Под этим термином понимают весь спектр сжиженных углеводородных газов различного происхождения (этан, пропан, бутаны и их производные – этилен, пропилен и т. д.) и их смеси. Но чаще всего под СУГ понимают смесь сжиженных пропана и бутанов, применяемую в качестве бытового топлива и . В последнее время стали чаще употребляться названия и сокращения СПБФ (сжиженная пропан-бутановая фракция ), СПБТ (сжиженные пропан-бутан технические ), СУГ (сжиженный углеродный газ ), СНГ (сжиженный нефтяной газ ).

Физические свойства СУГ определяются физическими свойствами его основных компонент. Его можно хранить в сжиженном виде при относительно небольших давлениях до 1,5 МПа в широком диапазоне температур, что позволяет транспортировать СУГ в цистернах или баллонах. В состав СУГ в зависимости от спецификации также могут входить изобутан и этан. При объем СУГ составляет приблизительно 1/310 объема газа при стандартных условиях.

Физические свойства пропана и n-бутана, определяющие способ их транспортировки в сжиженном виде в цистернах, представлены в таблице.

СУГ используется как бытовое топливо (отопление, приготовление пищи), а также применяется в качестве экологически чистого моторного топлива, в частности, для общественного транспорта в крупных городах. Сжиженный газ является сырьем для производства олефинов (этилен, пропилен), ароматических углеводородов (бензол, толуол, ксилол, циклогексан), алкилата (добавка, которая повышает октановое число бензина), синтетических моторных топлив. В зимнее время бутан добавляется в бензин для повышения ДПР (давления паров по Рейду). В США СУГ после и разведения азотом и/или воздухом (для приведения удельной калорийности к показателям сетевого газа) используется в качестве дополнительного источника газа для сглаживания пиковых нагрузок на газораспределительные сети.

В качестве сырья для получения СУГ используются природный газ и , нефть и нефтяные попутные газы. Технология производства сжиженного газа зависит от отраслевого производства: нефтегазопереработка и нефтехимия. В отраслях нефтепереработки сжиженный углеродный газ является фактически дополнительным продуктом при производстве бензина. При газопереработке сжиженный газ выступает главным продуктом для конечной реализации или дальнейшей переработки.

В связи с истощением залежей сеноманского «сухого газа» в разработку передаются залежи неоком-юрских горизонтов, характеризующиеся повышенным содержанием углеводородных газов ряда С 2+ («жирный и конденсатный газ» ). В нефтехимии под жирностью понимают среднее число атомов углерода на молекулу газа (для метана жирность равна 1, для этана – 2, и т.д.). С точки же зрения подготовки газа к транспортировке трубопроводным транспортом, под жирностью понимается избыточное наличие в газе углеводородов ряда С 3+ , приводящее к их конденсации в газопроводе в процессе транспортировки. Жирность газа повышает его ценность в качестве сырья для нефтехимии.

Производимый в России сжиженный углеводородный газ используется преимущественно в трех направлениях: 1) СУГ как сырье в нефтехимии; 2) в коммунально-бытовом секторе; 3) экспорт.

Сжиженные углеводородные газы (СУГ) получают из попутного нефтяного газа. Это чистые газы или специальные смеси, которые могут быть использованы для отопления домов, в качестве автомобильного топлива, а также производства нефтехимической продукции.

ШФЛУ на ГФУ

Сжиженные углеводородные газы получают из широкой фракции легких углеводородов (ШФЛУ), которую, в свою очередь, выделяют из попутного нефтяного газа (ПНГ).

Разделение ШФЛУ на составляющие ее компоненты - индивидуальные углеводороды - происходит на газофракционирующих установках (ГФУ). Процесс разделения похож на разделение ПНГ. Однако в данном случае разделение должно быть более тщательным. Из ШФЛУ в процессе газофракционирования могут получаться различные продукты. Это может быть пропан или бутан, а также смесь пропан-бутана (ее называют СПБТ, или смесь пропана-бутана технических). СПБТ - наиболее распространенный вид сжиженных газов - именно в этом виде этот продукт поставляется населению, промышленным предприятиям и отправляется на экспорт. Так, из 2,034 млн тонн СУГ, реализованных «Газпром газэнергосеть» в 2012 году, на смесь пропан-бутана пришлось 41%, на бутан - треть поставок, на пропан - около 15%.

