Рецензент кандлгехн.наук В.И, Балакай

Рецензент кандлгехн.наук В.И, Балакай

Составители: Вязенова ИЛ. Нарочный Г.Б.

Определение теплотворной способности природного газа: Метод, указания к лабораторной работе по курсу «Общая химическая технология»/Юж.-Рос.гос.техн.ун-т. Новочеркасск. ЮРГТУ, 2002. 19 с.

Приведены методика проведения анализа и пример расчета низшей и высшей теплотворной способности природного газа.

Предназначены для студентов химико-технологического института всех специальностей.

€> Южно-Российский государственный технический университет, 2002 ® Вязенова И А,, Нарочный Г.Б.,2002

Предисловие

В народном хозяйстве значительная доля энергии производится нугем сжигания природного газа. Он используется для осуществления химических эндотермических процессов, производства пара, подогрева, сушки и прокаливания веществ. Около 50-60% общей потребности в природном газе идет на удовлетворение энергетических нужд. Поэтому большое внимание уделяется контролю качества природного газа. Одной из важных характеристик любого вида топлива, в том числе и природного газа, является теплотворная способность.

Теплотворная способность (теплота сгорания) топлива это количество тепоты в н-Дж, выделяемое при полном сгорании) кг топлива, г1ри сгорании газообразного топлива это количество относят к 1 м' при нормальных условиях - 273 К и давлении 101,325 кПа. Таким образом, теплота сгорания топлива представляет собой тот суммарный тепловой эффект, который дают при сгорании горючие составляющие части топлива.

Характеризуя топливо, различают его'высшую теплоту сгорания, которая является энтальпией определенного количества природного газа, полученной при полном его сгорании, если продукты сгорания изобарно охлаждаются до исходной температуры и образовавшаяся при сгорании вода находится в жидком состоянии. Низшая теплотворная способность меньше высшей на количество теплоты, выделившейся при образовании конденсата. Низшая теплота сгорания является энтальпией определенного количества природного газа, получаемой при полном его сгорании, если продукты сгорания изобарно охлаждаются до исходной температуры и образовавшаяся вода находится в парообразном состоянии

Лабораторная работа

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОТВОРНОЙ СПОСОБНОСТИ ПРИРОДНОГО ГАЗА

Цель работы: ознакомить студентов с основным способом

определения теплотворной способности природного газа при помощи калориметра Юнкерса.

Аппаратура и материалы:

- лабораторный водяной калориметр;

- водяной газовый счетчик с погрешностью не более 1%;

- горелка с головкой для нормального или высококалорийного газа;

- два термометра для измерения температуры воды с ценой деления О,ГС;

- термометр для измерения температуры отходящих газов с ценой деления ГС;

- цилиндр вместимостью 100 см³ для сбора конденсационной воды,

- цилиндры для сбора воды вместимостью 1 л;

- термометр с ценой деления 0,5°С для измерения комнатной температуры;

- барометр анероидный или ртутный;

- газ природный;

- вода водопроводная.

Пояснения к работе

Основой для определения теплоты сгорания горючего природного газа является ГОСТ 27193 - 86 [1]. Настоящий стандарт устанавливает метод определения водяным калоримефом системы Юнкерса высшей и
низшей тешют сгорания [2] Определение теплоты сгорания заключается в непрерывном сжигании в калориметре измеренного объема газа и измерении выделившейся теплоты, поглощаемой непрерывно протекающим потоком воды. На основе измеренных данных вычисляют высшую теплоту сгорания Gb природного газа

Для определения низшей теплоты сгорания (щ измеряют объем конденсата водяного пара, получаемого при сгорании газа. На основе этого вычисляют теплоту конденсации.

