1. Co to jest gaz ziemny? Podział paliw gazowych. Od czego ten podział zależy?

Gaz ziemny - jest mieszaniną gazów pochodzenia naturalnego, którego podstawowym składnikiem palnym jest metan. Oprócz metanu w skład gazu ziemnego mogą wchodzić inne węglowodory oraz różnego rodzaju zanieczyszczenia.

W zależności od sposobu pozyskiwania, paliwa gazowe dzieli się na następujące grupy:

• Grupa I (S) - gazy sztuczne z przetworzenia paliw stałych i ciekłych oraz ich mieszaniny z gazami ziemnymi i płynnymi; grupa obejmuje trzy podgrupy: 25, 30 i 35,

• Grupa II (E, L) - gazy ziemne pochodzenia naturalnego, których głównym składnikiem palnym jest metan, grupa obejmuje pięć podgrup: Lm (GZ 25) (W_s 23,0-27,0 MJ/m³), Ln (GZ 30) (W_s 27,0-32,5 MJ/m³), Ls (GZ 35) (W_s 32,5-37,5 MJ/m³), Lw (GZ 41,5) (W_s 37,5,0-45,0 MJ/m³) (gaz ziemny zaazotowany) i E (GZ 50) (W_s 45,0-56,9 MJ/m³) (gaz ziemny wysoko metanowy),

• Grupa III (P, B) - propan i butan techniczny oraz ich mieszaniny (gazy węglowodorowe płynne C₃ - C₄)

• Grupa IV (GP) - mieszaniny gazów węglowodorowych z powietrzem

Podział na podgrupy jest ściśle związany z tzw. liczbą Wobbiego (W_s).

1. Zdefiniować i scharakteryzować LNG i Biogaz.

• LNG - (ang. Liqueied Natural Gas) - skroplony gaz ziemny, którego głównym składnikiem jest metan (ok. 89% - 95%). Jest magazynowany i transportowany w temp. - 162 ^°C i pod ciemnieniem 1 atm.

• LFG - (ang. Landfield Gas) gaz wysypiskowy lub biogaz zawiera głównie ok. 50% - 65% metanu, 30% - 40% dwutlenku węgla i 5% - 10% azotu.

1. Właściwości toksyczne składników paliw gazowych.

• Tlenek węgla CO - jako gaz palny posiada właściwości wybuchowe. Tlenek węgla wchłaniany jest przez drogi oddechowe, a po przeniknięciu przez ściany pęcherzyków płucnych wiąże się z hemoglobiną, tworząc karboksyhemoglobinę, co w konsekwencji doprowadza do zmniejszenia ilości tlenu dostarczanego do tkanek. Tlenek węgla może uszkodzić ośrodkowy układ nerwowy, układ krążenia, wątrobę, nerki i inne narządy. W powietrzu pomieszczeń przemysłowych najwyższe dopuszczalne stężenie (NDS) dla CO wynosi 30mg/m³ (NDS=30mg/m³).

• Siarkowodór H₂S - gaz bezbarwny o charakterystycznym zapachu. Jest gazem silnie trującym. Gaz palny, działa silnie korodująco na metale. Dopuszczalne stężenie w atmosferze roboczej wynosi NDS=10mg/m³ Po dłuższym wdychaniu H₂S człowiek przestaje wyczuwać jego woń w skutek porażenia organów powonienia - jest to początek ostrego zatrucia. Działanie toksyczne polega na porażaniu oddychania komórkowego przez blokowanie oksydazy cytochromowej, prowadzi to do ciężkiego niedotlenienia. Hamuje też działanie innych enzymów zawierających metale oraz wiąże hemoglobinę, zakłócając transport tlenu. Siarkowodór działa bezpośrednio toksycznie na komórki nerwowe.

• Amoniak NH₃ - jest gazem o charakterystycznym ostrym zapachu. W powietrzu pali się trudno. Jest gazem toksycznym. Dopuszczalne stężenie na stanowisku roboczym NDS=20mg/m³. Wpływ na organizm ludzki w zależności od stężenia. Substancja szkodliwa, działa silnie drażniąco na błony śluzowe dróg oddechowych, oczu i na skórę. Wywołuje przykre uczucie pieczenia w gardle, kaszel, ślinotok, nudności, łzawienie, bóle głowy. Przy dużych dawkach mogą powstać owrzodzenia prowadzące do przebicia, po czym następuje ciężkie uszkodzenie oka, mogące doprowadzić do utraty wzroku. U osób, które przeżyły zatrucie amoniakiem powstają z reguły nieodwracalne zmiany w płucach i drogach oddechowych. Częste przebywanie w atmosferze zawierającej amoniak może doprowadzić do przewlekłych nieżytów dróg oddechowych oraz zaburzeń w trawieniu i przemianie materii. Innym zaburzeniem jest bezsenność,  budzenie się w nocy i niemożność powrotu do snu.

• Dwusiarczek węgla CS₂ - Dwusiarczek węgla jest związkiem trującym, działa szkodliwie na ośrodkowy układ nerwowy. W bardzo dużym stężeniu jego wdychanie może prowadzić do zatrzymania oddechu na skutek porażenia układu nerwowego. Długotrwałe wchłanianie dwusiarczku węgla w niższych stężeniach powoduje trwałe uszkodzenia mózgu, przejawiające się początkowo jako problemy ze snem, wrażeniem ciągłego zmęczenia i problemy z pamięcią. Dwusiarczek węgla wykazuje też działanie rakotwórcze i mutagenne.

