Как рассчитать относительную плотность газа имея абсолютную. Неорганическая химия

Относительная плотность мочи Относительная плотность мочи (удельный вес) определяется концентрацией растворенных в ней веществ (белка, глюкозы, мочевины, солей натрия и др.). Показатели плотности утренней мочи, равные или превышающие 1,018, говорят о нормальной

ДА ЗДРАВСТВУЕТ ГАЗА! ДА ЗДРАВСТВУЕТ ГАЗА! Александр Проханов 21.11.2012

Газа непобедима Газа непобедима Александр Проханов 21.03.2012

Вопросы: Состав и физико-химические свойства природных газов, их классификация. Газовые смеси, плотность газов, состав газовой смеси. Парциальные давление и объём в смеси идеальных газов. Аналитические методы расчета физических свойств природных газов. Вязкость газа

Состав и физико-химические свойства природных газов. Классификация природных газов

Природные газы, добываемые из чисто газовых, нефтяных и газоконденсатных месторождений, состоят из углеводородов гомологического ряда метана (С n Н 2n+2), а также неуглеводородных компонентов: азота (N 2), углекислого газа (СО 2), сероводорода (H 2 S), редкоземельных (инертных) газов (гелия, аргона, криптона, ксенона), ртути. Число углеродных атомов n в молекуле углеводородов может достигать 17 и более.

Метан (СН 4), этан (С 2 Н 6) и этилен (С 2 Н 4) при нормальных условиях (Р = 0,1 МПа и T = 273 К) являются реальными газами. Пропан (С 3 Н 8), пропилен (С 3 Н 6), изобутан (i-C 4 H 10), нормальный бутан (n-С 4 Н 10), бутилены C 4 Н 8) при атмосферных условиях находятся в парообразном (газообразном) состоянии, при повышенных давлениях - в жидком. Они входят в состав жидких (сжижаемых, сжиженных) углеводородных газов.

Углеводороды, начиная с изопентана (i-C 5 H 12) и более тяжелые (17 > n > 5) при атмосферных условиях находятся в жидком состоянии. Они входят в состав бензиновой фракции. Углеводороды, молекула которых состоит из 18 и более атомов углерода (отC 18 H 38), расположенных в одну цепочку, при атмосферных условиях находятся в твердом состоянии.

Природные газы подразделяются на три группы:

1. Сухой газ, свободный от тяжелых углеводородов, добываемый из чисто газовых месторождений.

2. Смесь сухого газа, пропанобутановой фракции (сжиженного газа) и газового бензина, добываемые вместе с нефтью.

3. Сухой газ и жидкий углеводородный конденсат, добываемые из газоконденсатных месторождений.

Углеводородный конденсат состоит из большого числа тяжелых углеводородов, из которых можно выделить бензиновые, лигроиновые, керосиновые, а иногда и более тяжелые маслянистые фракции.

Следует отметить, что в промышленности используются искусственные газы, полученные из твердых топлив (горючие сланцы, бурый уголь и пр.).

Газовые смеси. Плотность газов

Под плотностью, или объёмной массой, тела понимают отношение массы тела в состоянии покоя к его объёму.

Плотность газа в нормальных физических условиях (при 0,1013 МПа и 273 К) можно определить по формуле

(1)

где М - молекулярная масса.

Если плотность газа задана при давлении 0,1013 МПа, то пересчёт её на другое давление (при той же температуре) для идеального газа проводится по формуле

(2)

где Р – давление, МПа.

Часто для характеристики газа применяют относительную плотность его по воздуху при нормальных условиях (0,1013 МПа и 273 К)

(3)

Коммерческие расчёты в газовой промышленности проводят при стандартных физических условиях - 0,1013 МПа и 293 К.

Состав газовой смеси

Газовые смеси (как и смеси жидкостей и паров) характеризуются массовыми или молярными концентрациями компонентов. Объёмный состав газовой смеси примерно совпадает с молярным, так как объёмы 1 кмоля идеальных газов при одинаковых физических условиях по закону Авогадро имеют одно и то же численное значение, в частности при 273 К и 0,1013 МПа составляют 22,41 м 3 .

