Особенности расчета физико-химических свойств газовых смесей. Плотность газов

Общие свойства газовых смесей. По сравнению с молекулами жидкости молекулы газов удалены друг от друга на неизмеримо большие расстояния, чем их собственные размеры. С этим связаны некоторые особые свойства газов, например способность к сжатию со значительным изменением объема, заметное повышение давления с ростом температуры и т.д. Поведение газообразных веществ достаточно полно объясняет кинетическая теория газов, основу которой составляют законы газового состояния Бойля-Мариотта, Гей-Люссака и Шарля [10]. Эти законы могут быть выражены объединенным уравнением (законом) Клайперона-Менделеева

pV=NRT. (2.1)

Здесь R – универсальная газовая постоянная, значение которой зависит от выбора системы единиц. Так, в СИ, где давление выражено в паскалях, объем – в кубических метрах и температура – в кельвинах, для одного моля газа R =8,314 Дж/(моль×К).

Зависимость между парциальными давлениями p_i компонентов газовой смеси и общим давлением p в системе устанавливается законом Дальтона

p=p₁+p₂+…+p_n=Sp_i,

где .

В соответствии с законом Рауля в условиях равновесия можно записать

или (см. уравнением 1.10) .

Приведенные выше законы полностью справедливы для идеальных газов. Углеводородные газы и нефтяные пары можно приближенно считать идеальными газами, особенно при невысоких давлениях. При расчетах допустимо использовать все названные законы. Об особых случаях расчета будет сказано ниже.

Напомним, что в приложении к газам существуют нормальные и стандартные условия, которые при одном и том же давлении (101,3 кПа) отличаются только температурой (273 К и 293 К, соответственно для нормальных и стандартных условий). Параметры, характеризующие состояние газа в нормальных условиях, имеют индекс 0 (V₀, p₀, T₀), в стандартных – 20 (V₂₀, p₂₀, T₂₀). Приведение объема газа к нормальным или стандартным условиям легко осуществляется по формулам:

Плотность. Как и для жидкости, плотность газа может быть выражена абсолютным или относительным значением. Абсолютная плотность газа равна его массе в единице объема, в СИ она выражается в килограммах на кубический метр (кг/м³). Величину, обратную плотности, называют удельным объемом и измеряют в кубических метрах на килограмм (м³/кг).

При определении относительной плотности газов и паров нефтепродуктов в качестве стандартного вещества берется воздух при нормальных условиях (Т =273 К, r =101,3 кПа). Отношение массы газа m к массе воздуха m_в, взятых в одинаковых объемах и при тех же температуре и давлении, дает относительную плотность газа:

Масса любого идеального газа при нормальных условиях равна его молярной массе, поделенной на объем, занимаемый одним молем, т.е. , где - плотность газа при нормальных условиях.

Тогда для относительной плотности газа по воздуху можно записать – молярная масса воздуха, г/моль.

Если записать уравнение Клапейрона-Менделеева в виде m/V=pM/RТ, нетрудно увидеть, что левая часть представляет собой плотность газа r, т.е.

r=rM/RТ. (2.2)

Формула (2.2) дает возможность подсчитать истинную плотность газа при любых температуре и давлении.

Существует другая модификация уравнения Клапейрона-Менделеева, также позволяющая определить плотность газа при любых условиях:

(2.3)

Результаты, получаемые по формулам (2.2) и (2.3), одинаковы. Плотность некоторых индивидуальных газов в зависимости от изменения температуры можно, кроме того, найти по графикам и таблицам [11].

Плотность газовой смеси может быть подсчитана по формулам для жидкой смеси (см.§1.2). Учитывая, что для газов объемные доли равны молярным, в приложении к газовой смеси можно записать

Значения плотности и некоторых других свойств индивидуальных газов приведены в прил.16.