Все углеводородные газы в реальных условиях содержат водяной пар. Его количество при заданных температуре и давлении газа строго определенно. Насыщение газов водяным паром возможно до предельного давления, равного упругости насыщенного пара при заданной температуре. Различают абсолютную и относительную влажность газов.
Абсолютная влажность газа — количество водяных паров в единице объема/массы газа (соответственно, абсолютная объемная, г/м3,/абсолютная массовая влажность, г/кг).
Относительная влажность газа φ (степень насыщения газа водяными парами), доля единицы или процент, — отношение фактически содержащегося в газе количества водяною пара к максимально возможному при заданных температуре и давлении.
Относительную влажность газа можно выразить через отношение парциального давления pi находящегося в газе водяного пара к давлению рнас насыщенного пара при той же температуре, т.е. φ = pi/рнас. Для воздуха (при атмосферном давлении), насыщенного водяным паром (φ = 1), абсолютная объемная влажность и упругость паров в зависимости от температуры приведены в табл. 2.11.
На практике и для других газов, если они находятся под давлением, близким к атмосферному, также можно пользоваться данными табл. 2.11. Для углеводородных газов отклонение от табличных данных тем больше, чем выше в них содержание углерода.
Сжиженные газы (жидкости) способны растворять некоторое количество воды, увеличивающееся с повышением температуры. Например, для жидкой фазы пропана справедлива эмпирическая зависимость, приведенная в табл. 2.12.
Содержание воды в 1 кг паров углеводородов значительно превышает таковое в 1 кг жидкости. Следовательно, при наличии в сжиженных углеводородах воды в растворенном виде она будет достаточно интенсивно переходить из жидкой фазы в паровую фазу (табл. 2.13).
Этими данными с достаточной для практики точностью можно руководствоваться и для других углеводородов, а также для их смесей.
Влага в сжиженных углеводородных газах сильно осложняет эксплуатацию систем газоснабжения из-за образования конденсата. Водяные пары, находящиеся в газе, переходят в жидкое состояние, а затем — в лед. Конденсат сжиженного газа и ледяные пробки могут закупоривать газопроводы, клапаны регуляторов давления, запорную арматуру. Кроме того, углеводороды с водой образуют кристаллогидраты, которые также приводят к закупорке газопроводов. Для предотвращения образования ледяных пробок и кристаллогидратов необходимо выполнение условия φ < 0,6 при низшей расчетной температуре.
Кристаллогидраты — кристаллические тела, похожие на снег или лед (в зависимости от условий их образования). Так, метан с водой образует гидрат СН4•7Н2O, этан — С2Н6•8Н2O, пропан — С3H8•18Н2O. Гидраты возникают при температуре, значительно превышающей температуру образования льда. Однако каждый углеводород характеризуется максимальной температурой, выше которой ни при каком повышении давления нельзя вызвать гидратообразование — критической температурой гидратообразования (табл. 2.14). Чем тяжелее углеводородный газ, тем скорее он в присутствии влаги образует гидрат. Высокая скорость и турбулентность потока, пульсация компрессора, быстрые повороты и другие условия, усиливающие перемешивание смеси, также способствуют возникновению гидратов.
Конденсат образуется при понижении температуры воздуха или грунта ниже определенного уровня отрицательных температур. Его образование зависит также от состава сжиженных газов и соответственно от упругости паров. Пары пропана при низком давлении (до 5 кПа) образуют конденсат, когда их температура понижается до -42°С, а н-бутана — до -0,5°С. Смесь паров пропана и н-бутана (например, ПБА) образует конденсат уже при температуре -21°С (при избыточном давлении 0,3 МПа конденсация смеси наступает при 10°С).
Конденсация паров сжиженных углеводородов наблюдается в надземных газопроводах, проложенных без специального подогрева и утепления, а также в газопроводах среднего и высокого давления на газонаполнительных станциях и в резервуарных установках.
Для предупреждения конденсации паров и закупорки газопроводов необходимо выполнять ряд мер:
- использовать сжиженные газы с повышенным содержанием технического пропана;
- прокладывать газопроводы низкого давления под землей, в зоне положительных температур грунта;
- устраивать конденсатосборники в низких точках подземного газопровода;
- делать минимальными по протяженности и утеплять цокольные вводы газопроводов в здания;
- прокладывать в необходимых случаях надземные газопроводы с обогревающими спутниками в обшей тепловой изоляции;
- делать минимальными газопроводы высокого давления резервуарных установок;
- предусматривать при их прокладке возможность беспрепятственного стока конденсата в резервуар.
Образовавшиеся углеводородные гидраты можно разложить подогревом газа, снижением его давления или вводом веществ, уменьшающих упругость водяных паров и тем самым понижающих точку росы газа. Чаще всего в этих целях применяется метанол (метиловый спирт). Его пары с водяными парами образуют растворы, переводящие водяные пары в конденсат, который выделяется из жидкой фазы (температура замерзания спирто-водного раствора значительно ниже, чем воды). Этот раствор затем удаляют вместе с тяжелыми остатками.
