Основные сведения об углеводородных газах
Федеральное агентство по образованию
Белгородский государственный
Технологический университет
Им. В.Г. Шухова
А.Е. Полозов
Газоснабжение
(Часть I)
Учебное комплексное пособие для студентов заочной формы обучения с применением дистанционных технологий
Белгород 2007
| |
ББК 38.763 я 7
П 52
П 52 Полозов А.Е. Газоснабжение: Учебное комплексное пособие для студентов заочной формы обучения с применением дистанционных технологий / А.Е. Полозов. – Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2006. – с.
В учебном комплексном пособии изложены вопросы добычи, подготовки, транспорта природного газа, а также распределительные сети по газоснабжению населенных пунктов и промышленных объектов; вопросы коррозии и защиты газопроводов от неё, основы проектирования систем газоснабжения, расчеты по определению потребности в газе, газодинамические расчеты по определению диаметра газопроводов. Представлены варианты технологии получения сжиженного природного газа и биогаза. Даны варианты с примерами расчетов газоснабжения населенных пунктов.
В издание включены все вспомогательные справочные материалы, необходимые для выполнения курсовых и дипломных проектов.
Данное учебное комплексное пособие предназначено для студентов заочной формы обучения с применением дистанционных технологий по дисциплине: «Газоснабжение», работающих главным образом самостоятельно в отрыве от Вуза.
|
|
|
УДК
ББК
Введение
Доля природного газа в топливном балансе России составляет 60 %. Так как природный газ является высокоэффективным энергоносителем, в условиях экономического кризиса газификация может составить основу социально-экономического развития регионов России, обеспечить улучшение условий труда и быта населения, а также снижение загрязнения окружающей среды.
По сравнению с другими видами топлива природный газ имеет следующие преимущества:
низкую себестоимость;
высокую теплоту сгорания, обеспечивающую целесообразность транспортирования его по магистральным газопроводам на значительные расстояния;
полное сгорание, облегчающее условия труда персонала, обслуживающего газовое оборудование и сети;
отсутствие в его составе оксида углерода, что особенно важно при утечках газа, возникающих при газоснабжении коммунальных и бытовых потребителей;
|
|
|
высокую жаропроизводительность (более 2000 °С);
возможность автоматизации процессов горения и достижения высоких КПД.
Кроме того, природный газ является ценным сырьем для химической промышленности.
Использование газового топлива позволяет внедрять эффективные методы передачи теплоты, создавать экономичные и высокопроизводительные тепловые агрегаты с меньшими габаритными размерами, стоимостью и высоким КПД, а также повышать качество продукции.
Безопасность, надежность и экономичность газового хозяйства зависят от степени подготовки обслуживающего персонала.
Основной задачей при использовании природного газа является его рациональное потребление, т. е. снижение удельного расхода посредством внедрения экономичных технологических процессов, при которых наиболее полно реализуются положительные свойства газа. Применение газового топлива позволяет избежать потерь теплоты, определяемых механическим и химическим недожогом. Уменьшение потерь теплоты с уходящими продуктами горения достигается сжиганием газа при малых коэффициентах расхода воздуха. При работе агрегатов на газовом топливе возможно также ступенчатое использование продуктов горения. Основными задачами в области развития систем газоснабжения являются: применение для сетей и оборудования новых полимерных материалов, новых конструкций труб и соединительных элементов, а также новых технологий:
|
|
|
-внедрение эффективного газоиспользующего оборудования;
-расширение использования газа в качестве моторного топлива на транспорте;
-использование в сжатом и сжиженном состоянии при криогенных температурах;
-внедрение энергосберегающих технологий;
-обеспечение на основе природного газа производства тепла и электроэнергии для децентрализованного тепло- и энергоснабжения небольших городов и сельских населенных пунктов;
-мониторинг и диагностирование технологической цепочки поставки газа потребителю (от контроля технического состояния объектов газораспределения до системы учета распределения газа).
Применение газа в промышленности способствует улучшению условий труда и повышению его производительности, уменьшению брака и снижению себестоимости продукции и т. д.
Намечаемое развитие добычи природных и производства искусственных горючих газов и биогаза в нашей стране позволит не только обеспечить технологические и энергетические потребности промышленности, но и широко развернуть работы по газификации городов и поселков.
|
|
|
Конструкторы в содружестве с механизаторами и коллективами машиностроительных заводов создают новые элементы газопроводов, очистные и изоляционные машины, газовую печную аппаратуру, горелочное оборудование, оборудование для производства новых материалов на основе химических технологий. Для эффективного использования газа в бытовых условиях и на предприятиях необходимо правильно выбрать газовое оборудование, аппаратуру КИП и А, систему и конфигурацию газопроводов от магистрального газопровода до потребителя. Одновременно необходимо рассчитать диаметры газопроводов, удельные потери и транзитные расходы газа, разместить газовые сети по населенному пункту и на сложенных переходах линейной части газопровода. Этим вопросам и посвящено настоящее комплексное учебное пособие.