Для характеристики газовой смеси следует знать её среднюю молекулярную массу, среднюю плотность (в кг/м 3) или относительную плотность по воздуху.

Если известен молярный состав смеси в процентах, то среднюю молекулярную массу вычисляют по формуле

где у 1 , у 2 , ...,у n -молярные (объёмные) доли компонентов, %;

M l , М 2 , ..., M n - молекулярные массы компонентов.

Если задан массовый состав смеси, то её среднюю молекулярную массу определяют по формуле

(5)

где g 1 ,g 2 , ...,g n -массовые доли компонентов, %.

Плотность смеси ρ см определяется по вычисленному значению средней молекулярной массы М см по формуле, аналогичной (1)

(6)

Относительную плотность смеси вычисляют по формуле

(7)

где ρ cм и ρ в - плотности соответственно смеси и воздуха при 273 К и 0,1013 МПа.

Парциальные давление и объём компонента в смеси идеальных газов

Смеси идеальных газов характеризуются аддитивностью парциальных давлений и парциальных объёмов. Это означает, что каждый газ в смеси идеальных ведет себя так, как если бы в данном объёме он был бы один.

Парциальное давление газа - давление газа, входящего в состав газовой смеси, которое он оказывал бы, занимая один весь объём смеси и находясь при неизменных первоначальных объёме и температуре.

Парциальный объём - объём, который занимал бы газ, входящий в состав газовой смеси, если бы он находился при тех же давлении и температуре, что и вся смесь.

Аддитивность парциальных давлений выражается законом Дальтона, согласно которому

(8)

где р - общее давление смеси газов;

p i - парциальное давление i-го компонента в смеси;

(9)

(10)

где n i - число молей i-го компонента в смеси;

N - общее число молей смеси;

у i - n i / N - молярная доля i-го компонента в смеси.

Таким образом, парциальное давление компонента р i в смеси идеальных газов равно произведению его молярной доли в смесиy i на общее давление смеси газовр .

Аддитивность парциальных объёмов компонентов газовой смеси выражается законом Амага, согласно которому

(11)

где V - общий объём смеси;

V i , - парциальный объём i-го компонента в смеси.

(12)

(13)

Таким образом, парциальный объём компонента в смеси идеальных газов; V i - равен произведению его молярной долиу i в смеси на общий объёмV смеси газов.

Аналитические методы расчета физических свойств природных газов

Для определения многих физических свойств природных газов используют уравнение состояния - аналитическую зависимость между параметрами, описывающими изменение

простого или сложного вещества (давление, объём и температура).

Клапейрон и Менделеев предложили следующее уравнение состояния идеальных газов:

(14)

где р - абсолютное давление. Па;

V - объём, м 3 ;

G - масса вещества, кг;

Т - абсолютная температура, К;

R - удельная газовая постоянная, Дж/(кг К).

Идеальным называется газ, собственный объём молекул, которого пренебрежимо мал по сравнению с объёмом, занимаемым газом, и когда отсутствует взаимодействие между молекулами.

С термодинамической точки зрения идеальным называется газ, для которого справедливо равенство

(15)

где Е - внутренняя энергия парообразования, Дж/моль или

(16)

где z - коэффициент отклонения реального газа от закона идеального.

Экспериментальная проверка уравнения (14), проведенная многими исследователями, показала, что изменение свойств реальных газов при высоких давлениях нельзя описать зависимостью (16).

Голландский физик Ван-дер-Ваальс в 1879 г. предложил учесть собственный объём молекул газа и силы их взаимного притяжения посредством введения дополнительных членов в уравнение Клапейрона - Менделеева:

(17)

где v - V / G - удельный объем газа, м 3 /кг;

а/v 2 - константа сцепления молекул. Па;

b - поправка на собственный объём молекул, м 3 .

В уравнении (17) слагаемое а/v 2 , выражает внутреннее давление, которое является как бы равнодействующей сил притяжения всех молекул в объёмеV . Оно прибавляется к внешнему давлению. Это уравнение приближенное.

В соотношениях для критического состояния вещества

(18)

коэффициенты a иb выражаются через критическое давлениер кр и критическую температуруТ кр следующим образом:

;
(19)

Ван-дер-Ваальс нашел, что поправка b на собственный объём молекул, имеющих шарообразную форму, равна учетверённому объёму молекул.

