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.

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, Ln, Ls, Lw (gaz ziemny zaazotowany) i E (gaz ziemny wysokometanowy),
grupa III (P, B) - propan i butan techniczny oraz ich mieszaniny (gazy węglowodorowe płynne C3-C4)
grupa IV (GP) - mieszaniny gazów węglowodorowych z powietrzem.

2.Zdefiniować i scharakteryzować LNG i Biogaz.

LNG-skroplony gaz ziemny, którego głównym składnikiem jest metan (ok. 89% - 95%).

- Jest magazynowany i transportowany w temperaturze - 162oC i pod ciśnieniem ok.1 atm.

- LNG zajmuje jedynie 1/600 objętości wymaganej dla porównywalnej ilości gazu ziemnego w temperaturze i pod ciśnieniem normalnym.  

- Jest to bardzo czyste paliwo o liczbie oktanowej 130. 
- Skroplony gaz ziemny (LNG) jest bezbarwny, bezwonny, nie jest żrący i nie ma własności korodujących

- LNG - nie jest toksyczny.
Gęstość LNG (ciecz) wynosi ok. 425 kg/m3, Gęstość metanu (gaz) w niskiej temperaturze, bliskiej skropleniu

(-160 oC ) to ok.1,75 kg/m3 , a więc jego gęstość względna jest większa od gęstości powietrza. Podczas rozprzestrzeniania gaz ten może kumulować się np. tuż nad powierzchnią gruntu. Wraz ze wzrostem temperatury do wartości ok. - 108 oC, metan staje się lżejszy od powietrza i łatwo poddaje się procesom wentylacyjnym, powietrza.

LFG - gaz wysypiskowy lub biogaz, zawiera głównie ok. 50% - 65% metanu, 30% - 40% dwutlenku węgla i 5% - 10% azotu.

otrzymywany jest metodą fermentacji metanowej z odpadów roślinnych oraz z odchodów zwierzęcych.

W zależności od rodzaju użytego surowca oraz warunków fermentacji zawiera głównie metan w ilości od 55 do 85% i CO2 w ilości od 15 do 45% oraz azot.

3.Właściwości toksyczne składników paliw gazowych.

Podstawowymi składnikami paliw gazowych są: wodór, tlenek węgla, metan i jego homologi, benzen i jego pochodne oraz gazy inertne, takie jak: dwutlenek węgla czy azot. Ze względu na specyficzne właściwości fizyczne i chemiczne oraz wysoką zawartość w paliwach gazowych, niektóre z wyżej wymienionych gazów, odgrywają znaczącą rolę jako składniki tych paliw, nadając im charakterystyczne właściwości.Zawartość niektórych gazów w powietrzu może w różny sposób działać na organizm człowieka.

Pod względem działania na organizm człowieka gazy dzieli się na gazy obojętne i trujące (toksyczne).

Tlenek węgla - CO jest gazem silnie toksycznym.

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 30 mg/m3.

Jeżeli czas kontaktu z gazem trwa nie dłużej niż godzinę - dopuszczalne stężenie CO wynosi 50 mg/m3.

Przy pracy nie dłuższej niż 30 minut NDS dla tlenku węgla wynosi 180 mg/m3.

W garażach stężenie tlenku węgla określa się jako średnie na godzinę i podwyższenie jego zawartości w powietrzu do wartości 120 mg/m3 nie może trwać dłużej niż 15 minut.

Przy podwyższonej zawartości CO w pomieszczeniach powrót do przerwanej pracy może nastąpić nie wcześniej niż po upływie 2 godzin.

Jest produktem niecałkowitego spalania głównie gazu ziemnego i węgla.

Siarkowodór H2S jest gazem bezbarwnym o charakterystycznym zapachu.

Jest gazem silnie trującym.

Wydziela się najczęściej podczas gnicia substancji białkowych.

Jego gęstość względem powietrza wynosi 1,19.

Gaz palny, działa silnie korodująco na metale.Dopuszczalne jego stężenie w atmosferze roboczej wynosi

NDS = 10 mg/m3.Jest wyczuwalny nawet przy stężeniu 1,4 mg/m3.

Po dłuższym wdychaniu H2S człowiek przestaje wyczuwać jego woń wskutek porażenia organów powonienia - jest to początek ostrego zatrucia.

Niebezpieczeństwo zatrucia siarkowodorem istnieje np. w kanałach i oczyszczalniach ścieków.

Amoniak - NH3 jest gazem o charakterystycznym ostrym zapachu. Gęstość względem powietrza wynosi około 0,59.

W powietrzu pali się trudno.

Jest gazem toksycznym.

Dopuszczalne stężenie na stanowiskach roboczych NDS = 20 mg/m3.

Może występować w kanałach jako produkt gnicia substancji organicznych. Skroplony amoniak, parując, pochłania znaczne ilości ciepła, co wykorzystuje się w chłodniach i przy produkcji sztucznego lodu.