• Dwutlenek siarki SO₂ - jest bezbarwnym gazem o ostrym, duszącym zapachu, silnie drażniącym drogi oddechowe. Dwutlenek siarki jest trujący dla człowieka, zwierząt, niektórych bakterii (własności bakteriobójcze) i pleśni, a także szkodliwy dla roślin. Dwutlenek siarki może też wywoływać astmę, skurcze i zapalenie oskrzeli. Obniża ciśnienie, a także niszczy w pokarmach witaminy A i B1. (era-zdrowia.pl)

• Cyjanowodór HCN - Po dostaniu się do organizmu, cyjanowodór tworzy z jonami żelaza(III), zawartymi w enzymach oddechowych trwałe połączenia Fe–CN, przez co blokuje proces przenoszenia tlenu z hemoglobiny do komórek. Śmierć następuje w ciągu kilku sekund.

• Tlenki azotu - spośród tlenków azotu, które występują jako zanieczyszczenia powietrza atmosferycznego największe znaczenie ma NO₂ ze względu na swoją toksyczność i stosunkowo wysokie stężenia.

Tlenek azotu (IV) NO₂ jest gazem silnie drażniącym i duszącym. Przy zatruciach ostrych, spowodowanych wysokimi stężeniami NO₂ powoduje kaszel na skutek podrażnienia krtani, łzawienie oczu i zaczerwienienie spojówek, ból i zawroty głowy. Zatrucia ostre mogą powodować zmiany zarostowe oskrzełików płucnych, prowadzące do niewydolności oddechowej, a nawet śmierci. Przy zatruciach przewlekłych występuje upośledzenie wydolności oddechowej, przewlekłe zapalenie oskrzeli i rozedma płuc.

Tlenek azotu (II) NO jest gazem drażniącym. Ze względu na "utlenianie" się w powietrzu do tlenku azotu (IV), może działać dusząco i objawy zatrucia ostrego będą analogiczne, jak w przypadku NO₂. Może wywoływać methemoglobinemię, o której świadczy pojawienie się sinicy oraz ból głowy, mdłości i wymioty

• Dwutlenek węgla CO₂ - jest gazem duszącym (nie jest toksyczny).

1. Krzywa nasycenia gazów, punkty charakterystyczne krzywej, rys. w ukł. P-T.

1. Definicje : gęstości i gęstości względnej gazu, ciepła spalania i wartości opałowej, liczby Wobbego, lepkości.

• Gęstość - stosunek masy pewnej substancji (gazu) do zajmowanej przez nią objętości.

• Gęstość względna, d - iloraz gazu i gęstości powietrza znormalizowanego w takiej samej temperaturze i przy takim samym ciśnieniu. Gęstość powietrza znormalizowanego wynosi $\rho_{\text{pow}} = 1,293\ \frac{\text{kg}}{m^{3}}$ $d = \frac{\rho}{\rho_{\text{pow}}}$

• Ciepło spalania H_s - jest to ilość ciepła wyrażona w MJ, wydzielana podczas całkowitego spalania 1m³_n gazu, przy czym woda w produktach spalania występuje w postaci cieczy, a temperatura produktów spalania równa jest temperaturze substratów (gazu i powietrza) przed spaleniem. Wartość ciepła spalania wpływa na prędkość rozchodzenia się płomienia oraz na wielkość (długość) płomienia przy spalaniu dyfuzyjnym.

• Wartość opałowa H_i - jest to ilość ciepła wyrażona w MJ, wydzielona podczas całkowitego i zupełnego spalania 1,³_n gazu, przy czym woda w produktach spalania występuje w postaci pary. Wartość opałowa jest mniejsza od ciepła spalania o wartość ciepła parowania kondensatu wykroplonego ze spalin.

• Liczba Wobbiego W_s - jest ilorazem wielkości ciepła spalania gazu H_s w MJ/m³ i pierwiastka kwadratowego z gęstości względnej d: $W_{s} = \frac{H_{s}}{\sqrt{d}}$

• Lepkość - zdolność do przenoszenia rozprężeń stycznych, na powierzchni styku elementów poruszających się z różnymi prędkościami w płynach rzeczywistych (cieczach i gazach).

1. Przemiany charakterystyczne gazu ziemnego. Krótka charakterystyka.

Przemiany odwracalne: w termodynamice rozpatrywane jako przemiany graniczne, wzorcowe. przemiany odwracalnej nie można zrealizować, ale można się do niej dowolnie zbliżyć eliminując tarcie, spadki temp. i spadki stężeń:

• Izoterma -T=const; pV=const; układ wykonuje pracę przy stałej energii wewnętrznej kosztem pobranego ciepła.

• Izobara - p=const; w tej przemianie ciepło zużywa się na zmianę energii wewnętrznej i wykonanie pracy objętościowej, tzn. równa się zmianie entalpii układu.

• Izochora - V-const; w przemianie tej wymieniane ciepło zużywa się całkowicie na zmianę energii wewnętrznej.

• Adiabata - przemiana ta zachodzi bez wymiany z otoczeniem energii wewnętrznej na sposób ciepła Q=const Wykonana praca równa się zmianie energii wewnętrznej układu.

• Politropa - dowolna przemiana gazu określona wzorem: pV^n=const; n=const.

