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液化石油气的物理特性
液化石油气的物理特性
一、液化石油气的状态参数
液化石油气所处的状态,是通过压力、温度和体积等物理量来反映的,这些物理量之间彼此有肯定的内在联系,称为状态参数。
1.压力
压力是一物体垂直匀称地作用于另一物体壁面单位面积上力的量度。
物理上用物体单位面积上受到的垂直压力来表示,称为压强,用符号p表示。
p=F/A(1-2-1)式中p——压强,Pa;
F——匀称垂直作用在容器壁面的力,N;
A——容器壁面的总面积,m2。
由于在工程实际中习惯地将压强称作压力,因此,本书中后面提到的压力,即指压强。
测量压力有两种标准方法:
一种是以压力等于零作为测量起点,称为肯定压力,用符号“P绝”表示;另一种是以当时当地的大气压力作为测量起点,也就是压力表测量出来的数值,称为表压力,或称相对压力,用符号“P表”表示。
液化石油气储灌工艺所讲的压力都是指表压力。
肯定压力与表压力之间的关系为
肯定压力=表压力+当时当地大气压力
(1)压力的单位我国现行的法定压力计量单位是国际单位制导出的压力单位,即:
帕斯卡(Pa),1Pa=1N/m2。
由于帕斯卡的单位太小(如:
一粒西瓜子平放时对桌面的压力约为20Pa,在实际中常使用兆帕斯卡(MPa)、千帕斯卡(kPa)。
其关系为
1MPa=103kPa=106Pa
(2)压力单位的换算在实行国际单位制以前,我国惯用的压力单位有:
标准大气压、工程大气压、毫米汞柱、毫米水柱及英制压力单位等,其与法定单位的换算关系,见表1-2-4。
表1-2-4压力单位换算
千克力每平方厘米/(kgf/m2)
帕斯卡/Pa
巴/bar
毫米汞柱/mmHg
磅力每平方英寸/(1bf/in2)
毫米水柱/mmH2O
1
9.81×104
0.981
735.6
14.22
104
1×10-5
1
10-5
7.5×10-3
145×10-6
0.102
1.02
105
1
750
14.5
1.02×104
1.36×10-3
133.3
1.333×10-3
1
19.34×10-3
13.6
70.3×10-3
6.89×103
6.89×10-2
51.71
1
703
10-6
9.81
9.81×10-5
7.356×10-2
1.422×10-3
1
2.温度
温度是物质分子进展热运动的宏观表现,它是对物体冷热程度的量度。
测量温度的标尺称为温标。
温标的规定是选取某物质两个恒定的温度为基准点,在此两点之间加以等分,来确定温度单位尺度,称为度。
由于对两个基准点之间所作的等分不同,因此消失了不同的温度单位。
常用的有以下几种。
①摄氏温标(℃),摄氏度温标又称XX温标,是瑞典人摄尔休斯最先提出的;
②华氏温标(°F),华氏温标是德国人华伦海特最早提出的;
③开氏温标(K),开氏温度又称肯定温度,是英国人开尔文最先提出的。
上述3种温标的相互关系,如图1-2-1所示。
图1-2-13种温标的关系 3种温标的相互关系用公式表示为:
3.体积
体积是指肯定数量的物质占据空间位置的大小。
由于气体总是要布满所盛装的容器,所以气体的体积由盛装容器的容积来打算。
常用的体积单位是m3(立方米)和L(升)。
1m3=1000L
二、液化石油气的物理特性
1.比体积、密度和相对密度
(1)比体积是指单位质量的某种物质所占有的体积,用符号υ表示,其表达式为:
式中υ——某种物质的比体积,m3/kg;
V——该物质的体积,m3;
m——该物质的质量,kg。
(2)密度是指单位体积的某种物质所具有的质量。
由于液化石油气的生产、储存和使用中常常呈现气态和液态两种状态,因此,液化石油气的密度就有气体的密度和液体的密度两种之分。
①液化石油气气体的密度。
其单位是以kg/m3表示。
它随着温度和压力的不同而发生变化。
因此,在表示液化石油气气体的密度时,必需规定温度和压力的条件。
一些碳氢化合物在不同温度及相应饱和蒸气压下的密度见表1-2-5。
表1-2-5一些碳氢化合物在不同温度及相应饱和蒸气压下的密度/(kg/m3)
温度/℃
丙烷
正丁烷
异丁烷
-15
6.4
1.06
2.50
-10
7.57
1.85
3.04
-5
9.05
2.10
3.59
0
10.34
2.82
4.31
5
11.90
3.35
5.07
10
13.60
3.94
5.92
15
15.51
4.65
6.95
20
17.74
5.39
7.94
25
20.15
6.18
9.21
30
22.80
7.19
11.50
35
25.30
8.17
13.00
40
28.60
9.33
14.70
45
34.50
10.57
16.80
50
36.80
12.10
18.94
