1. Wymienić i omówić paliwa gazowe stosowane w gospodarce komunalnej i przemysłowej.
Paliwa gazowe dzielimy na naturalne i sztuczne. Do naturalnych paliw gazowych zaliczamy gaz ziemny, gaz kopalniany pochodzący z odmetanowania kopalń, głównie węgla kamiennego i gaz składający się z mieszaniny propanu i butanu, która w temperaturze pokojowej pod ciśnieniem par własnych jest cieczą, czyli gaz płynny. Gazy ziemne ze względu na pochodzenie są zawsze mieszaniną wielu gazów zarówno palnych jak i cieplnych. Gazy ziemne pochodzące z różnych złóż mogą mieć różny skład chemiczny jedna różnice biorą się głównie z zmienności proporcji, w których występują poszczególne składniki gazowe. ( w wszystkich gazach występują praktycznie te same składniki co odnosi się do części palnych jak i nie palnych. Gaz ziemny pochodzi albo ze samodzielnych złóż gazowych albo jako tzw. gazy towarzyszące ze złóż ropy naftowej i z kopalni węgla. Gaz ziemny stanowi przeważnie mieszaninę węglowodorów, przy czym podstawowym składnikiem jest metan, którego stężenie może dochodzić do 97-98%. Inne składniki gazu ziemnego to azot, dwutlenek węgla, para wodna. Podstawowym balastem to azot. Występuje 15-65%. Gazy o dużej ilości azotu nazywane są gazami zaazotowanymi. Gazy pochodzenia sztucznego otrzymuje się między innymi przez odgazowanie i zgazowanie paliwa stałego, głównie węgla. Proces odgazowania polega na termicznym rozkładzie węgla bez dostępu powietrza. Sztuczne paliwa gazowe otrzymuje się również jako produkty uboczne w różnego rodzaju procesach chemicznych, np. gaz posyntezowy, gaz rafineryjny itp. Gazy otrzymywane w procesach katalitycznej konwersji metanu i węglowodorów ciężkich zalicza się również do gazów sztucznych. Gazy powstałe w wyniku odgazowania węgla to gazy wytlewne i gazy destylacyjne. Wytlewaniu poddaje się drewno, torf, węgiel brunatny i kamienny oraz łupki bitumiczne.
C.D. 1
Wytlewanie polega na ogrzewaniu przeponowym lub bezprzeponowym paliwa bez dostępu powietrza w temperaturze 500÷600°C (773÷873 K) w piecach lub generatorach wytlewnych. Produktami procesu wytlewania są: gaz o wartości opałowej 12,6÷41,9 MJ/m3, półkoks i smoła wytlewna zawierająca znaczne zawartości związków alifatycznych. Wytlewanie zaliczamy do procesów niskotemperaturowych. W procesach odgazowania wysokotemperaturowego w zakresie temperatur 1200÷1300°C (1473÷1573 K) powstają gazy o wartości opałowej w granicach 14,7÷23,0 MJ/m3. Zaliczamy do nich gaz węglowy produkowany w gazowniach oraz gaz koksowniczy otrzymywany w bateriach koksowniczych. W procesie odgazowania średniotemperaturowego 700÷800°C (973÷1073 K) otrzymuje się gaz o wartości opałowej 23,4 MJ/m3 oraz koks będący paliwem bezdymnym. Proces zgazowania paliw stałych polega na przemianie węgla w gazy palne przez częściowe jego utlenianie w generatorach gazowych (w czadnicach) przy pomocy powietrza, czystego tlenu, pary wodnej lub mieszaniny tych trzech składników. Produktami zgazowania są różnego rodzaju gazy generatorowe (czadnicowe) i popiół lub żużel. Powietrzny gaz generatorowy otrzymuje się przez zgazowanie węgla powietrzem. Temperatura gazu wychodzącego z generatora wynosi około 800°C (1073 K), żużel otrzymuje się w stanie stopniowym. Używany rzadko. Powietrzny gaz generatorowy należy do gazów słabych o niskim cieple spalania (ok. 4,2 MJ/m3), dużej gęstości względnej i ponad 65% zawartości składników niepalnych. Gaz powietrzno-wodny, półwodny lub nazywany wprost gazem generatorowym, otrzymuje się przez wdmuchiwanie pod ruszt generatora gazowego mieszaniny powietrza i pary wodnej. Powstaje gaz o temperaturze wylotowej około 600°C i cieple spalania w granicach 5,3 MJ/m3. Gaz ten zawiera około 30% tlenku węgla i do 13% wodoru. Po oczyszczeniu i ochłodzeniu gaz ten nadaje się do transportu rurociągami.
2. Co to jest gaz ziemny? Podaj główne parametry i omów analize chromatograficzną gazu.
Gaz ziemny to paliwo kopalne pochodzenia organicznego, gaz zbierający się w skorupie ziemskiej w pokładach wypełniających przestrzenie, niekiedy pod wysokim ciśnieniem. Pokłady gazu ziemnego występują samodzielnie lub towarzyszą złożom ropy naftowej lub węgla kamiennego.
Zawartość składników jest zmienna i zależy od miejsca wydobycia, jednak głównym składnikiem stanowiącym ponad 90% gazu ziemnego jest zawsze metan. Oprócz niego mogą występować niewielkie ilości etanu, propanu, butanu i innych związków organicznych i mineralnych. Metan jest to węglowodór alifatyczny szeregu parafinowego. Metan jest gazem bezbarwnym, bezzapachowym, palnym lżejszym od powietrza zawierającym w swoim składzie węgiel i wodór. W połączeniu z powietrzem tworzy mieszaninę wybuchową 5-15 [%]. Wartość opałowa wynosi od 3500-9500[kcal/m3]. Gaz ziemny nie ma trujących własności jednak jeżeli jest go dużo w powietrzu to powoduje wypieranie tlenu przez co powoduje śmierć przez uduszenie w ciągu 3-4 minut. Przy zawartości powyżej 25-35 [%], może oddziaływać na organizm człowieka dusząco i narkotyzująco ze względu na brak tlenu.