Przemiany nieodwracalne: zachodzą zwłaszcza wtedy gdy jest gaz rzeczywisty

• Dyfuzja - proces samorzutnego rozprzestrzeniania się cząsteczek lub energii w danym ośrodku (np. w gazie, cieczy lub ciele stałym)

• Dławienie jest zjawiskiem zmniejszenia się ciśnienia płynu przy przepływie przez przeszkodę w postaci zwężenia przekroju (np. przez zawór)

1. Efekt-Joule'a-Thomsona

Efekt-Joule'a-Thomsona: zmiana temp. gazu wywołana zdławieniem w warunkach adiabatyczno-izentalpowych. Współczynnik J-T δ można uważać za miarę odchylenia gazu od stanu doskonałego, może on przybierać wartości dodatnie i ujemne. Temp. gazu rzeczywistego w trakcie dławienia izentalpowego: punkt inwersji (przejścia) δ=0 ; δ>0-maleje ;δ<0 - rośnie. ΔT/Δp=δ=f (p₁;T₁)

1. Współczynnik ściśliwości Z gazów rzeczywistych.

Współczynnik Z jako funkcja temperatury i ciśnienia charakteryzuje indywidualne własności płynów i bezpośrednio opisuje odchylenie gazów rzeczywistych od stanu doskonałego.

pV = ZRT $Z = \frac{\text{pV}}{\text{RT}} = f(T,p)\ $ Największe znaczenie praktyczne ma uogólniona, oparta na postulatach teorii stanów odpowiadających sobie, postać funkcji wyrażona poprzez parametry zredukowane Z = f(T_r, p_r). Dla gazu doskonałego zawsze Z=1 w każdych warunkach temperatury i ciśnienia.

1. Równanie wirialne stanu gazów rzeczywistych.

Równania wiralne - równanie opisujące stan gazów mające postać wielomianową, w których objętość molowa bądź ciśnienie występują jako zmienne niezależne.

1. Podstawowe równanie:

$$Z = \frac{\text{pV}}{\text{RT}} = 1 + \frac{B}{V} + \frac{C}{V^{2}} + \frac{D}{V^{3}} + \ldots = 1 + B^{'}p + C^{'}p^{2} + D^{'}p^{3} + \ldots$$

B,C,D –współczynniki wiralne, B - drugi wsp. Wiralny, C-trzeci itd.

1. Inna postać:

pV = RT + B^″p + C^″p² + D^′′p³ + …

Współczynniki wiralne zależą od rodzaju gazu i są funkcjami tylko temperatury, określonymi najczęściej wzorami empirycznymi.

B = b₀ + b₁T + b₂T² + …

Dokładność i zakres ciśnienia wzrasta z liczbą występujących w równaniu współczynników B,C,D - które ujmują odstępstwa stanu gazu rzeczywistego od stanu doskonałego.

Najbardziej istotny jest drugi współczynnik wiralny. Pozostałe współczynniki zazwyczaj są małe i dlatego dalsze wyrazy w równaniu są istotne dopiero w przypadku wysokich ciśnień.

Współczynnik B jest rosnącą funkcją temperatury przechodzącą od wartości ujemnych przez zero do wartości dodatnich.

Temperatura T_B w której B=0, nosi nazwę temperatury Boylea i jest wielkością charakterystyczną dla każdego gazu.

1. Omówić /opisać i przedstawić graficznie przebieg zmian gęstości, lepkości, prędkości przepływu i ciśnienia gazu w prostym odcinku gazociągu wysokiego ciśnienia.

W gazociągach wysokiego ciśnienia następuje izotermiczne zwiększenie objętości, a więc zwiększenie prędkości przepływu i związane z tym zwiększenie oporów tarcia.$\ p_{x} = \sqrt{p_{1}^{2} - \frac{L_{x}}{L}(p_{1}^{2} - p_{2}^{2})}$

1. Krzywa spadku ciśnienia w gazociągu wysokiego ciśnienia.

Zależność określająca wartość ciśnienia w dowolnym punkcie gazociągu prostym, położonym horyzontalnie, pomiędzy punktami 1 i 2: $p_{x} = \sqrt{p_{1}^{2} - \frac{L_{x}}{L}(p_{1}^{2} - p_{2}^{2})}$ ciśnienie w odległości Lx od początku, p1- ciśnienie na początku gazociągu, p2- ciśnienie na końcu gazociągu.

1. Powstawanie hydratów i wytrącanie się kondensatów w transporcie gazu.

Transport gazu wraz z wykroploną wodą lub kondensatem węglowodorowym stwarza możliwość tworzenia się hydratów.

Hydrat gazowy jest to substancja składająca się z cząsteczek wody w fazie lodu (cząsteczki „gospodarza”),tworzących struktury klatkowe w warunkach podwyższonego ciśnienia i/lub obniżonej temperatury, w których wnętrzu znajduje się cząsteczka gazu tzw. „gość”. Cząsteczka gazu wewnątrz klatki lodowej ma zadanie stabilizujące sieć krystaliczną wody oddziałując na nią poprzez siły międzycząsteczkowe Van der Waalsa. Stąd też tworzenie hydratów może zachodzić w temperaturach znacznie przekraczających temperaturę krzepnięcia wody. Zawartość gazu uwięzionego w hydracie jest porównywalna z CNG w temperaturze 0 °C i 16 MPa. Taka kompresja gazu skłania do zastosowania hydratów jako metody transportu gazu ziemnego. Zjawisko hydratacji dotyczy prawie wszystkich składników gazu ziemnego wyłączając jedynie gazy szlachetne jak hel czy argon. W warunkach ciśnienia i temperatury spotykanych podczas transportu gazu ziemnego rurociągami nie należy się również spodziewać hydratów azotu lub tlenu, ponieważ ciśnienia

nukleacji dla tych składników są odpowiednio 14,3 i 12,5 MPa . Tym bardziej nie należy się spodziewać hydratów wodoru, również w niewielkim stężeniu występującego w gazie ziemnym. Do niedawna sądzono również, że cykliczne węglowodory nie tworzą hydratów, jednakże obecność metanu pozwala im zajmować duże klatki hydratowe mimo ich rozmiarów.