Также путем разделения ШФЛУ получают технический бутан и технический пропан, пропан автомобильный (ПА) или смесь ПБА (пропан-бутан автомобильный).

Существуют и другие компоненты, которые выделяют путем переработки ШФЛУ. Это изобутан и изобутилен, пентан, изопентан.

Как применяют сжиженные углеводородные газы

Сжиженные углеводородные газы могут использоваться по-разному. Наверное, каждому знакомы еще с советских времен ярко-красные баллоны с надписью пропан. Их используют для приготовления пищи на бытовых плитах или для отопления в загородных домах.

Также сжиженный газ может использоваться в зажигалках - туда обычно закачивают либо пропан, либо бутан.

Сжиженные углеводородные газы используются и для отопления промышленных предприятий и жилых домов в тех регионах, куда еще не дошел природный газ по трубопроводам. СУГ в этих случаях хранится в газгольдерах - специальных емкостях, которые могут быть как наземными, так и подземными.

По показателю эффективности пропан-бутан занимает второе место после магистрального природного газа. При этом использование СУГ более экологично по сравнению, например, с дизельным топливом или мазутом.

Газ в моторы и пакеты

Пропан, бутан и их смеси, наряду с природным газом (метаном), используются в качестве альтернативного топлива для заправки автомобилей.
Использование газомоторного топлива в настоящее время очень актуально, ведь ежегодно отечественным автопарком, состоящим из более 34 млн единиц транспортных средств, вместе с отработавшими газами выбрасывается 14 млн тонн вредных веществ. А это составляет 40% от общих промышленных выбросов в атмосферу. Отработавшие газы двигателей, работающих на газе, в несколько раз менее вредны.

В выхлопах газовых моторов содержится в 2–3 раза меньше оксида углерода (CO) и в 1,2 раза меньше окиси азота. При этом по сравнению с бензином стоимость СУГ ниже примерно на 30–50%.

Рынок газомоторного топлива активно развивается. В настоящее время в нашей стране насчитывается более 3000 газовых заправок и более 1 млн газобаллонных автомобилей.

Наконец, сжиженные углеводородные газы являются сырьем для нефтехимической промышленности. Для производства продукции СУГ подвергаются сложному процессу, протекающему при очень высоких температурах - пиролизу. В результате получаются олефины - этилен и пропилен, которые затем, в результате процесса полимеризации, превращаются в полимеры или пластики - полиэтилен, полипропилен и прочие виды продукции. То есть используемые нами в ежедневной жизни полиэтиленовые пакеты, одноразовая посуда, тара и упаковка многих продуктов производятся из сжиженных газов.

- — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN hydrocarbon gases …

Объект, использующий сжиженные углеводородные газы - (СУГ), объект производственного и коммунально производственного назначения, обеспечивающий хранение и (или) реализацию СУГ, транспортировку СУГ по газопроводам до потребителя, а также использование его в качестве топлива на опасных… … Официальная терминология

объект, использующий сжиженные и углеводородные газы (СУГ) - Объект производственного и коммунально производственного назначения, обеспечивающий хранение и (или) реализацию СУГ, транспортировку СУГ по газопроводам до потребителя, а также использование его в качестве топлива на опасных производственных… … Справочник технического переводчика

сжиженные углеводородные газы - СУГ Сжиженные углеводородные смеси пропана, пропилена, бутанов и бутенов с примесями углеводородных и неуглеводородных компонентов, получаемые путем переработки природного газа и нефти, применяемые в качестве моторного топлива, для коммунально… … Справочник технического переводчика

сжиженные углеводородные газы - 32 сжиженные углеводородные газы; СУГ: Сжиженные углеводородные смеси пропана, пропилена, бутанов и бутенов с примесями углеводородных и неуглеводородных компонентов, получаемые путем переработки природного газа и нефти, применяемые в качестве… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Сжиженные углеводородные газы - Запрос «СУГ» перенаправляется сюда; см. также другие значения. Бытовые 45 кг баллоны СУГ в Новой Зеландии Сжиженные углеводородные газы (СУГ) (англ. … Википедия