- Топливные и технологические газы (составы, получение, подготовка, транспорт)
Основные сведения об углеводородных газах
Углеводородные газы состоят из простых углеводородных соединений, являющихся органическими веществами, содержащими в своем составе 2 химических элемента - углерод (С) и водород (Н). Углеводороды отличаются друг от друга количеством атомов углерода и водорода в молекуле, а также, характером связей между ними. Самый простой углеводород, содержащий всего один атом углерода - метан (СН4). Он является основным компонентом природного, а также, некоторых искусственных горючих газов. Следующий углеводород этого ряда - этан (С2Нб) - имеет 2 атома углерода. Углеводород с тремя атомами углерода - пропан (С3Н8), с четырьмя атомами углерода - бутан (С4Н10). Их структурные формулы представлены на рис. 1.1.
Метан Этан Пропан Бутан
Рис.1.1. Структурные формулы метана, этана, пропана и бутана.
Все углеводороды этого типа имеют формулу СnН2n+2 и входят в гомогологический ряд предельных углеводородов - соединений, в которых углерод до предела насыщен атомами водорода.
В промышленности и народном хозяйстве используются природные и искусственные газы.
К природным относят газы: добываемые из чисто газовых или газоконденсатных месторождений; попутные - нефтяные, получаемые непосредственно на промысле и нефтяные получаемые при крекинг - процессе на нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ).
К искусственным относят газы, вырабатываемые на перерабатывающих заводах в процессе термической переработки жидких и твердых топлив, а также, выделяющиеся в качестве вторичных продуктов некоторых производств, например, в доменном процессе, при получении кокса и др. Качество газообразных углеводородов определяет наличие отдельных горючих и негорючих газов его составляющих и примесей.
Горючая часть газового топлива состоит из углеводородов, водорода и окиси углерода.
В негорючую часть входят углекислый газ, азот, кислород и гелий.
К примесям относятся сероводород, аммиак, цианистые соединения, водяные пары, нафталин, смолы и пыль.
Негорючие газы и примеси являются балластом газового топлива, и химического сырья, ухудшающие товарные теплофизические качества газа и эксплуатационные свойства оборудования транспортных систем.
Метан (СН4) – основной компонент природных и попутных нефтяных газов - характеризуется низкой температурой конденсации и поэтому практически всегда поступает на поверхность в газообразном состоянии. При нормальных физических условиях метан является бесцветным, не имеющим запаха газом, способным образовывать взрывоопасные смеси с воздухом при концентрации метана 5-15% (объем.), природного газа 7-17%. В состав метана входит 75% углерода и 25% водорода; 1нм3 его имеет массу 0,717 кг. При атмосферном давлении и температуре минус 161,2 ºС метан сжижается и его объем уменьшается в 591 раз. Сжиженный метан является высокоэффективной транспортной и резервной единицей позволяющей создать большие запасы, как топлива, так и химического сырья. Высшая теплота сгорания метана QВ составляет 39820 кДж/м3, низшая – QВ – 35880 кДж/м3. Содержание метана в природных газах достигает 99%, поэтому его свойства практически полностью определяют свойства природных газов.
Метан является не только основным видом газового топлива, но и используется для получения синтез – газа в химической промышленности в производствах аммиака и метанола, для получения ацетилена, а также для получения водорода в химических и нефтехимических производствах. Метан имеет низкую реакционную способность. Это объясняется тем, что на разрыв четырех связей в молекуле метана требуется большая затрата энергии.
Этан (С2Н6) входит в состав природных газов в небольших количествах (0,5 - 5%объем.), но в составе попутных нефтяных газов его
содержание составляет 5-20% (объем.). Этан - бесцветный газ - весьма ценное химическое сырье для получения этилена - основного продукта многих производств химического, нефтехимического и органического синтеза, а также для производства пластмассы. Так как этан имеет умеренные критические параметры (Ркр=0,98 МПа и Ткр=2,3 ºС), то его несложно выделить в жидкую фазу методами низкотемпературной конденсации.
Пропан (С3Н 8) и бутан (С4Н10) входят в состав природных газов в незначительном количестве, в то же время в газоконденсатных смесях и, особенно в попутных газах нефтедобычи содержание этих компонентов достигает 6-30% объем. Они легко могут быть сжижены и используются в основном как бытовое топливо, поставляемое в железнодорожных и автомобильных цистернах на дальнее расстояние и в баллонах бытовому потребителю. На ГПЗ эти компоненты выделяют из попутных газов при получении стабильного газового бензина. Одновременно эти газы являются ценным сырьем для химической промышленности в производстве пластмасс и синтетического каучука. Пропан используют на ГПЗ в качестве хладагента в холодильных установках для нужд собственного производства.