Tworzenie się hydratu zachodzi w trzech etapach:

1. nukleacja,

2. powolny wzrost i

3. gwałtowny wzrost hydratu

Zawartość węglowodorów cięższych od metanu w oczyszczonym gazie ziemnym jest niewielka, to ich stężenie w gazie decyduje o ilości faz obecnych w układzie przy danych warunkach ciśnienia i temperatury. Tak, więc to czy w trakcie transportu uzdatnionego gazu ziemnego wkropli się kondensat węglowodorowy, zależy od warunków panujących w gazociągu przesyłowym oraz od składu gazu, a w szczególności od stężenia węglowodorów wyższych niż heksan. Temperatura kondensacji węglowodorów ciężkich, wchodzących w skład gazu ziemnego zależy nie tylko od stężenia węglowodorów w gazie, ale także od ich rodzaju. O temperaturze kondesacji decyduje przede wszystkim zawartość węglowodorów od C₆ do C₁₂, a nawet do C₁₆ i ich rozpuszczalności.

1. Charakterystyka rodzajów przepływu gazu w rurociągach.

Przepływ gazu w gazociągach związany jest z pokonaniem oporów, które zależą od współczynnika oporu, lepkości, gęstości właściwej i natężenia przepływu gazu oraz od średnicy rury i długości przewodu.

W transporcie gazu rozróżnia się dwa podstawowe rodzaje przepływów w gazociągach: przepływ laminarny (uwarstwiony) i przepływ turbulentny (burzliwy).

Charakterystyka przepływów:

Strefa I. Przepływ laminarny

Przepływ laminarny (uwarstwiony) – występuje przy małych prędkościach, kiedy cząstki gazu poruszają się po torach zbliżonych do równoległych do osi rury (bez wirów). Nie występują zatem składowe ruchy w kierunku prostopadłym do jej osi. Prędkość gazu zmienia się w sposób paraboliczny wzdłuż promienia rury (największa prędkość występuje w osi przewodu, a spada do zera przy ściance).

Przepływ turbulentny (burzliwy)

Przepływ ten ma miejsce przy większych prędkościach, kiedy wstrzymanie cząstek gazu przez ściany rurociągu wywołuje ruch wirowy (przepływ gazu traci charakter uwarstwiony). Prędkość średnia w = (0,8 – 0,9)w_max.

Decydujący wpływ na charakter przepływu ma średnia prędkość przepływu, średnica wewnętrzna rury oraz współczynnik lepkości kinematycznej.

Wzajemne zależności tych czynników określa się liczbą Reynoldsa (Re): $\mathbf{\text{Re}} = \frac{\mathbf{w}\mathbf{D}_{\mathbf{w}}}{\mathbf{v}}$

gdzie: w – średnia prędkość przepływu gazu [m/s], D_w – średnica wewnętrzna rury [m],

ν - kinematyczny współczynnik lepkości [m²/s].

Liczba Reynoldsa (Re) charakteryzuje hydromechaniczne warunki przepływu gazu i jest wielkością bezwymiarową. Im wyższa jest wartość Re, tym większe znaczenie dla przepływu mają siły bezwładności, a oddziaływanie lepkości gazu na przepływ staje się mniejsze. Liczba Re jest jednocześnie kluczem do oceny charakteru przepływu.

Przepływy turbulentne w rurociągach dzieli się na cztery zakresy:

Strefa II (krytyczna). Przepływ laminarny utrzymuje się do liczby Re = 2330.

Przepływ turbulentny ustala się powyżej Re = 4000. Pomiędzy tymi strefami znajduje się obszar zwany krytycznym, gdzie mogą występować jeszcze przepływy laminarne, lecz na skutek drobnych nawet zakłóceń stają się burzliwe i po nawet dłuższym czasie nie wracają do postaci uwarstwionej.

Strefa III (rur hydraulicznie gładkich). Zakres, w którym chropowatość przewodu nie uwidacznia się, ponieważ nierówności na ściance przewodu są tak małe, że schowane są całkowicie wewnątrz tzw. podwarstwy laminarnej (bardzo cienkiej warstwie medium płynącego ruchem laminarnym przy ściance przewodu, w wyniku działania sił lepkości). Przepływ burzliwy występuje tylko w części centralnej strumienia gazu, nie naruszając części zewnętrznej przylegającej do ścianek. Opór nie zależy od chropowatości rur, a jest jedynie funkcją parametrów przepływu, λ = f(Re).

Strefa IV (przejściowa). Przy dalszym wzroście prędkości laminarna warstwa przyścienna staje się coraz cieńsza i nierówności na ściance są przez nią tylko częściowo pokryte. Nierówności te występując ponad warstwę laminarną powodują dodatkowy opór w stosunku do oporu w rurach gładkich. Współczynnik oporu jest zarówno funkcją parametrów przepływu gazu, jak i chropowatości, λ = f(Re, ε).

