Anita Dziekan	Wyznaczanie wartości opałowej gazów	21.12.2011

1. Wstęp teoretyczny

Ropa naftowa jest mieszaniną węglowodorów oraz substancji nieorganicznych. Składa się z węgla, wodoru, siarki, tlenu, azotu oraz kombinacji około 50 pierwiastków. Po wydobyciu ze złoża ma ciemnobrunatną bądź czarną barwę oraz silny i wyrazisty zapach. Jej gęstość jest przeważnie mniejsza od gęstości wody i waha się zazwyczaj w przedziale 820-950 kg/m sześc.

Właściwości ropy naftowej różnią się w zależności od miejsca jej wydobycia, a różne rodzaje nie mogą być ze sobą mieszane w dużych ilościach. Najkorzystniejsze z perspektywy ekonomicznej są ropy lekkie, gdyż uzyskuje się z nich więcej lżejszych frakcji (gazów, benzyn oraz oleju napędowego). Lekkie frakcje mogą być również uzyskane z ropy ciężkiej, lecz wymaga to zastosowania kapitałochłonnych technologii i urządzeń.

W celu uproszczenia rozróżniania różnych rodzajów ropy naftowej, surowcowi z konkretnych złóż przypisano nazwy.

Podział ropy naftowej:

1. Ze względu na ciężar:

• Lekka

• Średnia

• Ciężka

1. Ze względu na skład chemiczny:

• Parafinowa

• Naftenowa

• Parafinowo-naftenowa

• Aromatyczna

• Parafinowo-naftenowo-aromatyczna

• Parafinowo-aromatyczna

1. Ze względu zawartość siarki:

• Niskosiarkowa

• Siarkowa zwana

1. Ze względu na zawartość żywic:

• Małożywiczna

• Żywiczna

• Wysokożywiczna

1. Ze względu na zawartość parafiny:

• Niskoparafinowa

• Parafinowa

• Wysokoparafinowa

1. Przebieg doświadczenia

   1. Odczytano wartość ciśnienia atmosferycznego w dniu 21.12.2011.

   2. Wyregulowano prace kalorymetru

      1. Uregulowano przepływ zimnej wody tak aby jej temperatura była stała

      2. Zapalono palnik i wyregulowano płomień tak aby gaz palił się stabilnym płomieniem

      3. Zmierzono temperaturę panującą w pomieszczeniu gdzie przeprowadza się doświadczenie i obliczono temperaturę wody ciepłej, jaką należy osiągnąć aby poprawnie przeprowadzić doświadczenie

      4. Umieszczono palnik w kalorymetrze i umieszczono zlewkę u wylotu rurki na skropliny

      5. Poprzez regulację przepływu wody ustalono temperaturę wody ciepłej do wartości zbliżonej do obliczonej

      6. Odczytano temperaturę spalin

   3. Odczytano nadciśnienie gazu oraz jego temperaturę.

   4. Do cylindra 2000cm³ zbierano wodę która zostało ogrzana poprzez spalanie 2 l gazu oraz do cylindra na 10cm³ zbierano skroplinę.

   5. Pomiar powtórzono dwukrotnie.

2. Opracowanie wyników

p_{atmosferyczne} = 1021hPa

t_gazu = 24^oC = 297 K

t_otoczenia = 22, 6^oC = 295,6K

t_wody zimnej = 10, 1^oC = 283,1 K

Obliczenie temperatury wody ciepłej potrzebnej do doświadczenia:

$$t_{\text{otoczenia}} = \frac{t_{\text{wody}\ \text{ciep}l\text{ej}} + t_{\text{wody}\ \text{zimnej}}}{2}$$

2t_otoczenia = t_{wody cieplej} + t_wody zimnej

2t_otoczenia − t_wody zimnej = t_{wody cieplej}

(2 * 22, 6^oC) − 10, 1^oC = t_{wody cieplej}

45, 2^oC − 10, 1^oC = t_{wody cieplej}

308, 1K =  35, 1^oC = t_{wody cieplej}

Otrzymane ilości wody dla 2l spalonego gazu:

Skroplina [cm^3]	2,8	3,0
V wody w cylindrze na 2000cm^3 [cm^3]	720	720

1. Obliczenie % zawartości metanu w badanym gazie

Skład gazu ziemnego wysoko metanowego wg izby gospodarczej gazownictwa:

Metan 98,14 %

Etan, propan, butan 0,91 %

Azot 0,84 %

Dwutlenek węgla 0,11 %

Reakcja spalania metanu :

CH₄ +  20₂ = CO₂ + 2 H₂0

X mol/dm³ – 6,0

22,4 mol/dm³ – 36

X=3,7333 dm³

%CH₄ =91,4 %

1. Obliczenie ciepła spalania i wartości opałowej badanego paliwa w warunkach laboratoryjnych

Obliczenie ciepła spalania:

$$W_{g} = \frac{m_{w}*c_{w}*t_{w}}{V_{g}}$$

W_g −  cieplo spalania gazu

m_w −  masa wody przeplywajacej pzez kalorymetr w czasie pomiaru [kg]

c_w −  cieplo wlasciwe wody 4,19 kJ/(kg*K)

t_w −  przyrost temperatury wody chlodzacej [K]

V_g −  objetosc gazu spalanego w czasie pomiaru [m³]

t_w =  t_{wody cieplej} −  t_wody zimnej

t_w = 308, 1 K − 283, 1K 

t_w = 25K

m_w = 0, 72 kg 1m³ H₂O = 1kg czyli 720cm³ = 0,72 m³ -> 0,72 kg

$$W_{g} = \ \frac{0,72*4,19*25}{2}\ \lbrack\frac{\text{kg}*\frac{\text{kJ}}{\text{kg}*K}*K}{m^{3}}\rbrack$$

$$W_{g} = \frac{75,42}{2}\ \lbrack\frac{\text{kJ}}{m^{3}}\rbrack$$

$$W_{g} = 37,71\ \lbrack\frac{\text{kJ}}{m^{3}}\rbrack$$

Obliczenie wartości opałowej

W_d = W_g − r * m_s

W_g −  cieplo spalania

W_d −  wartosc opalowa

$$r_{} - \ \text{ciep}lo\ \text{parowania}\ \text{wody}\ \left\lbrack \frac{\text{kJ}}{\text{kg}} \right\rbrack$$

$$m_{s} - \ \text{masa}\ \text{wody}\ \text{ze}\ \text{skroplonej}\ \text{pary}\ \text{wodnej}\ \text{zawartej}\ w\ \text{wilgotnyc}h\ \text{spalinac}h\ \lbrack\frac{\text{kg}}{\text{kg}}\rbrack$$

r₃₀^o_C = 2427 kJ/kg

$$W_{d} = 37,71 - \left( 2423,7*0,029 \right)\lbrack\frac{\text{kJ}}{m^{3}} - \ \left( \frac{\text{kJ}}{\text{kg}}*\text{kg} \right)\rbrack$$

W_d = 37, 71 − 70, 2873

1. Obliczenie ciepła spalania i wartości opałowej dla warunków normalnych

Otrzymane wartości ciepła spalania i wartości opałowej należy przeliczyć na warunki normalne:

p_n=101325Pa

T_n=273,15 K

Na podstawie równania Clapeyrona dla warunków normalnych i warunków pomiaru:

Objętość:

V_n=$V_{g\ }\frac{T_{n}}{T_{g}}$ * $\frac{p_{g}}{\text{pn}}$

Ciśnienie bezwzględne gazu:

p_g=h_g*ρ_w*g+p_b

h_g-nadciśnienie gazu przepływającego przez gazomierz

p_b-ciśnienie barometryczne

p_g=102100,0 Pa

V_n=$V_{g\ }\frac{T_{n}}{T_{g}}$ * $\frac{p_{g}}{\text{pn}}$= $0,002*\frac{273,15}{299,15}*\frac{102100,0\ \ }{101300} = 0,002*0,91309*1,0079 = 0,00184$

Przeliczenia wartości spalania i wartości opałowej na warunki normalne:

$\text{Qsn} = \text{Qs}\frac{\text{Vg}}{\text{Vn}} =$35 059,67*$\frac{0,002}{0,00184}$=37 920,69 kJ/m³

$$\text{Wdn} = \text{Ws}\frac{V_{g}}{V_{n}} = 31311,8799*\ \frac{0,002}{0,00184} = 31311,8799*1,08696 = 34034,76098\ kJ/m^{3}$$

IV. Wnioski