Схема и описание установки

i

Природный газ по трубопроводу 1 подается через регулировочный кран 2 и газовые часы 3 в горелку 4 калориметра. Калориметр состоит из двух металлических цилиндров 5,6, вставленных в кожух 7. Внутренний цилиндр 5 является камерой сгорания. Продукты сгорания поднимаются вверх, затем опускаются по теплообменным трубкам Я, омываемым водой, и через патрубок 9, снабженный заслонкой 10, регулирующей скорость движения продуктов сгорания, выходят наружу. Температура продуктов сгорания измеряется термометром 22. Часть водяного пара из продуктов сгорания конденсируется в трубках и выводится через трубку 1 ] в мерный цилиндр 12. Вода из водопровода 13 через вентиль 14 поступает в напорный бак 15. Избыток воды сличается в канализацию. Вода поступает в калориметр, омывает термометр i6 и по трубке 17 поступает в нижнюю часть межтрубного пространства, затем поднимается между теплообменными трубками 8, собирается в камере смешения 18 и, омывая термометр 19, через кран 20 направляется в канализацию или в мерный цилиндр 21.

Рис.1. Схема установки для определения теплотворной способности газа с использованием калориметра Юнкерса

Выполнение работы

При подготовке к определению теплотворной способности газа необходимо предварительно убедиться, что установка собрана согласно

схеме. Кран 20 устанавливается в положение "канализация", затем производится наполнение калориметра водой. Для этого осторожно открываю! кран 14 на водопроводе и убеждаются в том, что вода вытекает в канализацию как из крана 20, так и из напорного бачка 15. Зажигают горелку 4. Расход газа устанавливают с помощью крана. Регулируя подачу воздуха, необходимо получить пламя с четким сине-зеленым ядром. После освобождения камеры сгорания теплообменника от воздуха горелку устанавливают в нижнюю часть теплообменника.

Расход газового и водного потоков на калориметр следует устанавливать по табл. 1.

Для определения низшей теплоты сгорания Он, при пересечении стрелкой газового счетчика нулевой отметки, сухой, предварительно взвешенный цилиндр ставят под патрубок для сбора конденсационной воды и записывают показания счетчика. Одновременно определяют и записывают параметры, приведенные в табл.2.

Для определения высшей теплоты сгорания Он, при пересечении стрелкой газового счетчика нулевой отметки, воду из теплообменника трехходовым краном направляют в сосуд для ее сбора. Во время сбора воды через равные промежутки времени и сжигании 1 дм³ проводя! 10 измерений ее температуры на входе и выходе из теплообменника с погрешностью не более 0,0 ГС; после сгорания каждых 10 дм¹ газа замеряют объем собранной воды и пересчитывают в массу с погрешностью не более 1 г Проводят три серии измерений, полученные результаты записываю! в табл. 3,4. После прохождения через теплообменник 30 дм⁴ газа трехходовый кран переключают в исходное положение.

Для измерения низшей теплоты сгорания сбор конденсата прекращают после прохождения через газовый счегчик Ш дм газа и

взвешивают измерительный цилиндр и конденсат с погрешностью не

более 0,5 г.

После прекращения испытания необходимо отсоединить от теплообменника газовую горелку, после чего отключить газ и воду.

Значения величин, полученных по температурам воды на входе и выходе из калориметра в каждой серии измерений, используют для вычисления среднего арифметического значения температур с учетом поправки термометра.

Таблица 1

Параметр	Диапазон значений	Оптимальное значение
Повышение
температуры воды
(разность между
температурой воды на
1 входе и выходе из
калориметра), °С	От 10 до 12
Номинальная
термическая нагрузка
калориметра,
МДж'ч	От 3,8 до 4,6	4,2
Разность температур
выходящего из
калориметра газа и
воды, входящей в него.
•С ...	От 0 до 2,5	1,5 !

Параметр	Обозначение	Погрешность измерения
Атмосферное давление		.............. -j
воздуха по барометру',		.. | |
Па	Р*	• i 5! |
Температура на
термометре барометра.
°С	тб	+ 0,5
Давление газа в газовом
счетчике, Па	Рг=260	+ 10
Температура газа в
газовом счетчике, ’’С	Т.-	-t- 0,5

Обработка результатов

Высшую теплоту сгорания испытуемого газа при температуре 20°С и давлении 101,325 к Па вычисляют по формуле

4,187я»Е_

G„2(fC = — Л,

V..f_rKlQ00

где 4,187 - удельная теплоемкость воды, Дж г ■ °С; тв - масса собранной воды, г;

tcp - средняя разность температур воды на входе и выходе из калориметра,

"С;