Wodór H2 jest gazem bez zapachu, 14 razy lżejszym od powietrza.

Jest gazem wybuchowym. Granice wybuchowości wodoru w mieszaninie z powietrzem wynoszą od 4,1 do 75%.

Wodór po podgrzaniu łączy się gwałtownie z tlenem.

Mieszanina wodoru z tlenem przy stosunku 2:1 nosi nazwę gazu piorunującego.

Nie jest gazem toksycznym.

Przy zwiększonych zawartościach wodoru w powietrzu, może u człowieka nastąpić utrata przytomności, a nawet śmierć na skutek uduszenia z powodu braku tlenu.

Acetylen - C2H2 jest gazem szeroko stosowanym w spawalnictwie. Otrzymuje się go w wyniku działania wody na węglik wapnia (karbid).

Jest to gaz bezbarwny. Jest jednym z najbardziej niebezpiecznych gazów pod względem wybuchowości zarówno w stanie gazowym, jak i ciekłym.

Butle z acetylenem pod ciśnieniem 0,2 MPa i powyżej mogą wybuchnąć wskutek uderzenia i wstrząsów.

Ze względu na niebezpieczeństwo wybuchu C2 H2 rozpuszcza się w acetonie i wprowadza do butli stalowych pokrytych odpowiednią masą.

Likwiduje się w ten sposób jego skłonność do wybuchu i umożliwia bezpieczne przechowywanie i przewożenie.Ciśnienie C2H2 w butlach stalowych wynosi 1,5 MPa. Czysty acetylen nie jest gazem trującym. Często zawiera jednak zanieczyszczenia takie jak: H2S, NH3 czy fosforowodór, które wpływają ujemnie na zdrowie.

4.Definicje : gęstości i gęstości względnej gazu, ciepła spalania i wartości opałowej, liczby Wobbego, lepkości.
Gęstośc- stosunek masy pewnej ilości substancji do zajmowanej przez nią objętości
Gęstość względna, d - iloraz gęstości gazu i gęstości powietrza znormalizowanego w takiej samej temperaturze i przy tym samym ciśnieniu. Gęstość powietrza znormalizowanego wynosi

ၲpow = 1,293 kg/m3

Ciepło spalania, HS - jest to ilość ciepła wyrażona w MJ, wydzielona podczas całkowitego spalenia 1 mn3 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, Hi - jest to ilość ciepła wyrażona w MJ, wydzielona podczas całkowitego i zupełnego spalenia 1mn3 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 Wobbego, Ws - jest ilorazem wielkości ciepła spalania gazu HS w MJ/m3 i pierwiastka kwadratowego z gęstości względnej d.

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

Dynamiczny współczynnik lepkości ၭ jest to stosunek naprężenia stycznego, powstającego pomiędzy warstwami poruszającego się płynu do gradientu prędkości.

W wielu obliczeniach technologicznych w transporcie gazu konieczne jest posługiwanie się odpowiednimi wartościami lepkości kinematycznej ၮ (m2/s). Lepkość ta definiowana jest jako stosunek lepkości dynamicznej gazu ၭ (Pas) do jego gęstości, ၮ = ၭ/ၲ. Dynamiczna i kinematyczna lepkość gazu wzrasta ze wzrostem temperatury (lepkość cieczy maleje).

Lepkość płynów jest odpowiedzialna za występowanie oporów ruchu i warunkuje straty ciśnienia w gazociągu.

5.Przemiany charakterystyczne gazu ziemnego. Krótka charakterystyka.

ODWRACALNE

Izoterma. Przemiana izotermiczna przebiega przy stałej temperaturze gazu, wtedy T = const. i pV = const. Układ wykonuje pracę przy stałej energii wewnętrznej kosztem pobranego ciepła

Izobara. Przemiana izobaryczna przebiega w warunkach stałego ciśnienia, p = const. W przemianie tej ciepło wymieniane zużywa się na zmianę energii wewnętrznej i wykonanie pracy objętościowej, tzn. równa się zmianie entalpii układu.

Izochora. Przemiana izochoryczna zachodzi w warunkach stałej objętości V = const. W przemianie tej wymieniane ciepło zużywa się całkowicie na zmianę energii wewnętrznej układu.

Adiabata. Przemiana adiabatyczna przebiega bez wymiany z otoczeniem energii na sposób ciepła, Q = 0. Wykonana zaś w przemianie praca równa się zmianie energii wewnętrznej układu.

Politropa. Politropą nazywa się przemianę dowolnego gazu.

NIEODWRACALNE

Dyfuzja

Dławienie

6.Efekt Joulea - Thomsona.

Zmiana temperatury gazu wywołana zdławieniem w warunkach adiabatyczno-izentalpowych nosi nazwę efektu Joule'a-Thomsona.