Таблица 2.11. Упругость водяных паров и влагосодержание в состоянии насыщения.
Температура, °С | Упругость водяных паров, кПа | Влагосодержание, г/м3 |
-30 | 0,037 | 0,33 |
-29 | 0,041 | 0,37 |
-28 | 0,048 | 0,41 |
-27 | 0,051 | 0,46 |
-26 | 0,057 | 0,51 |
-25 | 0,063 | 0,55 |
-24 | 0,070 | 0,60 |
-23 | 0,074 | 0,66 |
-22 | 0,086 | 0,73 |
-21 | 0,100 | 0,80 |
-20 | 0,103 | 0,88 |
-19 | 0,113 | 0,96 |
-18 | 0,125 | 1,05 |
-17 | 0,138 | 1,15 |
-16 | 0,151 | 1,27 |
-15 | 0,166 | 1,38 |
-14 | 0,182 | 1,51 |
-13 | 0,200 | 1,65 |
-12 | 0,218 | 1,80 |
-11 | 0,238 | 1,96 |
-10 | 0,260 | 2,14 |
-9 | 0,284 | 2,33 |
-8 | 0,309 | 2,54 |
-7 | 0,337 | 2,76 |
-6 | 0,368 | 2,99 |
-5 | 0,401 | 3,24 |
-4 | 0,437 | 3,51 |
-3 | 0,476 | 3,81 |
-2 | 0,517 | 4,13 |
-1 | 0,563 | 4,47 |
0 | 0,611 | 4,84 |
1 | 0,657 | 5,22 |
2 | 0,705 | 5,60 |
3 | 0,758 | 5,98 |
4 | 0,813 | 6,40 |
5 | 0,872 | 6,84 |
6 | 0,934 | 7,30 |
7 | 1,001 | 7,80 |
8 | 1,073 | 8,30 |
9 | 1,148 | 8,80 |
10 | 1,228 | 9,40 |
11 | 1,312 | 10,00 |
12 | 1,402 | 10,70 |
13 | 1,497 | 11,40 |
14 | 1,598 | 12,10 |
15 | 1,705 | 12,80 |
16 | 1,817 | 13,60 |
17 | 1,937 | 14,50 |
18 | 2,063 | 15,40 |
19 | 2,197 | 16,30 |
20 | 2,338 | 17,30 |
21 | 2,486 | 18,30 |
22 | 2,643 | 19,40 |
23 | 2,809 | 20,60 |
24 | 2,983 | 21,80 |
25 | 3,167 | 23,00 |
26 | 3,360 | 24,40 |
27 | 3,564 | 25,80 |
28 | 3,779 | 27,20 |
29 | 4,004 | 28,70 |
30 | 4,242 | 30,30 |
31 | 4,492 | 32,10 |
32 | 4,754 | 33,90 |
33 | 5,029 | 35,70 |
34 | 5,319 | 37,60 |
35 | 5,623 | 39,60 |
36 | 5,940 | 41,80 |
37 | 6,274 | 44,00 |
38 | 6,624 | 46,40 |
39 | 6,990 | 48,70 |
40 | 8,307 | 51,20 |
45 | 9,582 | 65,40 |
50 | 10,344 | 83,00 |
55 | 15,729 | 104,30 |
60 | 19,915 | 130,00 |
65 | 24,994 | 161,00 |
70 | 31,152 | 198,00 |
75 | 38,537 | 242,00 |
80 | 47,335 | 293,00 |
85 | 57,799 | 354,00 |
90 | 70,089 | 424,00 |
95 | 84,499 | 505,00 |
100 | 101,308 | 598,00 |
Таблица 2.12. Растворимость воды в жидкой фазе пропана.
Температура пропана, °С | Количество растворенной воды, мас. % |
0 | 0,06 |
5 | 0,09 |
10 | 0,11 |
15 | 0,155 |
20 | 0,21 |
25 | 0,27 |
35 | 0,41 |
40 | 0,52 |
Таблица 2.13. Содержание воды в жидкой и паровой фазах пропана.
Температура, °С | Отношение массового процентного содержания воды в парах к процентному содержанию в жидкости |
5 | 8,2 |
10 | 7,1 |
15 | 6,3 |
20 | 5,7 |
25 | 5,2 |
35 | 4,3 |
40 | 4,1 |
Таблица 2.14. Условия образования гидратов в пропане.
Температура, °С | Давление, МПа |
-11,9 | 0,10 |
-9,0 | 0,12 |
-6,3 | 0,13 |
-5,6 | 0,14 |
-3,3 | 0,15 |
-1,0 | 0,17 |
1,7 | 0,24 |
2,3 | 0,27 |
3,3 | 0,34 |
4,4 | 0,41 |
5,5 | 0,48 |