давлением химических реакций, так как при этом не только повышается качество продуктов и степень реагирования, но и, что очень важно, размеры и габариты оборудования. В результате к 60-70 годам ХХ столетия во многих технологических процессах давление реакций достигло столь значительных величин, что сложность, надежность, стоимость и энергозатраты достигли пределов рациональности. Себестоимость продукции резко возросла. Потребление ресурсов стало угрожающим для дальнейшего существования цивилизации.

Примеры процессов: производства аммиака, производство полимеров, порошковая металлургия.

2.5.2 Классификация давления технологических процессов

Несколько слов о терминологии.

Что значит высокое и сверхвысокое, а что такое низкое или среднее давление газа, разряжение, вакуум? Все эти определения применяются в технике использования газов.

Четкой градации, конкретных значений границ давления (числовых) не существует. Тем не менее сложившаяся практика позволяет сделать такие определения в порядке нарастания давления:

Вакуум – газовая среда, которая состоит из отдельных, далекоудаленных молекул, не взаимодействующих друг с другом. Поведение газа в вакуумных приборах зависит от соотношения между длинной свободного пробега молекул (расстояние между стенками сосуда) и размером молекулы l и d:

l >> d – высокий вакуум р < 10-1 Па;

l » d – средний р = 100 – 0,1 Па;

l << d – низкий р > 100 Па.

Разряжение – это состояние сплошной газовой среды, в которой давление ниже атмосферного, т. е. находится между атмосферой и вакуумом. Соответственно бывает малое и глубокое разряжение:

1000 Мпа < р < 760 мм вод. ст.

Давление

В экспериментальной физике считалось, что высокое давление – это когда уже нельзя пользоваться стеклянными приборами и сосудами (водяными манометрами). В последующем, применительно к компримированию жидкостей и газов, стали считать: низкое давление – порядка нескольких атмосфер, среднее – нескольких десятков атмосфер (до 10 МПа) и высокое – свыше 10 МПа. По мере развития техники, повышения параметров процессов в химии, металлургии, спецтехнике появилось понятие сверхвысокое давление. Работы в области таких давлений были закрытыми, на что были разработаны регламентирующие документы, согласно которым, например, в компрессорной технике считалось, что центробежные компрессоры сверхвысокого давления – с давлением нагнетания свыше 32,0 МПа, а поршневые (объёмные) компрессоры – свыше 100 МПа.

На сегодня наивысшим достижением (по давлению) в области центробежных компрессоров является компрессор на
74 МПа (фактически работал при 64 МПа), фирмы Elliot (США). Несколько компрессоров на 50 Мпа (фирмы Дрессер Кларк (США), Нуове Пиньоне (Италия) и ВНИИкомпрессормаш/
СНПО им. (1985-1986г)).

В области поршневих компрессоров – этиленовые компрессоры на 50-320 Мпа фирм “Бурхард” (Германия) и ВНИИкомпрессормаш/СНПО им. (1975г). Во
ВНИИкомпрессормаше проводились работы по созданию центробежного компрессора для этилена на 250 Мпа, но работы не были завершены в связи с развалом СССР и прекращением финансирования.

На этом развитие компрессорной техники в сторону увеличения давления прекратилось. В настоящее время акцент делается на развитие процессов при более низких давлениях, менее сложных технически и менее дорогих.

2.5.3 Свойства газов при высоких давлениях

В некоторых технологических процессах используются сжатие газов до очень высоких давлений (порядка нескольких сотен атмосфер, до например для сайклинг-процесса добычи нефти и газового конденсата) и даже сверхвысоких давлений (до в производствах полиэтилена высокой плотности).

При таких давлениях газы ведут себя как бы не подчиняясь классическим законам для газов, они даже приобретают некоторые свойства, характерные для жидкостей:

– плотность газа становится соизмеримой с жидкостями;

– скорость распространения звука как в жидкости (тысячи м/с);

– зависимость изменения вязкости от температуры не подчиняется закону Сатерленда для газов

где константа, для воздуха

Коэффициент адиабаты распадается на две величины – (температурный) и (объёмный):

,

В качестве иллюстрации в таблице 2.2 приведены некоторые свойства этилена при высоких и сверхвысоких давлениях.

Таблица 2.2 - Свойства этилена при различных давлениях.

Газовая постоянная R=296,4 Дж/(кг∙град.),

критические параметры ркр=4,92; Ткр=289,9 оК.

Параметры	P=0,1МПа t=20oC	25МПа	80МПа	250МПа
40о	100о	35о	100о	35о	100о
Плотность ρ, кг/м3	1,155	392	294	500	445	600	570
Коэффициент сжимаемости z	0,98	0,675	0,785	1,715	1,595	4,45	3,90
Коэффициент кинетической вязкости ν·106 , м2/с	0,75	0,138	0,117	0,226	0,176	0,405	0,356
Скорость звука а, м/с	324	730	835	1080	1130	1790	1750
Коэффициент адиабаты k	1,24	1,225	1,192	1,23	1,192	1,23	1,192

Все эти факторы очень затрудняют расчёты свойств при проектировании технических устройств. Поэтому пользовались или экспериментально полученными диаграммами состояния газов, что неудобно для автоматизированных расчётов, или приближёнными методиками [4].