55
40.22
12.38
20.56
60
44.60
15.40
24.20
从表1-2-5中可以看出,气态液化石油气的密度随着温度及相应饱和蒸气压的上升而增加。
在压力不变的状况下,气态物质的密度随温度的上升而削减,在101.3kPa下一些气态碳氢化合物的密度见表1-2-6。
上一页123下一页
表1-2-6一些气态碳氢化合物在101.3kPa下的密度/(kg/m3)
温度/℃
甲烷
乙烷
乙烯
丙烷
丙烯
正丁烷
异丁烷
1-丁烯
0
0.7168
1.3562
1.2604
2.02
1.9149
2.5985
2.6726
2.503
15
0.677
1.269
1.184
1.861
1.766
2.452
2.442
2.369
②液化石油气液体的密度。
以单位体积的质量表示,即kg/m3。
它的密度受温度影响较大,温度上升密度变小,同时体积膨胀。
由于液体压缩性很小,因此压力对密度的影响也很小,可以忽视不计。
由表1-2-7可以看出,液化石油气液态的密度随温度上升而削减。
(3)相对密度由于在液化石油气的生产、储存和使用中,同时存在气态和液态两种状态,所以应当了解它的液态相对密度和气态的相对密度。
①液化石油气的气态相对密度。
是指在同一温度和同一压力的条件下,同体积的液化石油气气体与空气的质量比。
求液化石油气气体各组分相对密度的简便方法,是用各组分的相对分子质量与空气平均相对分子质量之比求得,由于在标准状态下1mol气体的体积是一样的。
液化石油气气态的相对密度见表1-2-7。
表1-2-7液化石油气液态的密度/(kg/m3)
温度/℃
丙烷
正丁烷
异丁烷
丙烯
丁烯
-15
548
615
600
567
634
-10
542
611
594
561
629
-5
535
605
588
552
624
0
523
600
582
545
619
5
521
596
576
538
612
10
514
591
570
531
606
15
507
583
565
524
600
20
499
578
560
25
490
573
553
30
483
568
546
35
474
562
540
40
464
556
534
45
451
549
527
50
446
542
520
表1-2-8液化石油气气态的相对密度(0℃,101.3kPa)
名称
分子式
相对分子质量
空气平均相对分子质量
相对密度
丙烷
C3H8
44
29
1.517
丁烷
C4H10
58
29
2.000
丙烯
C3H6
42
29
1.448
丁烯
C4H8
56
29
1.931
戊烯
C5H12
72
29
2.483
从表1-2-8中可以看出液化石油气气态比空气重1.5~2.5倍。
由于液化石油气比空气重,因此,一旦液化石油气沉着器或管道中泄漏出来,它不像相对密度小的可燃气体那样简单挥发与集中,而是像水一样往低处流淌和滞存,很简单到达爆炸浓度。
因此,用户在安全使用中必需充分留意,厨房不应过于狭窄,通风换气要良好。
液化石油气储存场所不应留有井、坑、穴等。
对设计的水沟、水井、管沟必需密封,以防聚积,引起火灾。
②液化石油气的液态相对密度。
指在规定温度下液体的密度与规定温度下水的密度的比值。
它一般以20℃或15℃时的密度与4℃或15℃时纯水密度的比值来表示。
液化石油气的液态相对密度,随着温度的上升而变小,见表1-2-9。
表1-2-9液化石油气液态各组分相对密度
温度/℃
丙烯
丙烷
正丁烷
异丁烷
1-丁烯
-20
0.573
0.544
0.621
0.603
0.641
-10
0.559
0.541
0.611
0.592
0.630
0
0.545
0.528
0.601
0.581
0.619
10
0.530
0.514
0.590
0.569
0.607
20
0.513
0.500
0.578
0.557
0.595
从表1-2-9中可看出,在常温下(20℃左右),液化石油气液态各组分的相对密度约为0.5~0.59之间,接近为水的一半。
当液化石油气中含有水分时,水分就沉积在容器的底部,并随着液化石油气一起输送到用户,这样,既增加了用户的经济负担,又会引起容器底部腐蚀,缩短容器的使用期限。
因此,液化石油气中的水分要常常从储罐底部的排污阀放出。
2.体积膨胀系数
绝大多数物质都具有热胀冷缩的性质,液化石油气也不例外,受热会膨胀,温度越高,膨胀越厉害。
膨胀的程度是用体积膨胀系数来表示的。
所谓体积膨胀系数,就是指温度每上升1℃,液体增加的体积与原来的体积的比值。
液体的体积随温度上升的膨胀量可用式(1-2-3)计算。
V2=V1[1+α(t2-t1)]式中V1、V2——液体在温度t1、t2时的体积,m3;
α——液体温度由t1至t2时的平均体积膨胀系数,1/℃,见表1-2-10。
