Усредненный состав газов БГ и шахтного газа

Химическая формула газа отражает элементный химический состав последнего и позволяет отчасти представить его химические и физические свойства. Так, углеводородные газы состоят из простых углеводородных соединений, являющихся органическими веществами, содержащими в своем составе два химических элемента: углерод С и водород Н₂. Самый простой углеводород, содержащий всего один атом углерода, – метан СН₄. Все углеводороды, имеют общую формулу – С_mH_n, входят в гомологический ряд так называемых предельных или насыщенных углеводородов – соединений, в которых углерод до предела насыщен атомами водорода. При температуре 0 °С и давлении 760 мм рт. ст. изпредельных углеводородов газами являются лишь метан – СН₄, этан – С₂Н₆, пропан – С₃Н₈ и бутан – С₄Н₁₀. Наряду с нормальными предельными углеводородами существуют так называемые изомерные соединения, имеющие одинаковые с первыми химические формулы, но отличающиеся от них характером расположения атомов углерода, а также некоторыми свойствами. Пропан изомера не имеет. Начиная с бутана, каждая суммарная формула алканов охватывает несколько углеводородов, имеющих одинаковые молекулярные массы, но разную структуру. Так формуле С₄Н₁₀ отвечают два бутана: СН₃–СН2–СН₅–СН₃ нормальный бутан; СН₃–СН–СН₃–СН₃ изобутан. Изомер бутана – изобутан. Для обозначения нормального бутана используют русскую строчную курсивную букву «н»и записывают н-бутан, а к химической формуле изобутана добавляют приставку изо (также курсивом) и записывают изо-С₄Н₁₀ либо i -С₄H₁₀. Кроме предельных и их изомеров в составе сжиженных углеводородов могут присутствовать ненасыщенные или непредельные углеводороды, характеризующиеся двойной или тройной связью между атомами углерода. Это этилен – С₂Н₄, пропилен – С₃Н₆, бутилен – C₄H₈ и изобутилен – i -C₄H₈. Непредельные углеводороды с называются олефинами, или алкенами. Топливные газы представляют собой смесь отдельных газов, но при рассмотрении теплотехнических характеристик этой смеси нужно учитывать, что ее компоненты не вступают в химические реакции друг с другом.

Масса т, физическая величина, являющаяся мерой инертности и тяготения вещества (жидкости, газа). Измеряется в килограммах (кг). Однако масса не является мерой количества вещества. Единицей количества вещества считается моль, который равен количеству вещества системы, содержащей столько же структурных элементов (атомов, молекул), сколько атомов содержится в углероде массой 0,012 кг. Массу одного моля (киломоля) М называют молярной массой.

Объем газов V измеряют в кубических метрах (м³). Вследствие того, что объем газов изменяется при нагревании, охлаждении и сжатии, за его единицу принимают 1 м³ газа при нормальных условиях. Если температура t или давление Р отличаются от нормальных, то объем газа при нормальных условиях V ₀определяется по формуле

где V – объем газа, измеренный при рабочих условиях, м³; Р _d – барометрическое давление, кПа, нормальное атмосферное давление Р _d = 101,3 кПа; Р _и – избыточное давление (измеренное манометром), кПа; Р – абсолютное давление, кПа, Р = Р _d + Р _и; t – температура, °С.

Основными точками для градуировки шкалы являются: температура плавления льда 0 °С и температура кипения воды 100 °С при нормальном атмосферном давлении 101,325 кПа; Т – абсолютная температура, К (абсолютная температура Т связана с температурой в градусах Цельсия t уравнением Т = t + 273 °С, абсолютный нуль температуры в градусах Цельсия равен – 273,15 °С).

Плотность газа – r характеризует его массу, приходящуюся на единицу объема (кг/м³). Известно, что плотность газов и их объем зависят от температуры. С повышением температуры объем газа в незамкнутых пространствах увеличивается, а в замкнутых возрастает его избыточное давление. В обоих случаях изменяется плотность газа. Для возможности сравнения свойств различных газов основные их характеристики должны быть приведены к одинаковым условиям. В технических расчетах это нормальные условия (Р = 760 мм рт. ст. t = 0 °С).

В финансовых же расчетах между поставщиками и потребителями газа применяют стандартные условия. В этом случае фактический объем газа, измеренный приборами учета при рабочем давлении и температуре, приводят с помощью специальных таблиц к объему при давлении 760 мм рт. ст. и температуре 20 °С. Плотность газа при нормальных условиях обозначается r₀.

Зависимость изменения плотности при изменениях температуры и давления может быть выражена для газа однокомпонентного состава формулой

,

где r – плотность газа при температуре отличной от 0 °С; r₀ – плотность газа при температуре 0 °С и давлении 760 мм рт.ст.; Р – фактическое избыточное давление, мм рт. ст.; Р _d – атмосферное (барометрическое) давление, мм рт. ст.; t – температура газа, °С; Р – абсолютное давление, мм рт. ст.; Т – абсолютная температура, К;

Плотность сложных газов при нормальных физических условиях может быть определена по формуле

r_см = 0,01(Sr i × ri),

r_см = 0,01(r₁ r ₁ + r₂ r ₂ +... + r _nr_n) = 0,01(0,72×СН₄ + 1,35×С₂Н₆ +

+ 2,01×С₃Н₈ + 2,7×С₄Н₁₀ + 3,22×С₅Н₁₂ + 1,53×Н₂S + 1,97×СО₂ +

+ 1,25×N₂) кг/м³;

ρ₁, ρ ₂,..., ρ _n – плотность компонентов газа, кг/м³;

r ₁, r ₂,..., r_n – содержание компонентов, %.

Удельный объем v – величина обратная плотности r, определяющая отношение объема газа (м³) к его массе (кг), измеряется в кубических метрах на килограмм (м³/кг).

Давление – физическая величина, характеризующая интенсивность нормальных (перпендикулярных к поверхности) сил, с которыми одно тело действует на поверхность другого. В газовой среде давление связано с передачей импульса при столкновениях находящихся в тепловом движении молекул газа друг с другом или с поверхностью граничащих с газом тел. В СИ единица измерения давления – паскаль (Па). Паскаль равен давлению, вызываемому силой 1Н (ньютон), равномерно распределенной по нормальной (вертикальной) к ней поверхности площадью 1 м². Удобно использовать Па×10, т. е даПА так как давление выраженное в даПа равно величине давления выраженному в мм. рт. ст. На практике еще действующей единицей давления является техническая атмосфера (1 атм), равная в системе МКГСС давлению 1 кгс на поверхность 1 см² (1 кгс/см²). Многие страны пользуются единицей давления – бар. Соотношения наиболее употребляемых в теплотехнике единиц, включая единицы давления, приводятся в табл. 4.

Для паров и газов различают избыточное P _и, абсолютное P _аи парциальное P _пдавление. Причем абсолютное давление включает в себя избыточное давление (измеренное манометром) и барометрическое (атмосферное давление на данный момент).

Поскольку топливные газы практически всегда являются смесями отдельных (идеальных) газов, не вступающих между собой в химические соединения, то каждый идеальный газ, входящий в смесь, распространяется по всему объему смеси и имеет свое давление, называемое парциальным. Согласно закону Дальтона общее давление смеси равно сумме давлений отдельных газов, образующих эту смесь

P _a = P ₁ + P₂ +...+ P_n.

Таблица 4