液化石油氣的物理特性

液化石油氣的物理特性一、液化石油氣的狀態(tài)參數(shù)

液化石油氣所處的狀態(tài)，是通過壓力、溫度和體積等物理量來反映的，這些物理量之間彼此有肯定的內(nèi)在聯(lián)系，稱為狀態(tài)參數(shù)。

1．壓力

壓力是一物體垂直勻稱地作用于另一物體壁面單位面積上力的量度。物理上用物體單位面積上受到的垂直壓力來表示，稱為壓強，用符號p表示。

p=F／A(1-2-1)式中p——壓強，Pa；

F——勻稱垂直作用在容器壁面的力，N；

A——容器壁面的總面積，m2。

由于在工程實際中習(xí)慣地將壓強稱作壓力，因此，本書中后面提到的壓力，即指壓強。

測量壓力有兩種標準方法：一種是以壓力等于零作為測量起點，稱為肯定壓力，用符號“P絕”表示；另一種是以當(dāng)時當(dāng)?shù)氐拇髿鈮毫ψ鳛闇y量起點，也就是壓力表測量出來的數(shù)值，稱為表壓力，或稱相對壓力，用符號“P表”表示。液化石油氣儲灌工藝所講的壓力都是指表壓力。

肯定壓力與表壓力之間的關(guān)系為

肯定壓力=表壓力+當(dāng)時當(dāng)?shù)卮髿鈮毫?/p>

(1)壓力的單位我國現(xiàn)行的法定壓力計量單位是國際單位制導(dǎo)出的壓力單位，即：帕斯卡(Pa)，1Pa=1N／m2。由于帕斯卡的單位太小(如：一粒西瓜子平放時對桌面的壓力約為20Pa，在實際中常使用兆帕斯卡(MPa)、千帕斯卡(kPa)。其關(guān)系為

1MPa=103kPa=106Pa(2)壓力單位的換算在實行國際單位制以前，我國慣用的壓力單位有：標準大氣壓、工程大氣壓、毫米汞柱、毫米水柱及英制壓力單位等，其與法定單位的換算關(guān)系，見表1-2-4。

表1-2-4壓力單位換算

千克力每平方厘米/(kgf/m2)

帕斯卡/Pa

巴/bar

毫米汞柱/mmHg

磅力每平方英寸/(1bf/in2)

毫米水柱/mmH2O

1

9．81×104

0．981

735．6

14．22

104

1×10-5

1

10-5

7．5×10-3

145×10-6

0．102

1．02

105

1

750

14．5

1．02×104

1．36×10-3

133．3

1．333×10-3

1

19．34×10-3

13．6

70．3×10-3

6．89×103

6．89×10-2

51．71

1

703

10-6

9．81

9．81×10-5

7．356×10-2

1．422×10-3

1

2．溫度

溫度是物質(zhì)分子進展熱運動的宏觀表現(xiàn)，它是對物體冷熱程度的量度。測量溫度的標尺稱為溫標。溫標的規(guī)定是選取某物質(zhì)兩個恒定的溫度為基準點，在此兩點之間加以等分，來確定溫度單位尺度，稱為度。

由于對兩個基準點之間所作的等分不同，因此消失了不同的溫度單位。常用的有以下幾種。

①攝氏溫標(℃)，攝氏度溫標又稱百度溫標，是瑞典人攝爾休斯最先提出的；

②華氏溫標(°F)，華氏溫標是德國人華倫海特最早提出的；

③開氏溫標(K)，開氏溫度又稱肯定溫度，是英國人開爾文最先提出的。

上述3種溫標的相互關(guān)系，如圖1-2-1所示。

圖1-2-13種溫標的關(guān)系3種溫標的相互關(guān)系用公式表示為：

3．體積

體積是指肯定數(shù)量的物質(zhì)占據(jù)空間位置的大小。由于氣體總是要布滿所盛裝的容器，所以氣體的體積由盛裝容器的容積來打算。

常用的體積單位是m3(立方米)和L(升)。

1m3=1000L

二、液化石油氣的物理特性

1．比體積、密度和相對密度

(1)比體積是指單位質(zhì)量的某種物質(zhì)所占有的體積，用符號υ表示，其表達式為：

式中υ——某種物質(zhì)的比體積，m3／kg；

V——該物質(zhì)的體積，m3；

m——該物質(zhì)的質(zhì)量，kg。

(2)密度是指單位體積的某種物質(zhì)所具有的質(zhì)量。由于液化石油氣的生產(chǎn)、儲存和使用中常常呈現(xiàn)氣態(tài)和液態(tài)兩種狀態(tài)，因此，液化石油氣的密度就有氣體的密度和液體的密度兩種之分。