повторно испарять ожиженные углеводородные газы - — Тематики нефтегазовая промышленность EN regasify … Справочник технического переводчика

Газы природные - (классификация) встречаются и проявляют себя в разл. геол. и геохим. условиях, весьма разнообразны по хим. сост. и физ. свойствам. Известны классификации Г. п.: Вернадского (1912, 1934), Соколова (1930), Хлопина и Черепенникова (1935), Белоусова… … Геологическая энциклопедия

Газы нефтяные попутные - углеводородные газы, сопутствующие нефти и выделяющиеся из неё при сепарации. Количество газов (в м3), приходящееся на 1 т добытой нефти (т. н. газовый фактор), зависит от условий формирования и залегания нефтяных месторождений и может… … Большая советская энциклопедия

ГАЗЫ НЕФТЯНЫЕ ПОПУТНЫЕ - углеводородные газы, сопутствующие нефти и выделяющиеся при ее добыче на газонефтяных месторождениях. Эти газы находятся в нефти в растворенном виде и выделяются из нее вследствие снижения давления при подъеме нефти на пов сть земли. В… … Химическая энциклопедия

Сжиженные углеводородные газы применяются в качестве автомобильного топлива.

За сравнительно короткий промежуток времени пройден достаточно трудный путь по организации учета сжиженных газов, ясного понимания процессов, происходящих при перекачке, измерении, хранении, транспортировке.

Общеизвестно, что добыча и использование нефти и газа в России имеет многовековую историю. Однако технический уровень промыслового газового хозяйства до XX века был исключительно примитивным. Не находя экономически обоснованных областей применения, нефтепромышленники не только не заботились о сохранении газа или легких фракций углеводородов, но и старались от них избавиться. Негативное отношение наблюдалось и к бензиновым фракциям нефти, поскольку они вызывали повышение температуры вспышки и опасность загорания и взрывов. Выделение газовой промышленности в 1946 г. в самостоятельную отрасль позволило революционно изменить ситуацию и резко увеличить как объём добычи газа в абсолютном значении, так и его удельный вес в топливном балансе страны. Быстрые темпы роста добычи газа стали возможны благодаря коренному усилению работ по строительству магистральных газопроводов, соединивших основные газодобывающие районы с потребителями газа крупными промышленными центрами и химическими заводами.

Тем не менее, основательный подход к точному измерению и учету сжиженных газов в нашей стране стал появляться не более 10 - 15 лет назад. Для сравнения, сжиженный газ в Англии производится с начала 30-х годов XX века, с учетом того, что это страна с развитой рыночной экономикой, технология измерения и учета сжиженных газов, а также производство специального оборудования для этих целей стали развиваться практически с началом производства.

Итак, коротко рассмотрим, что представляют собой сжиженные углеводородные газы и как они производятся. Сжиженные газы делятся на две группы:

Сжиженные углеводородные газы (СУГ) - представляют собой смесь химических соединений, состоящую в основном из водорода и углерода с различной структурой молекул, т.е. смесь углеводородов различной молекулярной массы и различного строения. Основными компонентами СУГ являются пропан и бутан, в виде примесей в них содержатся более легкие углеводороды (метан и этан) и более тяжелые (пентан). Все перечисленные компоненты являются предельными углеводородами. В состав СУГ могут входить также непредельные углеводороды: этилен, пропилен, бутилен. Бутан-бутилены могут присутствовать в виде изомерных соединений (изобутана и изобутилена).

ШФЛУ - широкая фракция легких углеводородов, включает в основном смесь легких углеводородов этановой (С2) и гексановой (С6) фракций.

В целом типичный состав ШФЛУ выглядит следующим образом: этан от 2 до 5%; сжиженный газ фракций С4-С5 40-85%; гексановая фракция С6 от 15 до 30%, на пентановую фракцию приходится остаток.

Учитывая широкое применение в газовом хозяйстве именно СУГ, следует более подробно остановиться на свойствах пропана и бутана.

