Измерение и регулирование расхода пропан-бутановой смеси

Разное

В ходе решения ряда задач часто возникает проблема измерения и регулирования расхода пропан-бутановой смеси (ПБС). В данной статье обсуждаются вопросы и трудности, которые появляются при невозможности точного определения агрегатного состояния смеси, а также возможные пути их решения.

Как правило считается, что данная смесь является газом при обычных условиях, т.е. при комнатной температуре и атмосферном давлении, и для измерения и регулирования ее расхода необходимо использовать регуляторы и измерители расхода газа. Этот факт также подтверждается житейским опытом, так как многие используют баллоны с данной смесью для питания газовых плит и горелок. Если рассматривать используемую смесь как механическую смесь пропана и бутана и исходить из их физико-химических свойств (см. Таблицу 1), то действительно, для большинства применений такая смесь будет газообразной.

Таблица 1

Наименование показателя Пропан Бутан
Молекулярная масса 44,10 58,12
Плотность жидкой фазы при нормальных условиях, кг/м3 510 580
Плотность газовой фазы, кг/м3:
    при нормальных условиях 2,019 2,703
    при температуре 15 оС 1,900 2,550
Температура самовоспламенения, оС 466 405
Коэффициент объемного расширения жидкой фракции, % на 1 оС 0,003 0,002
Температура кипения при давлении 1 бар, 0 оС -42,1 -0,5

Кроме того, анализ диаграмм фазовых переходов жидкость-газ для чистых пропана (Рис. 1) и бутана (Рис. 2) показывает, что при комнатной температуре (20°С), пропан переходит в жидкую фазу при избыточном давлении выше 7,4 бар, а бутан при 1,1 бар. Таким образом можно предположить, что при избыточном давлении до 1 бар ПБС будет находиться в газообразном состоянии.

Рис. 1 Фазовая диаграмма жидкость-газ для пропана

Рис. 2 Фазовая диаграмма жидкость-газ для бутана

С другой стороны, при работе с реальными газами можно столкнуться с несколько иной ситуацией.

Дело в том, что в России наибольшее распространение имеют технические смеси, а также автомобильные смеси. В технических смесях можно выделить пропан технический, смесь пропан-бутана техническую и бутан технический. Физико-химические свойства данных смесей регламентируются ГОСТ 20448-90 и приведены в Таблице 2.

Таблица 2

Наименование показателя Норма для марки Метод испытания
Пропан тех. (ПТ) Смесь пропан-бутан тех. (СПБТ) Бутан тех. (БТ)
1. Массовая доля компонентов, %   По ГОСТ 10679
сумма метана, этана и этилена не нормируется  
сумма пропана и пропилена, не менее 75 не нормируется  
сумма бутана и бутиленов, не нормируется   60  
не менее        
не более 60 -  
2. Объемная доля жидкого остатка при 20 оС, %, не более 0,7 1,6 1,8 По п. 3.2
3. Давление насыщенных паров, избыточное, МПа, при температуре       По ГОСТ 28656
+45оС, не более 1,6 1,6 1,6  
-20 оС, не менее 0,16 - -  
4. Массовая доля сероводорода и меркаптановой серы, %, не более 0,013 0,013 0,013 По ГОСТ 22985
в т.ч. сероводорода, не более 0,003 0,003 0,003 По ГОСТ 22985 или ГОСТ 11382
5. Содержание свободной воды и щелочи Отсутствие По п. 3.2
6. Интенсивность запаха, баллы, не менее 3 3 3 По ГОСТ 22387.5 и п. 3.4 настоящего стандарта

Конечно, состав реальных смесей отличается от значений по ГОСТу в лучшую сторону. Составы некоторых реальных газов, взятых из паспортов к данным газам, приведены в Таблице 3.