Strefa V (z całkowitym wpływem chropowatości). W strefie tej nierówności na ściance całkowicie wystają z laminarnej podwarstwy, powodując powstawanie oporu kształtu poszczególnych nierówności. Opór ten stanowi zdecydowaną większość całkowitego oporu i dlatego też w strefie tej straty zależą od kwadratu prędkości przepływu płynu. Współczynnik oporu w tej strefie jest funkcją chropowatości i nie zależy od parametrów przepływu, λ = f(ε).

Strefy IV i V za uwagi wpływu nierówności ścianek przewodu na wartość współczynnika oporów hydraulicznych λ są potocznie nazywane strefą rur chropowatych.

1. Na czym polega absorpcyjna, adsorpcyjna i ekspansyjna metoda osuszania i oczyszczania gazu.

Osuszanie gazu jest integralną częścią procesu oczyszczania gazu. Wiąże się ona z aspektami ekonomiczno- energetycznymi gazu ziemnego. Osuszony gaz powinien mieć temperaturę punktu rosy przynajmniej o 5 ^oC niższą od najniższej spodziewanej temperatury w gazociągu lub instalacji odgazolinowania.

Osuszenia gazu zapobiega:

• tworzeniu się hydratów,

• zmniejszeniu przepustowości gazociągu,

• korozji wewnętrznej powierzchni gazociągu.

Metoda ochładzania strumienia gazu

Najczęściej stosowanymi czynnikami chłodzącymi są: powietrze, woda lub inne czynniki chłodzące. Metoda ta używana jest najczęściej do wstępnego osuszania gazu ze względu na wysoką temperaturę punktu rosy między -10 ^oC, a 40 ^oC.

Metody absorpcyjne

Najbardziej rozpowszechnioną metodą osuszania gazu jest absorpcja w roztworach etylenoglikoli, rzadziej stosuje się w roztworach CaCl₂. Temperatura punktu rosy w tym przypadku wynosi od 15 ^oC - 25 ^oC. Najczęściej używane są roztwory glikoli propylenowych, DEG – glikol dietylenowy, TEG - glikol trietylenowy.

Metody adsorpcyjne

Służą do tzw. głębokiego osuszania gazu ziemnego tj. do temperatury punktu rosy niższej niż -40 ^oC. Jest ona niezbędna do procesu np. odazotowania gazu ziemnego, połączonego często z wydzielaniem helu z frakcji azot-hel. Adsorpcję prowadzi się najczęściej na żelu krzemionkowym lub sitach molekularnych.

1. Rodzaje spalania gazu.

W zależności od miejsca wytwarzania mieszaniny gazowo-powietrznej mamy do czynienia ze spalaniem kinematycznym lub dyfuzyjnym:

Przy spalaniu kinetycznym mieszanie gazu z powietrzem odbywa się poza palnikiem, zwykle w mieszalniku palnika,

Przy spalaniu dyfuzyjnym gaz i powietrze doprowadza się do komory spalania oddzielnie.

• Spalanie kinetyczne - charakteryzuje krótki płomień, którego długość zależy głownie od rozmiaru dyszy palnika i prędkości wypływającej mieszaniny gazowo-powietrznej. Przy małych prędkościach jej wypływu płomień jest niestabilny i cofa się do wnętrza palnika. Przy dużych prędkościach wypływu mieszaniny może nastąpić zerowanie płomienia. Czas spalania kinetycznego jest bardzo krótki.

• Spalanie dyfuzyjne - cechuje dłuższy płomień niż przy spalaniu kinetycznym. Jego długość zależy przede wszystkim od prędkości mieszania się gazu z powietrzem, a więc od cech konstrukcyjnych panika. Czas spalania jest odpowiednio dłuższy, płomień jest stabilny.

• Spalanie kinetyczno-dyfuzyjne - nosi cechy obu procesów i ma charakter pośredni.

1. Spalanie stechiometryczne gazu i zapotrzebowanie powietrza do spalania.

Spalanie metanu przebiega zgodnie z równaniem: CH₄+2O₂=CO₂+2H₂O +Q

Substraty, Produkty, Ciepło reakcji

Przy spalaniu metanu w powietrzu, które jest mieszaniną tlenu i azotu w stosunku objętościowym 1:3,76 reakcję tą można zapisać w postaci: CH₄+2O₂+7,52N₂=CO₂+2H₂O+7,52N₂+Q

Substraty, Balast, Spaliny, Ciepło reakcji

Są to stechiometryczne równania spalania metanu. Aby spalić zupełnie i całkowicie 1m³ metanu należy doprowadzić 9,52 m³ powietrza. Jest to stechiometryczna ( teoretyczna) ilość powietrza. Przy niedostatecznym dostępie powietrza produktem reakcji jest tlenek węgla(Czad) lub sadze.

1. Zapłon mieszanek gazowych.

SAMOZAPŁON - polegający na równomiernym ogrzaniu całej mieszaniny (np. adiabatyczne sprężenie gazu) do takiej temperatury, przy której ulega ona zapaleniu jednocześnie w całej objętości.