Пропан — это органическое вещество класса алканов. Содержится в природном газе, образуется при крекинге нефтепродуктов. Химическая формула C 3 H 8 (рис. 1). Бесцветный газ без запаха, очень малорастворим в воде. Точка кипения -42,1С. Образует с воздухом взрывоопасные смеси при концентрации паров от 2,1 до 9,5%. Температура самовоспламенения пропана в воздухе при давлении 0,1 МПа (760 мм рт. ст.) составляет 466 °С.

Пропан используется в качестве топлива, основной компонент так называемых сжиженных углеводородных газов, в производстве мономеров для синтеза полипропилена. Является исходным сырьём для производства растворителей. В пищевой промышленности пропан зарегистрирован в качестве пищевой добавки E944, как пропеллент.

Бутан (C 4 H 10) — органическое соединение класса алканов. В химии название используется в основном для обозначения н-бутана. Химическая формула C 4 H 10 . Такое же название имеет смесь н-бутана и его изомера изобутана СН(СНз)з. Бесцветный горючий газ, без запаха, легко сжижаемый (ниже 0 °С и нормальном давлении или при повышенном давлении и обычной температуре — легколетучая жидкость). Содержится в газовом конденсате и нефтяном газе (до 12 %). Является продуктом каталитического и гидрокаталитического крекинга нефтяных фракций.

Производство, как сжиженного газа, так и ШФЛУ осуществляется за счет следующих трех основных источников:

• предприятия нефтедобычи - получение СУГ и ШФЛУ происходит во время добычи сырой нефти при переработке попутного (связанного) газа и стабилизации сырой нефти;
• предприятия газодобычи - получение СУГ и ШФЛУ происходит при первичной переработке скважинного газа или несвязанного газа и стабилизации конденсата;
• нефтеперегонные установки - получение сжиженного газа и аналогичных ШФЛУ происходит при переработке сырой нефти на НПЗ. В данной категории ШФЛУ состоит из смеси бутан-гексановых фракций (С4-С6) с небольшим количеством этана и пропана.

Основное преимущество СУГ - возможность их существования при температуре окружающей среды и умеренных давлениях, как в жидком, так и в газообразном состоянии. В жидком состоянии они легко перерабатываются, хранятся и транспортируются, в газообразном имеют лучшую характеристику сгорания.

Состояние углеводородных систем определяется совокупностью влияний различных факторов, поэтому для полной характеристики необходимо знать все параметры. К основным параметрам, поддающимся непосредственному измерению и влияющим на режимы течения СУГ, относятся давление, температура, плотность, вязкость, концентрация компонентов, соотношение фаз.

Система находится в равновесном состоянии, если все параметры остаются неизменными. При таком состоянии в системе не происходит видимых качественных и количественных изменений. Изменение хотя бы одного параметра нарушает равновесное состояние системы, вызывая тот или иной процесс.

Углеводородные системы могут быть гомогенными и гетерогенными. Если система имеет однородные физические и химические свойства - она гомогенна, если же она неоднородна или состоит из веществ, находящихся в разных агрегатных состояниях - она гетерогенна. Двухфазные системы относятся к гетерогенным.

Под фазой понимается определенная гомогенная часть системы, имеющая четкую границу раздела с другими фазами.

Сжиженные газы при хранении и транспортировании постоянно изменяют свое агрегатное состояние, часть газа испаряется и переходит в газообразное состояние, а часть конденсируется, переходя в жидкое состояние. В тех случаях, когда количество испарившейся жидкости равно количеству сконденсировавшегося пара, система жидкость-газ достигает равновесия и пары на жидкостью становятся насыщенными, а их давление называется давлением насыщения или упругостью паров.

Упругость паров СУГ возрастает с повышением температуры и уменьшается с ее понижением.