Уравнение (17) приближенное. Коэффициенты а иb в действительности являются сложными функциями объёма, температуры, формы молекул газа.

Критическая температура чистого вещества - это максимальная температура, при которой жидкая и паровая фазы могут сосуществовать в равновесии, или та температура, при которой средняя молекулярная кинетическая энергия становится равной потенциальной энергии притяжения молекул. При более высокой температуре существование жидкой фазы невозможно.

Давление паров вещества при критической температуре называется критическим давлением, а объём вещества, отнесенный к одному молю или другой единице массы вещества, называется критическим удельным объёмом. Критической принято называть такую температуру, выше которой газ под действием давления любого значения не может быть обращен в жидкость.

На рис. 1. приведена зависимость давления (упругости насыщенных паров) чистых веществ от температуры. Эта зависимость более точно описывает изменение свойств реальных газов при давлениях до 10 МПа и температурах от 283 до 293 К, но она не может численно описывать изменение, свойств многокомпонентных смесей месторождений природных газов.

Рисунок 1. Зависимость давления (упругости насыщенных паров) чистых веществ от температуры

Давление, необходимое для сжижения газа при критической температуре, называется критическим. Кроме критического давления и критической температуры вводится понятие критического объёма, равного объёму одного моля газа при критических давлении и температуре. Для природных газов, представляющих собой смесь отдельных компонентов, значения Р кр и Т кр определяются как среднекритические (псевдокритические).

Средние критические давление и температуру смеси можно определить по формулам:

где х 1 , х 2 …х n - объёмные доли компонентов, входящих в состав газа;

- критические давления компонентов;

- критические температуры компонентов.

Следует отметить, что коэффициент сверхсжимаемости природной углеводородной смеси Z см можно определить по графической зависимости представленной на рисунке 1.2.

Если известна относительная плотность газа , то средние критические давление и температуру природного газа можно определить по графикам.При содержании в природном газеN 2 , СО 2 илиH 2 Sв значенияР кр иТ к р вводятся соответствующие поправки. Когда содержаниеN 2 ,CO 2 или Н 2 Sпревышает 15% об., вместо графиков для определенияР кр иТ к р следует пользоваться формулой (1.20).

Рис. 1.2. Значение коэффициента сверхсжимаемости z по данным Стэндинга и Катца

Для приближенных расчётов при изменении , от 0,5 до 0,9 значенияР кр иТ к р можно определить по формулам:

, МПа (21)

, К

Часто в расчётах, например, при определении вязкости и коэффициента сверхсжимаемости газа, пользуются так называемыми приведенными давлениями и температурами. Приведенными параметрами индивидуальных компонентов называют безразмерные величины, показывающие, во сколько раз действительные параметры состояния газа (давление, абсолютная температура, объём, плотность, коэффициент отклонения) больше или меньше критических:

Приведенным давлением Р пр называется отношение давления газаР к его критическому давлениюР кр

(22)

Приведенной температурой газа Т пр называется отношение абсолютной температуры газаТ к его критическому значению:

, (23)

Дальнейший прогресс науки и техники потребовал разработки более точного уравнения состояния природных газов, способного правильно описывать изменение их свойств при давлениях до 100 МПа и температурах до 573 К в процессах добычи газа и при давлениях до 20 МПа и низких температурах до 223 - 93 К (от минус 50 до минус180°С) в процессах переработки природных газов.

В решении этой проблемы выявились два направления:

1) введение поправочного коэффициента z в уравнение состояния идеального газа (1.17), учитывающего отклонение реального газа от идеального, т. е.pV == zRT

2) дополнение уравнения состояния идеального газа большим числом констант.

Газа - сравнение относительной молекулярной или молярной массы одного газа с таким же показателем другого газа. Как правило, он определяется по отношению к самому легкому газу - водороду. Также часто газы сравнивают с воздухом.

Для того чтобы показать, какой газ выбирается для сравнения, перед символом относительной плотности исследуемого добавляют индекс, а само название записывают в скобках. Например, DH2(SO2). Это означает, что плотность была рассчитана по водороду. Читается это как «плотность оксида серы по водороду».