Współczynnik Joule'a - Thomsona ၤ można uważać za miarę odchylenia gazu od stanu doskonałego, przy czym może on przybierać zarówno wartości dodatnie jak i ujemne. Punkt przejścia między tymi wartościami, w którym ၤ = 0, nosi nazwę temperatury inwersji lub punktu inwersji. Poniżej temperatury inwersji temperatura gazu rzeczywistego w trakcie dławienia izentalpowego maleje ၤ>0, powyżej zaś rośnie ၤ<0.

7.Współczynnik ściśliwości Z gazów rzeczywistych.
Współczynnik Z, jako funkcja temperatury i ciśnienia, charakteryzuje indywidualne własności płynów i bezpośrednio opisuje odchylenia gazów rzeczywistych od stanu doskonałego.

pV = ZRT

8.Równanie wirialne stanu gazów rzeczywistych.

Równanie wirialne

Stan gazów rzeczywistych można najogólniej i najściślej opisać równaniami mającymi postać wielomianów, w których objętość molowa bądź ciśnienie występują jako zmienne niezależne. Równania tego typu, nazywane w literaturze równaniami wirialnymi stanu, są z zasady zależnościami empirycznymi.

Równanie wirialne nadaje się dobrze do opisu stanu zarówno gazów czystych, jak i ich mieszanin. 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 wirialny. Pozostałe współczynniki zazwyczaj są małe i dlatego dalsze wyrazy w równaniach są istotne dopiero w przypadku wysokich ciśnień.

9. Charakterystyka rodzajów przepływu gazu w rurociągach.

Strefa I.

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)wmax.

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):

wD_w

Re = --------

v

gdzie: w - średnia prędkość przepływu gazu [m/s], Dw - średnica wewnętrzna rury [m], ၮ - 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.

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 sa 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, ၬ = 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, ၬ = f(Re, ၥ).

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, ၬ = f(ၥ).

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

10. Rodzaje spalania gazu.

Spalanie kinetyczne - charakteryzuje krótki płomień, którego długość zależy głównie 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 zerwanie 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 palnika.

Czas spalania jest odpowiednio dłuższy, płomień jest stabilny.

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

11. Zapłon mieszanek gazowych.

Zapłon wywołać można dwoma sposobami: samozapłon - polegający na równomiernym ogrzaniu całej mieszaniny (np. adiabatyczne sprężanie 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.

12. 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 z 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

- średnia szybkość wzrostu ciśnienia Pmax /Δt

- maksymalna szybkość wzrostu ciśnienia (dP/dt)max.

Do parametrów wybuchu należy również temperatura wybuchu.

Maksymalne ciśnienie wybuchu 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 od tego, czy pomieszczenie posiada okna.

Średnia szybkość wzrostu ciśnienia jest to stosunek całkowitego przyrostu ciśnienia wybuchu aż do osiągnięcia wartości maksymalnej Pmax do czasu trwania przyrostu ciśnienia. Szybkość wzrostu ciśnienia zwiększa się wraz ze wzrostem ciśnienia początkowego mieszaniny oraz wzrostem energii źródła zapłonu.

Maksymalna szybkość wzrostu ciśnienia 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:(dP/dt)max V 1/3 = K = const. ;

gdzie K jest wielkością stałą dla składnika palnego tworzącego mieszaninę wybuchową.

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

Granice wybuchowości - dolna i górna - ograniczają zakres stężeń składnika palnego w mieszaninie gazowej, przy których możliwy jest zapłon oraz dalsze przemieszczanie się płomienia. Pojęcie dolnej i górnej granicy wybuchowości traktuje się zazwyczaj jako synonimy dolnej i górnej granicy zapalności, ponieważ tylko wybuchowe mieszaniny gazowe są zapalane.

Ustalenie tych dwóch granic zostało spowodowane faktem, że w miarę zwiększania zawartości gazu palnego lub powietrza w mieszaninie zmniejsza się prędkość rozprzestrzeniania się płomienia, wzrastają straty cieplne i spalanie ulega przerwaniu.Między dolną a 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 wskutek wzrostu ciśnienia początkowego mieszaniny lub wzrostu energii zapłonu.

Zawężenie 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. Brak zależności dolnej granicy wybuchowości od dodatków inertnych można wytłumaczyć tym, że dodatki te zastępują jedynie i tak niebiorący udziału w reakcji tlen, a więc zachowujący się jak gaz obojętny.

Oddziaływanie dodatków w postaci gazów inertnych na górną granicę wybuchowości tłumaczy się zmniejszeniem udziału tlenu w mieszaninie palnej (tlen i tak jest już w niedomiarze), co pogarsza jej właściwości palne.

14. Tłocznie gazu. Rodzaje sprężarek i ich napędów stosowane w 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.

---