Сжиженные углеводородные газы транспортируются в железнодорожных и автомобильных цистернах, хранятся в резервуарах различного объема в состоянии насыщения: в нижней части сосудов размещается кипящая жидкость, а в верхней находятся сухие насыщенные пары. При снижении температуры в резервуарах часть паров сконденсируется, т. е. увеличивается масса жидкости и уменьшается масса пара, наступает новое равновесное состояние. При повышении температуры происходит обратный процесс, пока при новой температуре не наступит равновесие фаз. Таким образом, в резервуарах и трубопроводах происходят процессы испарения и конденсации, которые в двухфазных средах протекают при постоянном давлении и температуре, при этом температуры испарения и конденсации равны.

В реальных условиях в сжиженных газах в том или ином количестве присутствуют водяные пары. Причем их количество в газах может увеличиваться до насыщения, после чего влага из газов выпадает в виде воды и смешивается с жидкими углеводородами до предельной степени растворимости, а затем выделяется свободная вода, которая отстаивается в резервуарах. Количество воды в СУГ зависит от их углеводородного состава, термодинамического состояния и температуры. Доказано, что если температуру СУГ снизить на 15-30 0 С, то растворимость воды снизится в 1,5-2 раза и свободная вода скопится на дне резервуара или выпадет в виде конденсата в трубопроводах. Скопившуюся в резервуарах воду необходимо периодически удалять, иначе она может попасть к потребителю или привести к поломке оборудования.

Согласно методам испытаний СУГ определяют наличие лишь свободной воды, присутствие растворенной допускается.

За рубежом предъявляются более жесткие требования на наличие воды в СУГ и ее количество, посредством фильтрации доводится до 0,001% по массе. Это оправдано, так как растворенная вода в сжиженных газах является загрязнителем, ибо даже при положительных температурах она образует твердые соединения в виде гидратов.

Гидраты можно отнести к химическим соединениям, так как они имеют строго определенный состав, но это соединения молекулярного типа, однако химическая связь на базе электронов у гидратов отсутствует. В зависимости от молекулярной характеристики и структурной формы внутренних ячеек, различные газы внешне представляют собой четко выраженные прозрачные кристаллы разнообразной формы, а гидраты, полученные в турбулентном потоке - аморфную массу в виде плотно спрессованного снега.

В большинстве случаев, говоря о сжиженных газах, подразумеваются углеводороды соответствующие ГОСТ 20448-90 «Газы углеводородные сжиженные для коммунально-бытового потребления» и ГОСТ 27578-87 «Газы углеводородные сжиженные для автомобильного транспорта». Они представляют собой смесь, состоящую в основном из пропана, бутана и изобутана. Благодаря идентичности строения их молекул приближенно соблюдается правило аддитивности: параметры смеси пропорциональны концентрациям и параметрам отдельных компонентов. Поэтому по некоторым параметрам можно судить о составе газов.

Сжиженные углеводородные газы относятся к низкокипящим жидкостям, способным находиться в жидком состоянии под давлением насыщенных паров.

1. Температура кипения:Пропан -42 0 С; Бутан - 0,5 0 С.
2. При нормальных условиях объем газообразного пропана больше в 270 раз, чем объем пропана сжиженного.
3. Сжиженные углеводородные газы характеризуются высоким коэффициентом теплового расширения.
4. СУГ характеризуются низкой плотностью и вязкостью по сравнению со светлыми нефтепродуктами.
5. Нестабильность агрегатного состояния СУГ при течении по трубопроводам в зависимости от температуры, гидравлических сопротивлений, неравномерности условных проходов.
6. Транспортирование, хранение и измерение СУГ возможны только посредством закрытых (герметизированных) систем, рассчитанных, как правило, на рабочее давление 1,6 МПа. ГОСТ Р 55085-2012
7. Перекачивающие, измерительные операции требуют применения специального оборудования, материалов и технологий.

Во всем мире, углеводородные системы и оборудование, а также устройство технологических систем подчинено единым требованиям и правилам.

Сжиженный газ представляет собой ньютоновскую жидкость, поэтому процессы перекачивания и измерения описываются общими законами гидродинамики. Но функция углеводородных систем сводится не только к простому перемещению жидкости и ее измерению, но и обеспечению уменьшения влияния «отрицательных» физико-химических свойств СУГ.