①液化石油氣氣體的密度。其單位是以kg／m3表示。它隨著溫度和壓力的不同而發(fā)生變化。因此，在表示液化石油氣氣體的密度時，必需規(guī)定溫度和壓力的條件。一些碳氫化合物在不同溫度及相應(yīng)飽和蒸氣壓下的密度見表1-2-5。

表1-2-5一些碳氫化合物在不同溫度及相應(yīng)飽和蒸氣壓下的密度／(kg／m3)

溫度/℃

丙烷

正丁烷

異丁烷

-15

6．4

1．06

2．50

-10

7．57

1．85

3．04

-5

9．05

2．10

3．59

0

10．34

2．82

4．31

5

11．90

3．35

5．07

10

13．60

3．94

5．92

15

15．51

4．65

6．95

20

17．74

5．39

7．94

25

20．15

6．18

9．21

30

22．80

7．19

11．50

35

25．30

8．17

13．00

40

28．60

9．33

14．70

45

34．50

10．57

16．80

50

36．80

12．10

18．94

55

40．22

12．38

20．56

60

44．60

15．40

24．20

從表1-2-5中可以看出，氣態(tài)液化石油氣的密度隨著溫度及相應(yīng)飽和蒸氣壓的上升而增加。

在壓力不變的狀況下，氣態(tài)物質(zhì)的密度隨溫度的上升而削減，在101．3kPa下一些氣態(tài)碳氫化合物的密度見表1-2-6。

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表1-2-6一些氣態(tài)碳氫化合物在101．3kPa下的密度／(kg／m3)

溫度/℃

甲烷

乙烷

乙烯

丙烷

丙烯

正丁烷

異丁烷

1-丁烯

0

0．7168

1．3562

1．2604

2．02

1．9149

2．5985

2．6726

2．503

15

0．677

1．269

1．184

1．861

1．766

2．452

2．442

2．369

②液化石油氣液體的密度。以單位體積的質(zhì)量表示，即kg／m3。它的密度受溫度影響較大，溫度上升密度變小，同時體積膨脹。由于液體壓縮性很小，因此壓力對密度的影響也很小，可以忽視不計。由表1-2-7可以看出，液化石油氣液態(tài)的密度隨溫度上升而削減。

(3)相對密度由于在液化石油氣的生產(chǎn)、儲存和使用中，同時存在氣態(tài)和液態(tài)兩種狀態(tài)，所以應(yīng)當(dāng)了解它的液態(tài)相對密度和氣態(tài)的相對密度。

①液化石油氣的氣態(tài)相對密度。是指在同一溫度和同一壓力的條件下，同體積的液化石油氣氣體與空氣的質(zhì)量比。求液化石油氣氣體各組分相對密度的簡便方法，是用各組分的相對分子質(zhì)量與空氣平均相對分子質(zhì)量之比求得，由于在標準狀態(tài)下1mol氣體的體積是一樣的。液化石油氣氣態(tài)的相對密度見表1-2-7。

表1-2-7液化石油氣液態(tài)的密度／(kg／m3)

溫度/℃

丙烷

正丁烷

異丁烷

丙烯

丁烯

-15

548

615

600

567

634

-10

542

611

594

561

629

-5

535

605

588

552

624

0

523

600

582

545

619

5

521

596

576

538

612

10

514

591

570

531

606

15

507

583

565

524

600

20

499

578

560

25

490

573

553

30

483

568

546

35

474

562

540

40

464

556

534

45

451

549

527

50

446

542

520

表1-2-8液化石油氣氣態(tài)的相對密度(0℃，101．3kPa)