Vi - объем газа, сгорающий во время сбора воды, измеренный газовым счетчиком, дм';

Гц - коэффициент поправки калориметра для высшей теплоты сгорания, ранный Он р/Ои к., здесь Св.р. - расчетное значение определенное но I ОСТ

23781-83, Gbx. - практически определенное значение с использованием

газа, содержащего не менее 80% метана, f_B ~ 3,56;

fr - коэффициент поправки к показаниям газового счетчика, равный 1;

К - коэффициент приведения объема газа к условиям температуры 20°С и давлению 101,325 кПа, вычисляют по формуле

К ²⁹²' (^рб + ^Рг ' ^рй) (273 +1?) -101,325

здесь t> - температура газа в т азовом счетчике, °С;

Рг - давление газа в газовом счетчике Рг- 0,26 кПа;

Ре - парциальное давление водяного пара в состоянии насыщения при температуре газа в газовом счетчике, кПа (прил. 1);

Рб - барометрическое давление, кПа; находят по показаниям барометра с учетом поправок на температуру и высоту по формуле

Рб = Рб.о - 8t ±8_Ь

где Рб.о - барометрическое давление, отсчитываемое по барометру, кПа;

8t - поправка к показаниям барометра в зависимости от температуры (прил.

2);

5ь - поправка к показаниям барометра в зависимости от разности высот местонахождения барометра и калориметра, кПа.

Поправку на высоту вводят, когда разность высот между’ калориметром и барометром больше 10 м. Значение поправки прибавляют, если барометр находится выше калориметра, и вычитают, если - ниже

/

Низшую теплоту сгорания испытуемого газа G,, при температуре 20^иС и давлении 101,325 кПа вычисляют по формуле

где 2,454 теплота конденсации воды при температуре 20°С и давлении 10!,325 к Па, кДж-' г- "С; in* - масса конденсата, г,

V/ д - объем газа, сгорающий за время сбора конденсата, измеренный газовым счетчиком, дм

4 - коэффициент поправки калориметра для низшей теплоты сгорания, равный, Gh.i>/Gh.k., здесь G_H р - расчегное значение, определяемое по ГОСТ 22667-82, Ghx - экспериментально определенное значение с использованием контрольного газа с содержанием метана не менее 80%,

f_ff = 3,9.

Результаты отдельных значений высшей и низшей теплоты сг орания газа округляют до 0,005 МДж/м", конечный результат (среднее значение) округляют до 0,05 МДж/м За результат испытания высшей теплоты сгорания газа принимают среднее арифметическое результатов трех параллельных определений, допускаемые отклонения которых от среднего не должны быть больше значений, приведенных ниже:

- высшая теплота сгорани - допускаемые отклонения от среднего

25,00 МДж /м⁵; 0,25 МДж /м³;

- свыше 25,00 МДж /я* 1 %.

Теплоту сгорания газа при температуре 20°С и давлении 101,325 кЛа на теплоту сгорания при температуре 0 °С и давлении 101,325 кНа пересчитывают по формулам:

С.«0°С С»_В20°С-1,073; G»?0^UCI 073

Пример вычисления низшей и высшей теплоты сгорания природного газа

Экспериментальные данные:

-комнатная температура 1к 20,8'С;

«температура барометра % = 21 ^с'С:

-температура газа в газовом счетчике t; -18,2°С;

-температура отходящего газа tor - 22°С.

-давление газа в газовом счетчике Pi - 0.26 кПа;

-парциальное давление водяного пара Р_в ~ 2,09 кПа;

-отсчитываемое значение барометра Р_г,,₀ 102.9 кПа;

-поправка барометра на температуру б₍ - - 0.35 кПа -поправка барометра на высоту ~ 0:

-атмосферное давление, с учетом поправок Р,_; - 102.55 кПа; -коэффициент приведения объема к условиям температуры 20"С и давлению 101,325 кПа, К - 1.040;

-погрепшость газового счетчика F = -0,42%;

-коэффициент газового счетчика fr =!;

-масса конденсата 24,77г.

Результаты замера температур воды на входе и выходе из калориметра заносят в табл.З.