Чтобы рассчитать плотность газа по водороду, необходимо с помощью периодической таблицы определить молярные массы исследуемого газа и водорода. Если это хлор и водород, то показатели будут выглядеть так: M(Cl2) = 71 г/моль и M(H2) = 2 г/моль. Если плотность водорода разделить на плотность хлора (71:2), в результате получится 35,5. То есть хлор в 35,5 раз тяжелее, чем водород.

Относительная плотность газа от внешних условий никак не зависит. Это объясняется всеобщими законами состояния газов, которые сводятся к тому, что изменение температуры и давления не приводит к изменению их объема. При любых изменениях этих показателей измерения производятся совершенно одинаково.

Для определения плотности газа опытным путем понадобится колба, куда его можно будет поместить. Колбу с газом необходимо взвесить дважды: первый раз - откачав из нее весь воздух; второй - наполнив ее исследуемым газом. Также заранее необходимо измерить объем колбы.

Сначала нужно рассчитать разность масс и разделить ее на значение объема колбы. В результате получится плотность газа по заданным условиям. С помощью уравнения состояния можно высчитать нужный показатель при нормальных либо идеальных условиях.

Узнать плотность некоторых газов можно по сводной таблице, в которой есть готовые сведения. Если газ занесен в таблицу, то брать эту информацию можно без каких-либо дополнительных расчетов и использования формул. К примеру, плотность пара воды можно узнать по таблице свойств воды (Справочник Ривкина С.Л. и др.), ее электронному аналогу или с помощью программ типа WaterSteamPro и других.

Однако у разных жидкостей равновесие с паром наступает при различной плотности последнего. Это объясняется различием сил межмолекулярного взаимодействия. Чем выше оно, тем быстрее наступит равновесие (к примеру, ртуть). У летучих жидкостей (например, эфир) равновесие может наступить лишь при значительной плотности пара.

Плотность различных природных газов варьируется от 0,72 до 2,00 кг/м3 и выше, относительная - от 0,6 до 1,5 и выше. Самая высокая плотность у газов с наибольшим содержанием тяжелых углеводородов H2S, СО2 и N2, самая низкая - у сухих метановых.

Свойства определяются его составом, температурой, давлением и плотностью. Последний показатель определяется лабораторным путем. Он зависит от всех вышеназванных. Определить его плотность можно разными методами. Самый точный - взвешивание на точных весах в тонкостенном стеклянном баллоне.

Больше этого же показателя природных газов. В практике принимают это соотношение как 0,6:1. Статическое уменьшается быстрее по сравнению с газом. При давлении до 100 МПа плотность природного газа способна превышать 0,35 г/см3.

Установлено, что увеличение может сопровождаться увеличением температуры гидратообразования. Природный газ низкой плотности образовывает гидраты при более высокой температуре по сравнению с газами с повышенной плотностью.

В измерители плотности только начинают использоваться и остается еще много вопросов, которые связаны с особенностями их эксплуатации и проверки.

В данном разделе использованы материалы методического пособия "Обучение решению задач по химии". Авторы - составители: учитель химии высшей категории, методист Учреждения образования «Гимназии №1 г. Гродно» Толкач Л.Я.; методист учебно-методического отдела Учреждения образования «Гродненский ОИПК и ПРР и СО» Коробова Н.П.

Вычисления с использованием молярного объема газов.

Вычисление относительной плотности газов.

Объемные отношения газов

Один моль любого газа при одинаковых условиях занимает один и тот же объем. Так, при нормальных условиях(н.у.), т.е. при температуре 0 °С и нормальном атмосферном давлении, равном 101,3 кПа, один моль любого газа занимает объем 22,4 дм 3 .