表1-2-10液化石油气组分及水的体积膨胀系数/℃-1
温度/℃
丙烷
丙烯
正丁烷
异丁烷
1-丁烯
水
0~10
0.00265
0.00283
0.00181
0.00233
0.00198
0.0000299
10~20
0.00258
0.00313
0.00237
0.00171
0.00206
0.00014
20~30
0.00352
0.00329
0.00173
0.00297
0.00214
0.00026
30~40
0.00340
0.00354
0.00227
0.00217
0.00227
0.00035
40~50
0.00422
0.00389
0.00222
0.00266
0.00244
0.00042
由表1-2-10可知,液化石油气液体的体积膨胀系数比水大十几倍,且随温度的上升而增大,因此,液化石油气在充装作业中必需限制充装量。
3.体积压缩系数
对于满液的容器,当温度上升时,液体的体积会膨胀,但由于受到容器容积的限制,液体将会受到压缩。
体积压缩系数是指压力每上升1MPa时液体体积的减缩量。
液化石油气(65%丙烷牛35%异丁烷)的体积膨胀系数、体积压缩系数及其比值见表1-2-11。
表1-2-11液化石油气体积膨胀系数、体积压缩系数及其比值
温度/℃
体积膨胀系数/℃-1
体积压缩系数/MPa-1
比值/(MPa/℃)
0
0.00215
0.00107
2.01
10
0.00228
0.00116
1.97
20
0.00246
0.00126
1.95
30
0.00266
0.00138
1.93
40
0.00292
0.00151
1.93
50
0.00326
0.00168
1.84
60
0.00313
0.00187
1.99
由表1-2-11可以看出,体积膨胀系数和体积压缩系数的比值一般为1.8以上,这说明假如不考虑容器本身由于温度和压力的上升而产生的容积增量,则容器在满液状况下,温度一旦上升,就使得容器内压力急剧上升。
4.饱和蒸气压
自然界中的物质所呈现的聚拢状态,有气态、液态和固态”种,其中任何一种状态只能在肯定的条件下(温度、压力)存在。
当条件发生变化时,物质分子间的相互位置就要发生相应的变化,即表现为聚拢状态的转变。
物质的聚拢状态在热力学上称为相,如液态称为液相,气态称为气相。
在密封容器中,气相和液相到达动态平衡时的状态称为饱和状态。
在饱和状态下,液体和其蒸气处于平衡共存状态,也就是说液相蒸发成气体的速度和气相凝聚成液体的速度相等,此时气体中分子数不再增加,液体中分子数不再削减。
饱和状态时的液体称为饱和液体,饱和状态时的蒸气称为饱和蒸气,饱和蒸气所显示出来的压力称为饱和蒸气压。
在不同温度下液化石油气各种组分的饱和蒸气压见表1-2-12。
表1-2-12不同温度下液化石油气各种组分的蒸气压/MPa
温度/℃
丙烯
丙烷
正丁烷
异丁烷
1-丁烯
顺式-2-丁烯
反式-2-丁烯
异丁烯
-20
0.232
0.302
0.045
0.069
0.056
0.062
-15
0.253
0.355
0.055
0.086
0.609
0.045
0.051
0.072
-10
0.332
0.415
0.067
0.105
0.084
0.056
0.064
0.087
-5
0.391
0.486
0.082
0.126
0.103
0.070
0.077
0.106
0
0.457
0.564
0.100
0.150
0.125
0.085
0.095
0.128
5
0.533
0.562
0.121
0.179
0.149
0.103
0.115
0.152
10
0.617
0.750
0.143
0.211
0.179
0.124
0.137
0.181
15
0.711
0.857
0.171
0.247
0.211
0.148
0.163
0.213
20
0.817
0.973
0.201
0.288
0.247
0.176
0.193
0.256
25
0.933
1.11
0.235
0.335
0.289
0.207
0.227
0.291
30
1.06
1.26
0.275
0.387
0.336
0.242
0.265
0.338
35
1.20
1.42
0.318
0.433
0.388
0.282
0.307
0.391
40
1.36
1.59
0.367
0.503
0.447
0.327
0.335
0.449
45
1.52
1.78
0.421
0.579
0.512
0.376
0.408
0.514
50
1.71
1.99
0.481
0.656
0.583
0.431
0.466
0.587
由表1-2-12可以看出,液化石油气的蒸气压是随温度而变化的,温度上升,蒸气压增大。