名稱

分子式

相對分子質(zhì)量

空氣平均相對分子質(zhì)量

相對密度

丙烷

C3H8

44

29

1．517

丁烷

C4H10

58

29

2．000

丙烯

C3H6

42

29

1．448

丁烯

C4H8

56

29

1．931

戊烯

C5H12

72

29

2．483

從表1-2-8中可以看出液化石油氣氣態(tài)比空氣重1．5～2．5倍。由于液化石油氣比空氣重，因此，一旦液化石油氣沉著器或管道中泄漏出來，它不像相對密度小的可燃氣體那樣簡單揮發(fā)與集中，而是像水一樣往低處流淌和滯存，很簡單到達爆炸濃度。因此，用戶在安全使用中必需充分留意，廚房不應(yīng)過于狹窄，通風(fēng)換氣要良好。液化石油氣儲存場所不應(yīng)留有井、坑、穴等。對設(shè)計的水溝、水井、管溝必需密封，以防聚積，引起火災(zāi)。

②液化石油氣的液態(tài)相對密度。指在規(guī)定溫度下液體的密度與規(guī)定溫度下水的密度的比值。它一般以20℃或15℃時的密度與4℃或15℃時純水密度的比值來表示。液化石油氣的液態(tài)相對密度，隨著溫度的上升而變小，見表1-2-9。

表1-2-9液化石油氣液態(tài)各組分相對密度

溫度/℃

丙烯

丙烷

正丁烷

異丁烷

1-丁烯

-20

0．573

0．544

0．621

0．603

0．641

-10

0．559

0．541

0．611

0．592

0．630

0

0．545

0．528

0．601

0．581

0．619

10

0．530

0．514

0．590

0．569

0．607

20

0．513

0．500

0．578

0．557

0．595

從表1-2-9中可看出，在常溫下(20℃左右)，液化石油氣液態(tài)各組分的相對密度約為0．5～0．59之間，接近為水的一半。當(dāng)液化石油氣中含有水分時，水分就沉積在容器的底部，并隨著液化石油氣一起輸送到用戶，這樣，既增加了用戶的經(jīng)濟負擔(dān)，又會引起容器底部腐蝕，縮短容器的使用期限。因此，液化石油氣中的水分要常常從儲罐底部的排污閥放出。

2．體積膨脹系數(shù)

絕大多數(shù)物質(zhì)都具有熱脹冷縮的性質(zhì)，液化石油氣也不例外，受熱會膨脹，溫度越高，膨脹越厲害。膨脹的程度是用體積膨脹系數(shù)來表示的。所謂體積膨脹系數(shù)，就是指溫度每上升1℃，液體增加的體積與原來的體積的比值。液體的體積隨溫度上升的膨脹量可用式(1-2-3)計算。

V2=V1[1+α(t2-t1)]式中V1、V2——液體在溫度t1、t2時的體積，m3；

α——液體溫度由t1至t2時的平均體積膨脹系數(shù)，1／℃，見表1-2-10。

表1-2-10液化石油氣組分及水的體積膨脹系數(shù)／℃-1

溫度/℃

丙烷

丙烯

正丁烷

異丁烷

1-丁烯

水

0～10

0．00265

0．00283

0．00181

0．00233

0．00198

0．0000299

10～20

0．00258

0．00313

0．00237

0．00171

0．00206

0．00014

20～30

0．00352

0．00329

0．00173

0．00297

0．00214

0．00026

30～40

0．00340

0．00354

0．00227

0．00217

0．00227

0．00035

40～50

0．00422

0．00389

0．00222

0．00266

0．00244

0．00042

由表1-2-10可知，液化石油氣液體的體積膨脹系數(shù)比水大十幾倍，且隨溫度的上升而增大，因此，液化石油氣在充裝作業(yè)中必需限制充裝量。

3．體積壓縮系數(shù)

對于滿液的容器，當(dāng)溫度上升時，液體的體積會膨脹，但由于受到容器容積的限制，液體將會受到壓縮。體積壓縮系數(shù)是指壓力每上升1MPa時液體體積的減縮量。液化石油氣(65％丙烷牛35％異丁烷)的體積膨脹系數(shù)、體積壓縮系數(shù)及其比值見表1-2-11。