Пентан (С5Н12)и его гомологи (изопентан, неопентан) содержатся в попутных газах нефтедобычи в количестве 1-5% объем, при переработке таких газов компоненты (С5+ высшие) входят в состав моторных топлив (газовый бензин).
Месторождения, из которых добывают горючие газы, подразделяют на три группы: 1) чисто газовые месторождения, не имеющие в своем составе жидких углеводородов; 2) газоконденсатные месторождения, в которых добываемый газ содержит конденсат - растворенные в газе компоненты высококипящих углеводородов; 3) нефтегазовые – с попутными газами нефтедобычи, содержащие углеводороды метанового, этанового и пропан - бутанового ряда.
Особенностью работы газоперерабатывающих заводов ГПЗ является то, что в процессе добычи и переработки углеводородного сырья изменяется давление и его состав, в связи, с чем на ГПЗ требуется вводить дополнительные блоки и установки (компрессорные станции, насосные, сепарационные установки и др.).
Природные горючие газы представляют собой смеси углеводородов преимущественно метанового ряда, включающие примеси других газов (азот, окиси и двуокиси углерода, сероводорода, аргона, гелия и др.). Природные газы в зависимости от содержания в них метановой фракции условно разделяют на три группы:
- тощие - с содержанием тяжелых углеводородов (этан – пропан – бутановой группы) до 50 г/м3;
- нормального содержания тяжелой фракции - от 50 до 150 г/м3;
- жирные смеси -содержание тяжелых углеводородов в газовой смеси более 150г/м3. Чем выше содержание фракций тяжелых углеводородов в газовом сырье, тем более эффективно и экономично перерабатывать и разделять газ на составляющие.
Попутные нефтяные газы. В продуктивных пластах нефтегазовых месторождений одновременно с добычей нефти получают попутные нефтяные газы, которые накоплены в своде купола пласта, а также при избыточном давлении эти газы растворены в нефти. При понижении давления, растворенные в нефти газы выделяются в виде газовой смеси, содержащей углеводороды этан-пентановой группы. Попутные газы нефтедобычи, кроме углеводородных и примесей других газов, содержат газовый конденсат, а также влагу.
Водород (Н2)- имеется во всех искусственных газах. Это горючий газ без цвета, запаха и вкуса, не токсичен. В реакциях горения очень активен. Масса 1 нм3 равна 0,09 кг. Он в 14,5 раз легче воздуха, теплота сгорания достигает QВ – 12750 кДж/м3. Водород отличается высокой реакционной способностью, водородно-воздушные смеси имеют широкие пределы воспламенения и весьма взрывоопасны.
Окись углерода (СО)- горючий газ без цвета, запаха и вкуса, тяжелее воздуха, очень токсичен. Содержится в больших количествах в искусственных газах, а также образуется при неполном сгорании топлива.
Углекислый газ (СО2)не имеет цвета и запаха, со слабым кисловатым вкусом, не токсичен, но при скоплении в помещении способен вызвать удушье, из-за недостатка кислорода воздуха.
Химически инертен. Масса 1 нм3 СО2 составляет 1,98 кг. Углекислый газ при температуре -20 ºС и давлении 5,8 МПа превращается в жидкость, которую перевозят в баллонах под давлением. При сильном охлаждении СО2 превращается в «сухой лед», широко используемый для хранения пищевых продуктов.
Азот (N2) – двухатомный бесцветный газ, не имеет запаха и вкуса, не горит и не поддерживает горение, не токсичен. Токсичны окислы азота, образуемые при высоких температурах в топках промышленных агрегатов. Масса азота равна 1,25 кг. Атомы азота соединены между собой в молекуле тройной прочной связью. Содержание N2 в различных газах колеблется в значительных пределах, в биогазе его содержание может достигать 30% и более.
Кислород (О2) - газ без цвета, запаха, вкуса, не горит, но поддерживает горение. Масса 1 нм3 кислорода составляет 1,43 кг. В присутствии влаги активно развивает коррозию трубопроводов, арматуры и оборудования.
Содержание кислорода в газе понижает его теплопроводную способность и делает газ взрывоопасным. Поэтому содержание О2 в газе не должно превышать 1 % по объему. Чаще всего кислород попадает в газопровод за счет подсоса (эжектирования) воздуха.