Принципиально, системы, перекачивающие СУГ, мало отличаются от систем для воды и нефтепродуктов, и, тем не менее, необходимо дополнительное оборудование, гарантирующее качественные и количественные характеристики измерения.

Исходя из этого технологическая углеводородная система, как минимум должна иметь в своем составе резервуар, насос, газоотделитель, измеритель, дифференциальный клапан, отсечной или регулирующий клапан, устройства безопасности от превышения давления или скорости потока.

Резервуар хранения должен быть оборудован входным патрубком для налива продукта, линией слива для отпуска и линией паровой фазы, которая используется для выравнивания давления, возврата паров от газоотделителя или калибровки системы.

Насос - обеспечивает давление, необходимое для движения продукта через систему отпуска. Насос должен быть подобран по емкости, производительности и давлению.

Измеритель - включает преобразователь количества продукта и отсчетное устройство (индикацию) которое может быть электронным или механическим.

Газоотделитель - отделяет пар, образованный во время потока жидкости, прежде чем он достигнет счетчика и возвращает его в паровое пространство резервуара.

Дифференциальный клапан - служит для обеспечения прохождения через счетчик только жидкого продукта, посредством создания после счетчика избыточного дифференциального давления, заведомо большего, чем давление паров в емкости.

УДК 696.2 (07)

ББК 38.763 я 7

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.

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.

1. 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 (СН 4). Он является основным компонентом природного, а также, некоторых искусственных горючих газов. Следующий углеводород этого ряда - этан (С 2 Н б) - имеет 2 атома углерода. Углеводород с тремя атомами углерода - пропан (С 3 Н 8), с четырьмя атомами углерода - бутан (С 4 Н 10). 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 СnН 2 n +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 (СН 4) – 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; 1нм 3 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 Q В составляет 39820 кДж/м 3 , низшая – Q В – 35880 кДж/м 3 . 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 (С 2 Н 6) 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 (Р кр =0,98 МПа и Т кр =2,3 ºС), то его несложно выделить в жидкую фазу методами низкотемпературной конденсации.

Пропан (С 3 Н 8) и бутан (С 4 Н 10) 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 (С 5 Н 12) и его гомологи (изопентан, неопентан) содержатся в попутных газах нефтедобычи в количестве 1-5% объем, при переработке таких газов компоненты (С 5+ 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/м 3 ;

- нормального содержания тяжелой фракции - от 50 до 150 г/м 3 ;

- жирные смеси - содержание тяжелых углеводородов в газовой смеси более 150г/м 3 . 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 (Н 2) - имеется во всех искусственных газах. Это горючий газ без цвета, запаха и вкуса, не токсичен. В реакциях горения очень активен. Масса 1 нм 3 равна 0,09 кг. Он в 14,5 раз легче воздуха, теплота сгорания достигает Q В – 12750 кДж/м 3 . 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 (СО 2) 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 нм 3 СО 2 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 СО 2 превращается в «сухой лед», широко используемый для хранения пищевых продуктов.

Азот (N 2) – 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 N 2 в различных газах колеблется в значительных пределах, в биогазе его содержание может достигать 30% и более.

Кислород (О 2) - газ без цвета, запаха, вкуса, не горит, но поддерживает горение. Масса 1 нм 3 кислорода составляет 1,43 кг. В присутствии влаги активно развивает коррозию трубопроводов, арматуры и оборудования.

Сероводород (Н 2 S) - бесцветный горючий газ с характерным запахом тухлых яиц. Как сам сероводород, так и продукт его сгорания - сернистый газ (SO 2) - весьма токсичны.

В поступающем потребителю природном газе величина выпадающей серы (по нормам) не должна превышать 2 г/ 100 м 3 .

Сконденсировавшаяся на устье скважины вода, поступающая с газом, растворяя Н 2 S, 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 воды содержатся 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 1м 3 добытого газа приходится до 500 см 3 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 С 5+)

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 м 3 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 м 3 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/м 3 , также газы относят к жирным газам.

Теплота сгорания тяжелых углеводородов (жирных газов) 9000-10000 ккал/ м 3 . Метан сопровождают нефтяные запасы, особенно на больших глубинах. Добывают газ через газовую скважину.