Отношение объема газа к соответствующему химическому количеству вещества есть величина, называемая молярным объемом газа (V m ):

V m = V / n дм 3 , откуда V = V m · n

Для того чтобы определить: легче или тяжелее газ относительно другого газа, достаточно сравнить их плотности:

Природный газ — это смесь в основном углеводородных газов, залегающих в в недрах в виде отдельных залежей и месторождений, а также в растворенном виде в нефтяных залежах или в виде, так называемых, «газовых шапок». Основные физические и химические свойства природного газа это:

Плотность газов – это масса вещества в единице объема – г/см 3 . Для практических целей используется относительная плотность газа по воздуху, т.е. отношение плотности газа к плотности воздуха. Иначе говоря – это показатель того, насколько газ легче или тяжелее воздуха:

где ρ в в стандартных условиях равно 1,293 кг/м 3 ;

Относительная плотность метана – 0,554, этана – 1,05, пропана – 1,55. Вот почему бытовой газ (пропан) в случае утечки скапливается в подвальных помещениях домов, образуя там взрывоопасную смесь.

Теплота сгорания

Теплота сгорания или теплотворная способность – количество тепла, которое выделяется при полном сгорании 1 м 3 газа. В среднем оно составляет 35160 кДж/м 3 (килоджоулей на 1 м 3).

Растворимость газа

Растворимость в нефти

Растворимость газа в нефти зависит от давления, температуры и состава нефти и газа. С ростом давления растворимость газа также возрастает. С ростом температуры растворимость газа снижается. Низкомолекулярные газы труднее растворяются в нефтях, чем более жирные.

С повышением плотности нефти, т.е. по мере роста в ней содержания высокомолекулярных соединений растворимость газа в ней снижается.

Показателем растворимости газа в нефти является газовый фактор – Г, показывающий количество газа в 1 м 3 (или 1 т) дегазированной нефти. Он измеряется в м 3 /м 3 или м 3 /т.

По этому показателю залежи делятся на:

1) нефтяные — Г<650 м 3 /м 3 ;

2) нефтяные с газовой шапкой – Г- 650 – 900 м 3 /м 3 ;

3) газоконденсатные — Г>900 м 3 /м 3 .

Растворимость воды в сжатом газе

Вода растворяется в сжатом газе при высоком давлении. Это давление обусловливает возможность перемещения воды в недрах не только в жидкой, но и в газовой фазе, что обеспечивает ее большую подвижность и проницаемость через горные породы. С ростом минерализации воды растворимость ее в газе уменьшается.

Растворимость жидких углеводородов в сжатых газах

Жидкие углеводороды хорошо растворяются в сжатых газах, создавая газоконденсатные смеси. Это создает возможность переноса (миграции) жидких углеводородов в газовой фазе, обеспечивая более легкий и быстрый процесс ее перемещения сквозь толщу горных пород.

С ростом давления и температуры растворимость жидких углеводородов в газе растет.

Сжимаемость

Сжимаемость пластовых газов – это очень важное свойство природных газов. Объем газа в пластовых условиях на 2 порядка (т.е. примерно в 100 раз) меньше, чем объем его в стандартных условиях на поверхности земли. Это происходит потому, что газ имеет высокую степень сжимаемости при высоких давлениях и температурах.

Степень сжимаемости изображается через объемный коэффициент пластового газа, который представляет отношение объема газа в пластовых условиях к объему того же количества газа при атмосферных условиях.

С явлениями сжимаемости газов и растворимости в них жидких углеводородов тесно связано конденсатообразование. В пластовых условиях с ростом давления жидкие компоненты переходят в газообразное состояние, образуя «газорастворенную нефть» или газоконденсат. При падении давления процесс идет в обратном направлении, т.е. происходит частичная конденсация газа (или пара) в жидкое состояние. Поэтому при добыче газа на поверхность извлекается также и конденсат.

Конденсатный фактор

Конденсатный фактор – КФ – это количество сырого конденсата в см 3 , приходящегося на 1м3 отсепарированного газа.

Различают сырой и стабильный конденсат. Сырой конденсат представляет собой жидкую фазу, в которой растворены газообразные компоненты.

Стабильный конденсат получают из сырого путем его дегазации. Он состоит только из жидких углеводородов – пентана и высших.

В стандартных условиях газоконденсаты представляют собой бесцветные жидкости с плотностью 0,625 – 0,825 г/см 3 с температурой начала кипения от 24 0 С до 92 0 С. Большая часть фракций имеют температуру выкипания до 250 0 С.