Результаты замера массы собранной в ходе опыта воды заносят в табл.4.

По результатам, представленным в табл.З и 4 производят расчеты, пример которых приведен ниже.

измерения	tax	tBHX	(вх	tBblX	tRX	tUbIX j
	17,21	27,12	37,29	27,23	17,36	2.7.34 i
	17,22	i “У 2/Лз	17,29	27,24	l^7,37	27,36 |
	17,23	27,14	17,30	27,25	17,38	27,37
	17,24	27,15	17,30	27,26	(7,39	27,38
	17,25	27,16	17,31	27,27	17,40	27,39
	17,26	27,17	17,32	27,28	17,41	27,41
п	17,26	27,18	17,33	27,29	17,42	27,42
	17,27	27,19	17,34	27,30	17,43	27,43
	17,28	21.21	17,34	27,31	17,44	27,44
	17,29	27 22	17,35	27,33	17,45	27,45

Таблица 3

Номер

Температура воды на входе и выходе калориметра, °С

\ \

Таблица 4

№	Масса собранной воды, г	|
ИЗМ	1 определение	2 определение	3 определение j |
1.			275 |
2.	260,9		280 j
Л.			295 i
			270 |
5.			290 j
6.			270 j
			280 j
К			270!

Продолжение табл.4

К»	Масса собранной воды, г
изм	1 определение	2 определение	3 определение
9.
10.	Too - —............................................................................ -

Расчеты

Сумма 1вх и 1вых от 1 до 10, °С 172,51 271,67 173,17 272,76 174,05 273,99 Средние значения, °С 17,25 27,17 17,32 27,28 17,41 27,40

Поправка термометра tex, °С -0,01 и (вых, °С -0,02

Среднее значение с учетом поправки для каждого измерения

17,24 27,15 17,31 27,26 17,40 27,38

Разность температур воды М, °С 9,91 9,95 9.98

Масса собранной воды шв.г

2780,9 2802 2790

Объем газа, сгораемый во время сбора воды V_r, дм⁵

10 10 10

Коэффишент поправки калориметра для высшей теплоты сгорания f_B

3,56 3,56 3,56

Высшая теплота сгорания Св20°С, МДж/м'

39.490 39,955 39,905

Среднее значение высшей теплоты сгорания, МДж/м

39,75

Масса конденсата гпк- г 24,77

Объем газа, сгораемый за время сбора конденсата V.., дм³ 30

Коэффициент поправки калориметра для низшей теплоты сгорания f _н

3,90

Низшая теплота сгорания газа G_H 20°С, МДж/м¹ 35,95

Конечные результаты

Среднее значение высшей теплоты сгорания 39,75

Низшей теплоты сгорания 35,95

Расчетные формулы

293 • (102,55 ~ 026 + 2,09).....

А =-------- —:------ —-----:—= 1,040.

(273 +18,2)-101,325

10-1-1,04 1000 ^

G&* _w,_{9955МДж ы}

10-1-1,04-1000

Ge3 =^⁷-²⁷⁹⁰-1⁹^-3,56 = 39,905_№ Ы 10-1-1,04-1000

Отклонение от среднего рассчитанных значений высшей и низшей теплоты

сгорания:

_ 39,490+39,955+39,905 s

Cm = — -- г---------------------- =39,75МДж /м³;

1.0,26 - 0,65 %.

2.0,205 -0,52%,

3. 0,155 -0,39%.

Полученные значения высшей теплоты сгорания имеют отклонение от среднего не более 1%, следовательно, можно принять Gb “ 39,75 МДж/м'

Г39 750 2 4*4-24 77^

Gh = —- ’— ■ -3,9 = 35,95МЦж/..яг'.

v 3,56 30-1-1,04)

Пересчет к 0°С

Gb=Gb при 20^ЛС -1,073=42,65 МДж;

Gh-Gh при 20°С 1,073=38,55 МДж.

Контрольные вопросы

1. Схема установки и методика проведения опыта

2. Что такое теплотворная способность природного газа?

{Низшая и высшая теплотворная способность природного газа.

4. Тепловой баланс горения природного газа в калориметре Юнкерса.

5. Как изменялась структура сырьевой базы по мере развития азотной промышленности в нашей стране?

