2.12. Влажность углеводородных газов и жидкостей. Гидратообразование

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 p_i находящегося в газе водяного пара к давлению р_нас насыщенного пара при той же температуре, т.е. φ = p_i/р_нас. 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.

Таблица 2.12. Растворимость воды в жидкой фазе пропана.

Таблица 2.13. Содержание воды в жидкой и паровой фазах пропана.

Таблица 2.14. Условия образования гидратов в пропане.