Created by SuhOFFF

2 Физико-химические свойства углеводородных газов

2.1 Состав газовой смеси

Газовые смеси (как и смеси жидкостей и паров) характеризуются массовыми или

мольными концентрациями компонентов.
Массовая концентрация (доля) – отношение массы i-того компонента Gi				к массе
смеси Gсм , т.е.:
gi =	Gi			(2.1)
	Gсм
Мольная концентрация (доля) – отношение количества вещества i-того компонента
Ni к количеству вещества смеси Nсм , т.е.:
xi =	Ni			(2.2)
	Nсм

Существует также объёмная концентрация (доля), которая примерно совпадает с мольной, так как объёмы одного моля идеальных газов при одинаковых физических усло- виях по закону Авагадро имеют одно и тоже численное значение2:

vi =	Vi	=	NiVмол		=	Ni		= xi	(2.3)
	V
			N	V		N	см
	см			см мол

Для характеристики газовой смеси необходимо знать её среднюю молярную массу, среднюю плотность или относительную плотность по воздуху.

Если известен молярный состав смеси (в процентах), то её молекулярная масса вы- числяется по формуле:

			n
		=	åMixi	(2.4)
	Mсм		i=1
		100%

Здесь n - количество компонентов, составляющих газовую смесь; xi - мольные

(объёмные) концентрации компонентов, % ; Mi - молярные массы компонентов.

Если задан массовый состав смеси (в процентах), то средняя молярная масса вы- числяется по формуле:

	2 Молярный объём идеального газа при стандартных условиях Vмол = 24,04			л
				моль
		ст
	Молярный объём идеального газа при нормальных условиях Vмол = 22,41			л
			моль
		н
	03.11.2010	- 2 -

						Created by SuhOFFF
	M		=	100%
		см		N	gi	(2.5)
				å
					Mi
				i=1

Здесь gi - массовые концентрации компонентов, % .

Для перехода от мольного состава к массовому и обратно используются формулы:

	gi	=			Mi xi
				N							(2.6)
				åMi xi
				i=1
	x	=	g		i		N g		i		(2.7)
			Mi				åi=1 Mi
	i

2.2 Критические и приведённые параметры газа

Природные газы представляют собой смеси углеводородных и неуглеводородных компонентов, то есть являются многокомпонентными системами. Отдельные газы или многокомпонентные системы могут находиться в одно-, двух- или трёхфазном состоянии (в газообразном, жидком или твёрдом). Индивидуальные газы изменяют свой объем в за- висимости от давления и температуры. Если вещество находится в однофазном состоянии, то его объем V определяют по температуре Т и давлению р.

На рис. 1 приводится диаграмма давление - удельный объем для метана.

Рис. 1. Диаграмма давление - удельный объём для метана

03.11.2010

- 3 -

Created by SuhOFFF

При изотермическом сжатии метана его объем уменьшается с повышением давле- ния до появления жидкой фазы (ed). Затем сжатие метана происходит при постоянном давлении до его полного перехода в жидкое состояние, после чего дальнейшее сжатие приводит к резкому возрастанию давления (ba). Температура, при которой с повышением давления в газе появляется первая капля жидкости, называется точкой росы или точкой конденсации (точка d). Температура, при которой происходит полный переход газа в жид- кость, называется точкой насыщения (точка b). Линия bd – линия равновесного сосущест- вования газовой и жидкой фаз – называется линией упругости паров, а соответствующее давление – давлением упругости паров. Для однокомпонентных систем давления в точках росы и насыщения совпадают, поэтому линия упругости паров параллельна оси удельного объема.

Из рисунка следует, что линия bC есть геометрическое место точек насыщения, ле- вее неё находится жидкая фаза; линия Cd – геометрическое место точек росы, правее нее находится газообразная фаза.

Точка С, в которой встречаются эти линии, называется критической. В этой точке различие между газообразной и жидкой фазами исчезает. Критической точке С соответст- вуют критические давление и температура.

Внутри линии bCd сосуществуют газообразная и жидкая фазы.