ZAPŁON WYMUSZONY - polegający na zapaleniu się mieszaniny tylko w bardzo ograniczonej przestrzeni. Może nastąpić np. poprzez iskrę mechaniczna, implozję lub na skutek kontaktu mieszaniny palnej z rozżarzonym ciałem stałym, strugą gorących gazów, skupionym promieniowaniem, otwartym płomieniem itp.

TEMPERATURA SAMOZAPŁONU - jest to nominalna temperatura, w której następuje samoczynne rozprzestrzenianie się płomienia. Na wartość temp samozapłonu katalityczny wpływ wywierają niektóre metale oraz domieszki gazowe takie jak tlenki azotu, wodór, para wodna itp. Temp samozapłonu zależy od warunków w jakich występuje tj. od objętości zbiornika, wew powierzchni ścian, ciśnienia, warunków wymiany ciepła. Wszystkie czynniki przyspieszające proces spalania obniżają temperaturę samozapłonu.

Warunkiem wywołania zapłonu jest nagromadzenie w mieszance gazowej odpowiednio duzej ilości energii która musi być większa od tzw. minimalnej energii zapłonu.

TEMPERATURA ZAPŁONU JEST ZAWSZE WYŻSZA OD TEMPERATURY SAMOZAPŁONU.

18. Wybuch gazu i jego parametry.

Wybuch jest to jeden z rodzajów spalania, a więc źródłem energii jest reakcja utleniania. Wybuch jest to proces szybkiego, niekontrolowanego przejścia jednego stanu w drugi, połączony z wyzwoleniem znacznej ilości energii w postaci pracy mechanicznej.

Dynamikę wybuchu mieszanin gazowych określają trzy podstawowe parametry:

• maksymalne ciśnienie wybuchu Pmax - jest podstawowym parametrem w odniesieniu do powierzchni zamkniętych, których ściany przejmują obciążenie wynikające ze wzrostu ciśnienia. Wielkość maksymalnego ciśnienia wybuchu zależy od stężenia składników mieszaniny (maksymalne ciśnienia występują przy stężeniu stechiometrycznym), rodzaju mieszaniny, jej stanu początkowego, mocy źródła zapłonu i w przypadku pomieszczeń zamkniętych od wielkości i wyposażenia pomieszczenia oraz tego, czy pomieszczenie posiada okna. Maksymalne ciśnienie wybuchu może być określone w oparciu o równanie spalania i prawa gazowe $P_{\max} = P_{0}\left( \frac{T_{\max}}{T_{0}} \right)(\frac{m}{n})$ gdzie: T_max - maksymalna temperatura spalin przy spalaniu stechiometrycznym, P₀, T₀ - ciśnienie i temperatura przed wybuchem, m/ - stosunek ilości cząsteczek po wybuchu do ilości cząsteczek przed wybuchem.

• średnia szybkość wzrostu ciśnienia Pmax/t - jest to stosunek całkowitego przyrostu ciśnienia wybuchu aż do osiągnięcia wartości maksymalnej Pmax do czasu tworzenia przyrostu ciśnienia. Szybkość wzrostu ciśnienia zwiększa się wraz ze wzrostem ciśnienia początkowego mieszaniny oraz wzrostem energii źródła zapłonu.

• maksymalna szybkość wzrostu ciśnienia (dP/dt)max - występuje przy składzie mieszaniny nieco bogatszym w składnik palny od mieszaniny stechiometrycznej. Zależy ona od kubatury pomieszczenia V, w którym przebiega wybuch. Zależność tę można wyrazić w formie matematycznej :$\left( \frac{\text{dP}}{\text{dt}} \right)_{\max}V^{\frac{1}{3}} = K = \text{const}$ gdzie K jest wielkością stałą dla składnika palnego tworzącego mieszaninę wybuchową

19. Co to są granice wybuchowości gazu i jak można je zmieniać?

Ograniczają zakres stężeń składnika palnego w mieszance gazowej, przy których możliwy jest zapłon oraz dalsze przemieszczanie sie płomienia. Pojęcie dolnej granicy i górnej granicy wybuchowości traktuje się jako synonimy dolnej i górnej granicy zapalności, ponieważ tylko wybuchowe mieszaniny gazowe są zapalne. Między dolną i górną granicą wybuchowości różnice są tym większe im wyższa jest początkowa temperatura mieszaniny. W miarę jej wzrostu dolna granica przemieszcza się w kierunku mieszanin ubogich a górna w kierunku mieszanin bogatych w składnik palny. Przedział wybuchowości powiększa się również w skutek wzrostu ciśnienia początkowego mieszaniny lub wzrostu energii zapłony zwężenie granic wybuchowości obserwuje się z kolei w przypadku dodatku domieszek inertnych, czyli gazów obojętnych. Dodatek gazów obojętnych prawie nie ma wpływu na dolną granicę wybuchowości natomiast znacznie wpływa na górną. Zmianę górnej granicy wybuchowości tłumaczy się zmniejszeniem udziały tlenu w mieszance palnej, co pogarsza właściwości palne.

ATMOSFERA OCHRONNA ma na celu obniżenie stężenia tlenu do co najmniej takiej wartości Omax, przy której granice wybuchowości zbiegają się w jednym punkcie, tj. w którym stężenie tlenu jest niewystarczające do wytworzenia mieszaniny wybuchowej. Wartość Omax wyliczamy ze wzoru:

Omax = Gd(x+0,25y-0,5z) gdzie: Gd-Dolna granica wybuchowości[w %]; x,y,z - liczby atomów węgla, wodoru i tlenu w cząsteczce składnika palnego.