Таблица 3

Наименование показателя Пропан тех. (ПТ) Смесь пропан-бутан тех. (СПБТ) Смесь пропан-бутан тех. (СПБТ)
Поставщик ООО "Газпром переработка" Сургутский ЗСК ООО "Газпром добыча Астрахань" РУП "ПО Белоруснефть"
1. Массовая доля компонентов, %
сумма метана, этана и этилена 2,1 3,19 4,37
сумма пропана и пропилена 83,3 55,56 47,44
сумма бутанов и бутиленов 14,6 41,23 48,19
2. Объемная доля жидкого остатка при 20 oС, % 0,7 0,1 0,1
3. Давление насыщенных паров, избыточное, МПа, при температуре:
+45 оС 1,46 1,23 1,43
-20 оС 0,16 - -
4. Массовая доля сероводорода и меркаптановой серы, % 0,002 0,002 0,002
в том числе сероводорода 0,0000 0,0000 0,0000
5. Содержание свободной воды и щелочи отсутствует отсутствует отсутствует
6. Интенсивность запаха, баллы, не менее - - 3
 

Помимо технических газов есть еще автомобильные газы, применяющиеся в качестве топлива в различных видах автомобильного транспорта. Их физико-технические характеристики регламентируются ГОСТ 27578-87 и приведены в Таблице 4.

Таблица 4

Наименование показателя Норма для марки
Пропан авт. Смесь пропан-бутан авт.
1. Массовая доля компонентов, %  
сумма метана, этана и этилена Не нормируется
сумма пропана и пропилена, не менее 90+-10 50+-10
углеводороды С4 и выше Не нормируется
непредельные углеводороды, не более 6
2. Объемная доля жидкого остатка при 40 оС, %, не более 0,7 1,6
3. Давление насыщенных паров, избыточное, МПа, при температуре:
+45 оС, не более - 1,6
-20 оС, не менее - 0,07
4. Массовая доля сероводорода и меркаптановой серы, %, не более 0,01 0,01
в том числе сероводорода, не более 0,003 0,003
5. Содержание свободной воды и щелочи Отсутствие
6. Интенсивность запаха, баллы, не менее 3 3

Таким образом, при дозировании ПБС с помощью термомассовых расходомеров газа, возникают две проблемы.

Во-первых, наличие в ПБС жидкого компонента, который при попадании в расходомер приведет к его засорению или даже выходу из строя. Решить данную проблему возможно установкой фильтров и влагоотделителей. При этом необходимо учитывать возможное падение давления на устанавливаемых элементах. Если фильтрующие элементы будут иметь большое сопротивление потоку при максимальных расходах (более 0,5 бар), то для обеспечения максимального расхода потребуется увеличение давления на входе в систему, что может привести к сжижению ПБС.

Во-вторых, это сжижение ПБС внутри самого расходомера, а особенно регулятора. При использовании термомассовых расходомеров для измерения расходов ПБС, газовая фаза проходить через систему тонких капилляров, в которых возможна конденсация ПБС в результате "дроссельного" эффекта. Особенное это актуально, при регулирование ПБС на больших расходах (более 70 н.л/мин), когда конденсация возможна не только внутри измерителя, а также внутри регулирующего клапана. При этом происходит постепенное уменьшение пропускной способности клапана вплоть до полной потери возможности пропускания газа.

Использование кориолисового расходомера компании Bronkhorst позволяет значительно упростить решение проблемы появления жидкой фазы в ПБС. Принцип измерения кориолисовых расходомеров основан на прямых измерениях массового расхода и позволяет измерять расход вещества независимо от агрегатного состояния. Газ или жидкость проходят через колеблющуюся нержавеющую трубку достаточно большого диаметра, что позволяет избежать "дроссельного" эффекта и уменьшает риск засорения жидкими компонентами. В этом случае можно отказаться от влагоотделителей и даже измерять расход в области критического состояния газа, что позволит увеличить входное давление.

Решение с использованием кориолисовых расходомеров и регуляторов расхода компании Bronkhorst является наиболее целесообразным для большинства задач измерения и регулирования расходов пропан-бутановых смесей. Помимо описанного выше преимущества в прямом измерении массы проходящего вещества, кориолисовые измерители и регуляторы расхода обладают высокой точностью и стабильностью, а также быстрым временем отклика.

Статья подготовлена по материалам сайтов:
www.centrogas.ru
www.gazpromlpg.ru
www.fas.su

Используемые приборы

Другие решения