Таким образом, максимальная температура, при которой данный газ еще может быть переведен в жидкое состояние, называется критической температурой, а соответст- вующее ей давление называется критическим давлением. Критическая температура мета- на равна −82°C , для этана 32,3°C , для азота 141,7°C .

Фазовое поведение двух- и многокомпонентных систем зависит не только от дав- ления и температуры, но и от состава газа. На рис. 2 представлена p-v диаграмма для би- нарной смеси углеводородов пентан-гептан.

Характерным отличием р-v диаграммы бинарной системы является рост давления при переходе системы от точки росы до точки насыщения. Это объясняется тем, что с пе- реходом системы через двухфазную область составы жидкости и ее паров непрерывно из- меняются. По мере конденсации жидкости ее состав по отношению к более летучему ком- поненту обогащается, пока не станет соответствовать составу всей системы в точке насы- щения. При этом повышается давление насыщенных паров.

В результате положение критической точки смещается так, что оказывается воз- можным существование двух фаз при давлениях и температурах больших, чем критиче- ские. Такова принципиальная разница в поведении однокомпонентных и много- компонентных систем.

03.11.2010

- 4 -

Created by SuhOFFF

Рис. 2. Диаграмма давление - удельный объём для системы н-пентан и н-гептан

Если теперь из диаграммы р-v для различных изотерм построить кривые точек на- сыщения и точек росы в зависимости от температуры, то получится р-Т диаграмма для многокомпонентной системы (рис. 3).

	Рис. 3. Диаграмма фазовых состояний многокомпонентной системы
03.11.2010	- 5 -

Created by SuhOFFF

На этой диаграмме выделяются три критических точки В, С, D. Точка С называется

истинно критической. Ей соответствуют критическое давление смеси pкр и критическая

см

температура смеси Tкр . В этой точке раздела фаз нет, вещество находится в однофазном

см

критическом состоянии.

Точка D соответствует критической температуре конденсации Tmax , характеризую-

щейся максимальной температурой, превышающей Tкр . Как видно, при температуре, пре-

см

вышающей Tкр , возможно существование двух фаз – газообразной и жидкой. Точка В со-

см

ответствует максимальному давлению, превышающему pкр , при котором возможно еще

см

парообразное состояние. Точка D называется также крикондентермой, а точка В – крикон- денбарой.

При температурах ниже критических увеличение давления в смеси приводит к уве- личению объема жидкой фазы за счет конденсации газообразной фазы вплоть до ее пол- ного перехода в жидкое состояние. И, наоборот, при уменьшении давления происходит

переход из жидкого в газообразное состояние через промежуточную область двухфазного состояния. Однако в области давлений и температур, превышающих критические зна-

чения, фазовые переходы происходят иначе. При температурах Tmax > T > Tкр с по-

см

вышением давления дважды пересекается кривая точек росы. В точке 1 смесь газов нахо- дится в парообразном состоянии. В точке 2 она становится насыщенной, и по мере увели- чения давления конденсируется все большее количество жидкости. В точке 3 количество жидкости достигает 10%. При дальнейшем увеличении давления происходит не увеличе- ние, а снижение количества жидкости, и при повторном пересечении линии точек росы (точка 4) вся смесь вновь переходит в газообразное состояние. Последующий рост давле- ния не приводит, к изменению этого состояния. Испарение смеси на участке 3-4 при по- вышении давления называется обратным или ретроградным испарением. Конденсация жидкости, происходящая на этом же участке при изотермическом снижении давления, на- зывается обратной или ретроградной конденсацией. На этой же диаграмме можно наблю- дать ретроградные явления при изобарическом изменении температуры между точками B и С, когда жидкая смесь через промежуточную область двухфазного состояния вновь пе- реходит в жидкое состояние. Итак, ретроградные явления свойственны многокомпонент- ным системам в определенной области давлений и температур. Изменение фазового пове- дения многокомпонентных систем имеет большое значение применительно к месторож-

03.11.2010

- 6 -