20. Tłocznie gazu. Rodzaje sprężarek i ich napędów stosowane w tłoczniach gazu.

W gazociągu wraz z jego długością ciśnienie gazu spada. W celu podwyższenia ciśnienia do określonego poziomu umożliwiającego przesył gazu na żądaną odległość spręża się go w kompresorach (sprężarkach), a dokładniej na stacjach kompresorów (tłoczniach gazu).

We współczesnych tłoczniach zainstalowanych na gazociągach dalekosiężnych używa się trzech typów sprężarek:

• sprężarki tłokowe napędzane silnikiem gazowym (motosprężarki),

• sprężarki tłokowe napędzane silnikiem elektrycznym,

• sprężarki odśrodkowe napędzane silnikiem gazowym, elektrycznym lub turbiną gazową.

Działanie sprężarek tłokowych polega na wypieraniu gazu wskutek zmiany objętości roboczej cylindra kompresora przy posuwisto-zwrotnym ruchu tłoka.

Sprężarki tłokowe i rotacyjne nazywają się sprężarkami wyporowymi i objętościowymi, ponieważ w sprężarkach tych proces sprężania odbywa się pulsacyjnie wskutek zmiany objętości przestrzeni roboczej, powodując ssanie, sprężanie i wypieranie (tłoczenie) gazu.

W sprężarkach odśrodkowych zwiększenie ciśnienia gazu osiąga się przez nadanie mu (w kołach wirnikowych sprężarki) dużej prędkości i następującą potem (w dyfuzorach) zmianę energii kinetycznej strumienia gazu na pracę sprężania. Sprężarki odśrodkowe nazywa się przepływowymi, ponieważ w maszynach tych proces sprężania przebiega w sposób ciągły przy stałym przepływie gazu.

Podstawowymi parametrami charakteryzującymi tłocznię gazową są:

• ciśnienie gazu na wlocie do tłoczni,

• ciśnienie gazu na wylocie z tłoczni,

• własności fizyczne i skład gazu,

• przepustowość tłoczni,

• moc znamionowa,

• maksymalna temperatura na tłoczni,

• liczba stopni sprężania,

• stosunek sprężania.

20. Co to jest stopień sprężania? Zależność stopnia sprężania od przepustowości gazociągu i od wkładu mocy w sprężanie.

Stopień sprężania to stosunek objętości cylindra silnika w dolnym martwym położeniu do objętości cylindra silnika w górnym martwym położeniu.

Jak widać na wykresie funkcja początkowo bardzo szybko rośnie i po przekroczeniu wartości r-2 krzywa zaczyna rosnąć znacznie wolniej. Wynika z tego że graniczną opłacalną wartością współczynnika sprężania jest r=2. Większy stopień sprężania należy uznać za nieopłacalny jako że uzyskane w tym zakresie zwiększenie długości przesyłu L wymaga znacznie większej mocy niż w zakresie r=(1-2). Stopień sprężania nie należy wiązać z określoną wartością ciśnienia. Z analizy funkcji widać że wartość mocy potrzebnej do sprężania gazu zależy tylko od r.

20. Kryteria zamienności gazów.

Gazy są wymienne między sobą jeśli palą się bez zakłóceń w tych samych przyborach, przy tym samym ciśnieniu i gdy zachowane są następujące warunki (które zależą od składu gazu, a także od ilości zassanego powietrza pierwotnego):

• obciążenie cieplne przyboru nie ulega zmianom - zachowane gdy Liczba Wobbiego dla obu gazów ma ta sama wartość przy dopuszczalnym odchyleniu 5, 0 ÷ 10, 0%,

• płomień pali sie stabilnie, nie wykazuje skłonności do odrywania się lub przeskakiwania do wnętrza palnika - zależy od maksymalnej szybkości spalania gazu oraz współczynnika zassania powietrza. Przy jego wzroście stabilność płomienia maleje.

• spalanie jest zupełne, tzn. w spalinach zawartość tlenku węgla nie przekracza ilości dopuszczalnych - dopuszczalne stężenie tlenku węgla w nie rozcieńczonych spalinach wynosi 0,1-0,05% obj. Granicą wartości tego gazu określa cie również stosunek stężeń CO do CO₂, który nie powinien przekraczać 0,01.

20. Co to jest sieć gazowa i jakie są układy sieci gazowej?

Sieć gazowa – gazociągi wraz ze stacjami gazowymi, układami pomiarowymi, tłoczniami gazu, magazynami gazu, połączone i współpracujące ze sobą, służące do przesyłania i dystrybucji paliw gazowych, należące do przedsiębiorcy gazowniczego.

Sieć gazowa powinna charakteryzować się podstawowymi parametrami eksploatacyjnymi:

• - maksymalne i minimalne ciśnienie w źródłach zasilania

• - minimalne dopuszczalne ciśnienie w sieci

• - dopuszczalne maksymalne prędkości przepływu gazu w gazociągach

• - natężenie przepływu gazu w węzłach zasilania

• - sposób usytuowania gazociągu w terenie

Przykłady sieci gazowych:

1. z jednym źródłem	2. z dwoma źródłami
3. z wieloma źródłami zasilania oraz ze zmianą parametrów eksploatacyjnych w części sieci gazowej	4. pierścieniowy układ z jednym źródłem
5. pierścieniowy układ z dwoma źródłami

20. Metoda pierścieniowa i węzłowa obliczania sieci gazowej.

Pierwsze prawo Kirchhoffa – Suma algebraiczna natężeń przepływu gazu wpływających do danego węzła sieci, musi być równa sumie natężeń przepływu gazu wypływających z tego węzła. $\sum_{}^{}{Q_{\text{ij}} = 0}$ gdzie: Q_ij –natężenie przepływu gazu na odcinku i-j, wpływające lub wypływające z danego węzła sieci.