Сероводород (Н2S) - бесцветный горючий газ с характерным запахом тухлых яиц. Как сам сероводород, так и продукт его сгорания - сернистый газ (SO2) - весьма токсичны.
В поступающем потребителю природном газе величина выпадающей серы (по нормам) не должна превышать 2 г/ 100 м3.
Сконденсировавшаяся на устье скважины вода, поступающая с газом, растворяя Н2S, образует серную кислоту весьма агрессивную в коррозионном отношении к металлу. Отрицательное влияние её на трубопроводы усугубляется еще и тем, что она вызывает наиболее опасную внутрикристаллитную и межкристаллитную коррозию.
Аммиак - вредная токсичная примесь некоторых искусственных газов.
Цианистые соединения,в первую очередь синильная кислота (HCN), могут образовываться в коксовых газах в результате взаимодействия углерода топлива саммиаком, весьма токсичны.
Пары водысодержатся в неосушенных газах. При высоких давлениях образуют с тяжелыми углеводородами кристаллогидратные соединения, напоминающие лед, закупоривающие газопроводы.
Нафталин, смолы и пыль, откладываясь на стенках газопроводов, уменьшают их сечение, засоряют фильтры, арматуру и др. оборудование.
По теории академика И. А. Губкина природный газ образовывался в процессе биохимического и термического разложения органических остатков растительного и животного мира, погребенных вместе с осадочными породами в толще земной коры.
Образуемые газы скапливались в порах таких пород как пески, песчаники, галечники.
Газовый конденсат.В добываемых на газоконденсатных месторождениях газах, кроме низкокипящих компонентов (метана и этана), содержаться в виде жидкой фазы (конденсата) некоторые углеводородные газы, содержащие более 4 атомов углерода в молекуле. При снижении давления растворенные газы выделяются в газовую фазу. Таким образом, газовый конденсат представляет собою сконденсированную жидкую фазу из средне- и высококипящих углеводородных газов (пропан- бутан - пентановых фракций) с частично накопленными в ней низкокипящими газами (метаном и этаном).
На некоторых газоконденсатных месторождениях на 1м3 добытого газа приходится до 500 см3 конденсата. При снижении давления происходит выделение в газовую фазу части растворенных в конденсате низкокипящих газов - деэтанизация (преимущественно этана и пропана), конденсат направляется на ГПЗ и подвергается разделению с целью получения газового бензина и сжиженных газов.
Конденсаты различных месторождений отличаются по фракционному составу входящих в них углеводородов. Кроме того, в процессе эксплуатации месторождения также происходит изменение фракционного состава компонентов. Качество конденсата оценивается как его составом (стабильный - нестабильный), так и содержанием более легких (чем С5+)
компонентов, упругостью паров компонентов и процентом выкипания его при температурах ниже 323К и атмосферном давлении и при температуре ниже 311 К.
Искусственные газы. Значительное место в технологиях переработки различных видов сырья занимают искусственные газы, выделяющиеся во многих химических и нефтехимических технологических процессах. К ним относятся коксовый газ, образующийся
при переработке каменного угля на кокс, выход коксового газа составляет до 350 м3 на тонну угля, при этом до 20% исходного топлива переходит в коксовый газ. В доменных печах металлургических производств образуется доменный газ, содержащий до 40% теплопроизводительности исходного топлива.
При пиролизной переработке 1 т нефти в процессе пиролиза в зависимости от применяемого способа и глубины крекинга образуется до 500 м3 газообразных продуктов расщепления высокомолекулярных углеводородов. Долгое время источником многих химических продуктов служила технология сухой перегонки древесины. Для получения искусственных газов подвергают сухой перегонке некоторые виды низкокалорийных топлив.
Германская промышленность периода второй мировой войны в широком масштабе производила синтетический бензин из бурого угля. Не исчерпала себя идея о подземной газификации угля, с выводом на поверхность углеводородных газов и их последующей переработки, используя водород.
Газы бывают сухие и жирные. Все сухие газы легче воздуха. Низшая теплота их сгорания * 8000 – 9500 ккал/м. Состав и свойства газов чисто газовых месторождений, как правило, постоянны. С легкими углеводородами часто выносятся тяжелые углеводороды, которые при понижении температуры конденсируются. Поэтому перед подачей газа в магистральный газопровод тяжелые углеводороды извлекаются и используются для производства сжиженного газа и моторного топлива. Содержание углеводородов в газоконденсатных месторождениях более 150 г/м3, также газы относят к жирным газам.
Теплота сгорания тяжелых углеводородов (жирных газов) 9000-10000 ккал/ м3. Метан сопровождают нефтяные запасы, особенно на больших глубинах. Добывают газ через газовую скважину.
Дата добавления: 2018-06-27; просмотров: 5595; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!