另外液化石油气的蒸气压和组分有关,随着碳原子数的增加,蒸气压则减小。
对于液化石油气来说,常温下,容器内部液化石油气的压力总比外界大气压力大得多,所以,液化石油气肯定要在密闭的、具有足够强度的容器中储存。
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5.沸点和露点
(1)沸点在肯定的压力下,液体外表不断蒸发变为气体的过程称为汽化。
随着液体温度渐渐上升,汽化速度不断加快。
当温度到达某肯定值时,则不仅液体外表,而且内部也同时进展猛烈的汽化。
这种液体内消失上下翻滚的汽化现象称为沸腾。
液体在101.3kPa下到达沸腾时的温度称为沸点。
液体在沸腾过程中,由外界汲取的热量全部用于汽化,因而温度停留在沸点不再上升,直至液体全部变成气体为止。
液化石油气各组分在101.3kPa时的沸点见表1-2-13。
表1-2-13液化石油气各组分在101.3kPa时的沸点
温度/℃
丙烯
丙烷
正丁烷
异丁烷
1-丁烯
顺式-2-丁烯
反式-2-丁烯
异丁烯
正戊烷
沸点/℃
-42.1
-47.0
-0.5
-11.7
-6.26
3.75
0.88
-6.9
36.2
由表1-2-13可知,碳氢化合物的沸点有以下特点。
①分子中碳原子数越多,沸点越高。
如:
丙烷的沸点为-42.1℃,正丁烷的沸点则为-0.5℃。
②当碳原子数一样时,多数烷烃的沸点比烯烃的沸点高。
如:
丙烷的沸点为-42.1℃,则丙烯的沸点为-47.0℃。
③正构物的沸点比异构物的沸点高。
如:
正丁烷的沸点为-0.5℃。
则异丁烷的沸点为-11.7℃。
④沸点越低的烃越难于液化。
假如要液化它需要低的温度或者更高的压力。
⑤沸点越低的烃越简单汽化。
如:
丙烷的沸点为-42.1℃,在常温下呈气态,即使
在严冷的冬季也很简单汽化。
正戊烷的沸点为36.2℃。
即使在炎热的夏天也很难汽化。
⑥压力增大,沸点也上升。
如:
丙烷在常压下沸点为-42.1℃,而当压力增至0.82MPa时,沸点相应提高到20℃。
(2)露点是指气态液化石油气加压或冷却时,使之液化成液滴的温度。
液化石油气各组分的露点实际上是各组分液体在饱和蒸气压力下所对应的饱和温度(见表1-2-12),也是各组分液体在饱和蒸气压力下的沸点(见表1-2-13)。
露点是相对蒸气而言,沸点是相对液体而言的,两者在数值上相等。
6.汽化潜热
液态变成气态时,需要汲取热量,气态变成液态时将放出热量,这些热量只用来转变物质的状态(发生相变),而温度不发生变化,因此,称之为潜热。
汽化潜热就是在肯定温度下,肯定数量的液体变为同温度的气体所汲取的热量。
不同的液体有不同的汽化潜热,即使是同一液体,其汽化潜热也随沸点不同而发生变化。
当液体的沸点上升时汽化潜热相应削减,在临界温度时汽化潜热为零。
一些液化石油气各组分的汽化潜热值如图1-2-2所示。
表1-2-14液化石油气各组分的物理化学性质
工程
甲烷
乙烷
丙烷
正丁烷
异丁烷
分子式
CH2
C2H6
C3H8
n-C4H10
i-C4H10
相对分子质量
16.04
30.07
44.004
58.12
58.12
蒸气压/MPa0℃
—
2.43
0.476
0.104
0.107
20℃
—
3.75
0.8104
0.203
0.299
气体密度/(kg/m3)0℃
0.7168
1.3562
2.020
2.5985
2.6726
15.5℃
0.677
1.269
1.860
2.452
2.452
沸点(0.1013MPa)/℃-161.5
-88.63
-42.07
-0.5
-11.73
汽化潜热(沸点及0.1013MPa下)/(kJ/kg)569.4
489.9
427.1
386.0
367.6
临界压力/MPa4.64
4.88
4.25
3.80
3.66
图1-2-2液化石油气各组分的汽化潜热值
(上)1-甲烷;2-乙烷;3-丙烷;4-异丁烷;5-正丁烷;6-异戊烷;7-正戊烷
(下)1-异丁烯;2-乙烯;3-丙烯;4-丁烯;5-顺丁烯;6-戊烯
工程
甲烷
乙烷
丙烷
正丁烷
异丁烷
临界密度/(kg/L)
0.162
0.203
0.236
0.227
0.233
临界温度
-82.5
32.3
96.8
152.0
134.9
低热值(0.1013MPa,15.6℃)/(kg·K)液态
-
-
46099
45458
45375
气态
3427
60753
88388
115561
115268
气态比热容(0.1013MPa,15.6℃)[kJ/(kg·K)]定压
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- 关 键 词:
- 液化 石油气 物理 特性