Газовые смеси

Любой природный газ, представляет смесь газов:

- метан –СН4 (С-74,97% Н-25,03%);

- Этан С2Н6 (С-79,96 Н-20,04);

- Этилен С2Н4 (85,7% Н-14,3%);

- Пропан С3Н8 (С-81,8% Н- 18,2%);

Состав смеси может быть выражен объемных, мольных и массовых долях. Объемная, мольная и массовая концентрации i – компонента в смеси будут соответственно

объемная; массовая мольная;

где: Vi – объем i – компонента; Ni – число молей в объеме Vi; mi – масса i – компонента.

Учитывая, что Vi / Ni т.е. объем одного моля, согласно закона Авогадро, для всех газов одинаковый, из выражений vi y’i они равны т.е. мольные и объемные концентрации совпада-ют. Связь между мольной (объемной) и массовой концентрациями будут равняться:

где: μi – молекулярная масса i-го компонента; μ- молекулярная масса газовой смеси.

Исходя из уравнений, получим формулу для определения молекулярной массы газовой смеси:

Состояние газа определяется зависимостью между давлением Р, объемом V и темпера-турой Т. Графически эта зависимость может быть изображена свойством изотерм (процесс который проходит при постоянной температурой). Линии ТА (Т1А1, Т2А2) показывают изотермическое сжатие в газовой фазе. По достижении объема vА начинается конденсация. Горизонтальные участки А1 Б1, А2 Б2 характеризуют двухфазное состояние. В точках Б1 Б2 конденсация заканчивается; очень крутые ветви Б1Т1, Б2Т2 относятся к жидкой фазе. С увеличением температуры участок двухфазного состояния сокращается. Температура Ткр.ри которой линии А1 Б1, А2 Б2 сливаются в точку К, называется критической. Давление, объем и плотность которые соответствуют точке К, тоже называются критическим давлением, крити-ческим объемом и критической плотностью. Когда газ при постоянной температуре Ткр будет сжат до объема Vкр, его плотность достигнет плотности жидкости. Однородность вещества при этом не нарушится. Но малейшее уменьшение температуры вызовет расслоение на жид-кую и паровую (газовую) фазы. При температуре выше критической газ не переходит в жидкость, ни при каких давлениях.

Аналитическая зависимость между давлением Р, объемом V и температурой Т – называется уравнение состояние газов.

Рассмотрим уравнение равновесного состояния идеального газа, т.е. газ который подчи-няяется законам Гей-Люсакка и Бойля-Мариотта.

Представим себе некоторое количество газа при состоянии 1 и такое же количество газа при состоянии 2 (Рисунок 5.2).

Газ, находящейся в состоянии 1 будем нагревать, сохраняя давление Р1 неизменным. (Данный процесс получил название изобара). Газ будет расширяться и согласно закону Гей-Люсакка V/ T = const, его объем при температуре Т2 будет равняться

V = V1∙T2/T1.

Газ, находящейся в состоянии 2, будем сжимать при постоянной температуре Т2. Когда давление газа станет равным Р1, в соответствии с законов Бойля-Мариотта pV/T=const, при Т=Т0 (процесс получил название изотерма), его объем будет равняться

V = V2∙P2/P1

Поскольку в обеих случаях величина объема одна и та же величина (на рисунке 5.2 она соответствует точки пересечения изобары -1 и изотермы-2), получим выражение

После преобразования данного выражения получим:

(1)

Постоянная величина зависит от количества газа, содержащегося в объеме V, и от его физической природы. Если взять один моль газа, то, поскольку объем его для всех газов одинаков (число Авогадро), одинаковой для всех будет и величина R. Выражение (1) запишем в виде:

уравнение Клайперона

Физический смысл универсальной газовой постоянной R – работа изобарического рас-ширения одного моля газа при нагревании его на один градус.

Подставив в уравнение Клайперона значение давления, объема и температуры соответ-ствующим нормальным условиям Р0 = 101325 Па; V0 = 22,4135 м³/кмоль; Т0 = 273,15 ºК, получим значение R = 8314 Дж/кмоль∙К

Эффект «сверх сжимаемости» усиливается при понижении температуры. Следовательно, уравнение состояние газов должно учитывать повышение газа. При проведении расчетов, применяют скорректированное уравнение Клайперона:

В данном уравнении отклонение от законов идеального газа учитывается множителем Z, называем коэффициентом сжимаемости. Данный коэффициент зависит от давлениря, температуры, а также от состава газа – чем газ тяжелее, тем коэффициент сжимаемости меньше.

Дата добавления: 2014-01-20