表1-2-11液化石油氣體積膨脹系數(shù)、體積壓縮系數(shù)及其比值

溫度/℃

體積膨脹系數(shù)/℃-1

體積壓縮系數(shù)/MPa-1

比值/(MPa/℃)

0

0．00215

0．00107

2．01

10

0．00228

0．00116

1．97

20

0．00246

0．00126

1．95

30

0．00266

0．00138

1．93

40

0．00292

0．00151

1．93

50

0．00326

0．00168

1．84

60

0．00313

0．00187

1．99

由表1-2-11可以看出，體積膨脹系數(shù)和體積壓縮系數(shù)的比值一般為1．8以上，這說明假如不考慮容器本身由于溫度和壓力的上升而產(chǎn)生的容積增量，則容器在滿液狀況下，溫度一旦上升，就使得容器內(nèi)壓力急劇上升。

4．飽和蒸氣壓

自然界中的物質(zhì)所呈現(xiàn)的聚攏狀態(tài)，有氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)”種，其中任何一種狀態(tài)只能在肯定的條件下(溫度、壓力)存在。當(dāng)條件發(fā)生變化時，物質(zhì)分子間的相互位置就要發(fā)生相應(yīng)的變化，即表現(xiàn)為聚攏狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。物質(zhì)的聚攏狀態(tài)在熱力學(xué)上稱為相，如液態(tài)稱為液相，氣態(tài)稱為氣相。在密封容器中，氣相和液相到達動態(tài)平衡時的狀態(tài)稱為飽和狀態(tài)。在飽和狀態(tài)下，液體和其蒸氣處于平衡共存狀態(tài)，也就是說液相蒸發(fā)成氣體的速度和氣相凝聚成液體的速度相等，此時氣體中分子數(shù)不再增加，液體中分子數(shù)不再削減。

飽和狀態(tài)時的液體稱為飽和液體，飽和狀態(tài)時的蒸氣稱為飽和蒸氣，飽和蒸氣所顯示出來的壓力稱為飽和蒸氣壓。在不同溫度下液化石油氣各種組分的飽和蒸氣壓見表1-2-12。

表1-2-12不同溫度下液化石油氣各種組分的蒸氣壓／MPa

溫度/℃

丙烯

丙烷

正丁烷

異丁烷

1-丁烯

順式-2-丁烯

反式-2-丁烯

異丁烯

-20

0．232

0．302

0．045

0．069

0．056

0．062

-15

0．253

0．355

0．055

0．086

0．609

0．045

0．051

0．072

-10

0．332

0．415

0．067

0．105

0．084

0．056

0．064

0．087

-5

0．391

0．486

0．082

0．126

0．103

0．070

0．077

0．106

0

0．457

0．564

0．100

0．150

0．125

0．085

0．095

0．128

5

0．533

0．562

0．121

0．179

0．149

0．103

0．115

0．152

10

0．617

0．750

0．143

0．211

0．179

0．124

0．137

0．181

15

0．711

0．857

0．171

0．247

0．211

0．148

0．163

0．213

20

0．817

0．973

0．201

0．288

0．247

0．176

0．193

0．256

25

0．933

1．11

0．235

0．335

0．289

0．207

0．227

0．291

30

1．06

1．26

0．275

0．387

0．336

0．242

0．265

0．338

35

1．20

1．42

0．318

0．433

0．388

0．282

0．307

0．391

40

1．36

1．59

0．367

0．503

0．447

0．327

0．335

0．449

45

1．52

1．78

0．421

0．579

0．512

0．376

0．408

0．514

50

1．71

1．99

0．481

0．656

0．583

0．431

0．466

0．587

由表1-2-12可以看出，液化石油氣的蒸氣壓是隨溫度而變化的，溫度上升，蒸氣壓增大。另外液化石油氣的蒸氣壓和組分有關(guān)，隨著碳原子數(shù)的增加，蒸氣壓則減小。對于液化石油氣來說，常溫下，容器內(nèi)部液化石油氣的壓力總比外界大氣壓力大得多，所以，液化石油氣肯定要在密閉的、具有足夠強度的容器中儲存。