6. В чем преимущества природного газа перед другими видами природного сырья?

7. Почему необходима очистка природного газа от сернистых соединений и как она осуществляется'?

8. Технологические режимы конверсии природного газа.

9. Катализаторы конверсии метана.

Библиографический список

1. ГОСТ 27193-86. Газы горючие природные. Метод определения теплоты сгорания водяным калориметром.-М.,1987.

2. Технический анализ / Годовская К.И., Рябина Л.ВНовик Г.Ю, и др.-М.: Высш. шк., 1972.-480с.

3. Берль-Лунге, Справочник по основной химической промышленности. Ч. i, Ленинград, 1937

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Парциальное давление водяного пара в состоянии насыщения

%	Рв,кПа	tr	Рв, к11а	tr	Рв, кПа
	0,61		1,23		2,33
I	0.66		1,31		2,48
	0,71	1 О 14,	1,40		2,64
	0.76	В	1,50		2,81
	0,81		1,60		2.99
	0.87		1,70		3,17
	0,93		1,81		3,36
	1,00		1,93		3,56
	3,07		2,06		3.77
	U5		2,20		4,00

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Поправки к показаниям барометра 8t в зависимости от температуры

			Показания барометра, к11а
	93,3	94,6	96,0	97,3	98,6	100,0	101,3	102,6	104,0
	0,15	0,16	0,16	0,16	0,16	....... “| 0,16	0,16	0.16	0.17.
	0.17	0,17	0,17	0,17	0,17	0,18	0,18	0.19	0.19
	0,19	0,19	0,19	0,19	0,19	0.20	0,20	0,20	0,20
	0.20	0,20	0,20	0,20	0,20	0,21	0,21	0,21	0,21
	0 21	0,21	0,21	0.22	0.22	0.23	0.23	0,23	0.24
1 ^15	0,23	0,23	0,23	0,24	0,24	0,25	0,25	0,25	0,25
	0.24	0,24	0.25	0.25	0,25	0.26	0,26	0.27	0.27
	0,26	0,26	0.27	0.27	0,27	0,28	0,28	0,28	0,28
	0,27	0,28 j	0,28	0,28	0.28	0,29	0,29	0,29	0,29
	0,29	0,29	0.29	0,29	0.30	0,30	0.31	0,31	0,32
	0,31	0,31	0,31	0,31	0,32	0,32	0,32	0,32	0,33
	0,32	0,32	0,33	О ы U*	0.33	0,34	0,34	0,35	0,35
	0.33	0,33	0,34	0,34	0,35	0,35	0,35	0,36	0.36
	0,35	0.35	0,36	0,36	0,36	0.37	0,37	0,38	0,38
	0,36	0,37	0,37	0,38	0,38	0,39	0.39	0,40	0,40
	0,37	0,38	0,38	0,39	0,34	0,40	0,40	0,41	0.41
	0,39	0,39	0,40	0.40	0,41	0,41	0,42	0.42	0,43
	0,41	0.41	0,42	0.42	0,43	0,43	0,44	0.44	0,45
	0,43	0,43	0,43	0.44	0,44	0,45	0,46	0,40	0,47
	0,44	о,44	0,45	0,45	0,46	0,47	0,47	0,48	0,49
	0,45	0.46	0,46	0,47	0,48	0,48	0,40	0,60	0,50

Учебно - практическое издание

v ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОТВОРНОЙ СПОСОБНОСТИ

i

ПРИРОДНОГО I АЗА

Ме тодические указания к лабораторной работе по курсу «Общая химическая технология»

Составители: Ирина Андреевна Вязенова

Григорий Борисович Нарочный

Редактор А. А. Гаяикян

Темплан 2002г, Подписано в печать 15.10.2002г.Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать оперативная Неч.л. 1,16. Уч -изд. л. 1,0

Тираж 30 жз. Заказ Ш? Ч,,

Южно-Российский государственный технический университет Редакционно-издательский отдел отдел ЮРГТУ Типография ЮРГТУ Адрес университета и типографии:

46428, г.Новочеркасск, ул Просвещения, 132

Дата добавления: 2015-09-30