Spełnienie drugiego prawa Kirchoffa odnoszącego się do pierścienia sieci wymaga aby:

Suma strat ciśnień występujących na odcinkach sieci wchodzących w skład danego pierścienia zgodnie z określonym kierunkiem, była równa sumie strat ciśnień na odcinkach, dla których kierunek przepływu gazu jest odwrotny. $\sum_{}^{}{{P}_{\text{ij}} = 0}$ gdzie:

P_ij – straty ciśnienia na odcinku i–j wchodzącym w skład danego pierścienia sieci

20. Czynniki wpływające na efektywność obliczania sieci gazowych.

• -dobór odpowiedniego równania stanu

• -wprowadzenie właściwych własności gazu przesyłanego w sieci,

• -wprowadzenie właściwej różnicy wysokości, na jakiej przebiega gazociąg,

• -błędne zwymiarowanie gazociągu-średnic, długości, wysokości itp. ,

• -błędne wprowadzenie wielkości zaworów,

• -błędne dobranie urządzeń, które są siłą napędową procesu przesyłu gazu,

• -błędy przy modelowaniu rozkładu temperatur,

• -błędne dobranie warunków dozoru,

• -błędny dobór równania przepływu,

• -stosowanie nie jednomiernych jednostek pomiarów,

• -złą lokalizację stacji gazowych, itp.

20. Skojarzona produkcja energii elektrycznej i ciepła (kogeneracja).

Kogeneracja, czyli równoczesna produkcja energii elektrycznej i ciepła z jednego surowca np. ropy naftowej, gazu ziemnego.

Podstawową zaletą skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła (ang. CHP - Combined Heat and Power) jest dużo wyższa sprawność ogólna tego procesu w porównaniu z rozdzielonym wytwarzaniem energii elektrycznej i ciepła. Sprawność ogólna procesu skojarzonego przekracza 85%, zaś procesów rozdzielonych jest niższa od 60%. Uzyskanie tak wysokiej sprawności w procesie kogeneracji jest możliwe dzięki zastosowaniu odzysku ciepła, powstającego podczas produkcji energii elektrycznej. Ze względu na mniejsze zużycie paliwa, zastosowanie kogeneracji daje duże oszczędności ekonomiczne i jest korzystne pod względem ekologicznym – w porównaniu z odrębnym wytwarzaniem ciepła w klasycznej ciepłowni i energii elektrycznej w elektrowni kondensacyjnej.

Systemy kogeneracyjne maja szerokie zastosowanie jako źródła energii rozproszonej dla ciepłowni miejskich, w gospodarce osadowej – oczyszczalnie ścieków, na wysypiskach, w szpitalnictwie, na basenach, w górnictwie, itp.

20. Urządzenia wykorzystujące energię potencjalną zawartą w gazie ziemnym do produkcji energii elektrycznej.

Użycie dodatkowej turbiny parowej pozwala wykorzystać jeszcze większą część strumienia energii uzyskiwanej ze spalonego gazu do produkcji energii elektrycznej.

Gospodarka skojarzona w przypadku układów gazowo-parowych polega na wykorzystaniu energii cieplnej zawartej w spalinach turbiny gazowej do wytworzenia pary na potrzeby procesów przemysłowych, gorącej wody do celów komunalno-bytowych, lub pary do napędu turbiny parowej napędzającej dodatkowy generator energii elektrycznej.

Układ elektrociepłowni gazowo-parowej.

Składa się z turbiny gazowej napędzanej spalinami ze spalania gazu (ewentualnie paliwa ciekłego), odzyskowego kotła parowego, turbiny parowej oraz zespołu wymienników ciepła spaliny-woda o para-woda.

Temperatury w poszczególnych punktach układu w przybliżeniu wynoszą:

• temperatura spalin przed turbiną do 1000 ^°C

• za turbiną gazową do 500 ^°C

• za kotłem odzyskowym do 200 ^°C

• za podgrzewaczem wody ok. 100 ^°C

W tym układzie temperatur można uzyskać w kotle parę o ciśnieniu do 10MPa i temperaturze przegrzania do 500 ^°C, sprawność produkcji energii elektrycznej może dochodzić do 55%, a sprawność całkowita elektrociepłowni do 85%

Energię potencjalną zawartą w gazie można wykorzystać przez zastosowanie na stacji redukcyjnej maszyny rozprężnej (turbina, silnik) połączonej z generatorem prądu elektrycznego. Dobór maszyny do rozprężania gazu zależy od założonych parametrów (objętościowy strumień, stosunek ciśnień, wahania ciśnienia).

Efektywność stosowania urządzenia do rozprężania gazu jest podobna jak dla urządzenia do produkcji energii w skojarzeniu, jednak koszty eksploatacyjne maszyny rozprężnej są nieco niższe, podobnie jak dłuższa jej trwałość (rzędu 40 lat). Sprawność energetyczna wytwarzania energii elektrycznej wynosi około 85%.