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5．沸點和露點

(1)沸點在肯定的壓力下，液體外表不斷蒸發(fā)變?yōu)闅怏w的過程稱為汽化。隨著液體溫度漸漸上升，汽化速度不斷加快。當(dāng)溫度到達某肯定值時，則不僅液體外表，而且內(nèi)部也同時進展猛烈的汽化。這種液體內(nèi)消失上下翻滾的汽化現(xiàn)象稱為沸騰。液體在101．3kPa下到達沸騰時的溫度稱為沸點。液體在沸騰過程中，由外界汲取的熱量全部用于汽化，因而溫度停留在沸點不再上升，直至液體全部變成氣體為止。液化石油氣各組分在101．3kPa時的沸點見表1-2-13。

表1-2-13液化石油氣各組分在101．3kPa時的沸點

溫度/℃

丙烯

丙烷

正丁烷

異丁烷

1-丁烯

順式-2-丁烯

反式-2-丁烯

異丁烯

正戊烷

沸點/℃

-42．1

-47．0

-0．5

-11．7

-6．26

3．75

0．88

-6．9

36．2

由表1-2-13可知，碳氫化合物的沸點有以下特點。

①分子中碳原子數(shù)越多，沸點越高。如：丙烷的沸點為-42．1℃，正丁烷的沸點則為-0．5℃。

②當(dāng)碳原子數(shù)一樣時，多數(shù)烷烴的沸點比烯烴的沸點高。如：丙烷的沸點為-42．1℃，則丙烯的沸點為-47．0℃。

③正構(gòu)物的沸點比異構(gòu)物的沸點高。如：正丁烷的沸點為-0．5℃。則異丁烷的沸點為-11．7℃。

④沸點越低的烴越難于液化。假如要液化它需要低的溫度或者更高的壓力。

⑤沸點越低的烴越簡單汽化。如：丙烷的沸點為-42．1℃，在常溫下呈氣態(tài)，即使

在嚴冷的冬季也很簡單汽化。正戊烷的沸點為36．2℃。即使在炎熱的夏天也很難汽化。

⑥壓力增大，沸點也上升。如：丙烷在常壓下沸點為-42．1℃，而當(dāng)壓力增至0．82MPa時，沸點相應(yīng)提高到20℃。

(2)露點是指氣態(tài)液化石油氣加壓或冷卻時，使之液化成液滴的溫度。液化石油氣各組分的露點實際上是各組分液體在飽和蒸氣壓力下所對應(yīng)的飽和溫度(見表1-2-12)，也是各組分液體在飽和蒸氣壓力下的沸點(見表1-2-13)。露點是相對蒸氣而言，沸點是相對液體而言的，兩者在數(shù)值上相等。

6．汽化潛熱

液態(tài)變成氣態(tài)時，需要汲取熱量，氣態(tài)變成液態(tài)時將放出熱量，這些熱量只用來轉(zhuǎn)變物質(zhì)的狀態(tài)(發(fā)生相變)，而溫度不發(fā)生變化，因此，稱之為潛熱。汽化潛熱就是在肯定溫度下，肯定數(shù)量的液體變?yōu)橥瑴囟鹊臍怏w所汲取的熱量。

不同的液體有不同的汽化潛熱，即使是同一液體，其汽化潛熱也隨沸點不同而發(fā)生變化。當(dāng)液體的沸點上升時汽化潛熱相應(yīng)削減，在臨界溫度時汽化潛熱為零。一些液化石油氣各組分的汽化潛熱值如圖1-2-2所示。

表1-2-14液化石油氣各組分的物理化學(xué)性質(zhì)

工程

甲烷

乙烷

丙烷

正丁烷

異丁烷

分子式

CH2

C2H6

C3H8

n-C4H10

i-C4H10

相對分子質(zhì)量

16．04

30．07

44．004

58．12

58．12

蒸氣壓/MPa0℃

—

2．43

0．476

0．104

0．107

20℃

—

3．75

0．8104

0．203

0．299

氣體密度/(kg/m3)0℃

0．