Co to jest analiza chromatograficzna gazu, chromatograf gazowy oraz rodzaje detektorów.
Chromatografia polega na rozdzielaniu mieszaniny związków( substancji) na pojedyncze składniki. Poprzez rozdzielenie próbki na poszczególne składniki, łatwiej można zidentyfikować (analiza jakościowa) oraz określić ilość (analiza ilościowa) różnych związków znajdujących się w próbce.
Chromatografia – jest to fizykochemiczna metoda rozdziału cieczy i gazu wykorzystująca podział składników pomiędzy dwie fazy fazę nieruchoma (o dużej powierzchni właściwej) i ruchomą (gaz nośny).
C.D. 2
Chromatografia gazowa służy nam do oznaczenia składników w gazie.
Analizy można podzielić na: A)ręczne np. aparat Orsata – zasada polega na reakcji chemicznej analizowanego gazu z danym odczynnikiem a następnie pomiaru zmiany objętości, ciśnienia, temperatury lub zabarwienia próbki gazu. B)automatyczne – które w sposób automatyczny pobierają próbkę gazu, analizują i podają wynikMetoda polega na porównaniu określonych własności chemicznych analizowanego gazu z gazem wzorcowym o znanym składzie, lepkości gęstości. W chromatografii gazowej wykorzystuje się dwa układy:A) gaz-ciało stałe – chromatografia adsorpcyjna – rozdzielanie składników odbywa się na skutek różnic sorpcji poszczególnych składników mieszaniny na aktywnej powierzchni adsorbenta wypełniającego kolumnę chromatograficzną B)gaz-ciecz – chromatografia rozdzielcza – rozdział następuje w wyniku różnic współczynnika podziału różnych cieczy naniesionych do kolumny chromatograficznej na powierzchni obojętnego wypełnienia. Kolumny chromatograficzne dzielą się na: A)normalne B)kapilarne Detektory – rejestrują poszczególne składniki, ilość składnika odpowiada wielkością pola pod pikiem. Rodzaje detektorów:A) cieplno – przewodnościowy – zbudowane z 2, 4 spiral połączonym z mostkiem Winstona który w momencie przepływu gazu nośnego jest w równowadze. Gdy pojawia się składnik zmienia się przewodnictwo (oporność) mostka i pojawiają się piki. B)Płomieniowe – jonizacyjny – działanie oparte na zmianie oporu płomienia wodorowego w momencie wprowadzenia związków organicznych, które w czasie utleniania wytwarzają jony. Zmianom oporu towarzyszą piki.
3. Scharakteryzować test wielocyklowy. Omówić cel jego wykonania.
Test wielocyklowy jest jednym z trzech najczęściej stosowanych testów hydrodynamicznych do weryfikacji współczynników w formułach jedno i dwuczłonowych. Wartość tych współczynników jest indywidualną cechą każdego odwiertu i złoża. Współczynniki te zmieniają się w czasie trwania eksploatacji. Zatem na ich wartość prawdopodobnie ma wpływ cały szereg innych parametrów, których wpływu nie umiemy opisać matematycznie. Stąd w praktyce przemysłowej wartości współczynników określamy z odpowiednich testów hydrodynamicznych:klasyczny test wielocyklowy;
- klasyczny test izochronalny; -zmodyfikowany test izochronalny. Test ten polega na przeprowadzeniu kilku (5, 6) próbnych eksploatacji, jedna po drugiej z różnymi wydatkami, najczęściej w sekwencji wzrastającej przez okresy czasu zapewniające stabilizację ciśnienia na dnie odwiertu. Stabilizacja ciśnienia jest zjawiskiem związanym z występowaniem dużych prędkości przepływu gazu w strefie blisko odwiertu (gaz nie rozpręża się). Z chwilą osiągnięcia stabilizacji ciśnienia kończymy eksploatację z danym wydatkiem. Czas pojawienia się stabilizacji zależy od własności złoża.
Jako wynik testu jest zestawienie par liczb, tzn. wydatek q i odpowiadające temu wydatkowi różnice kwadratów ciśnień.
Z przeprowadzonego testu wielocyklowego jako wynik mamy wartości kolejnych wydatków oraz odpowiednich im wartościom różnic kwadratów ciśnień między kwadratem średniego ciśnienia a kwadratem ciśnienia na dnie odwiertu na koniec kolejnego okresu eksploatacji. Tak otrzymane pary liczb interpretujemy obiema formułami: jedno i dwuczłonową.
C.D. 3
W przypadku formuły dwuczłonowej przekształcamy ją do zależności liniowej:
Mając wykresy możemy obliczyć wydatek potencjalny ze wzorów:
· Dla metody jednoczłonowej
Dla metody dwuczłonowej
4 Co to jest formuła jednoczłonowa i formuła dwuczłonowa – omówić sens fizyczny ich współczynników.
Formuła jednoczłonowa
Drugą formułą ujmującą zależność między wydatkiem odwiertu a różnicą ciśnień jest formuła postaci:
Jest to formuła jednoczłonowa, empirycznie uzyskana w oparciu o ok. 800 wyników testów hydrodynamicznych.
I – wskaźnik wydajności odwiertu, n – miara odchyłki przepływu od prawa Darcy,
Formuła dwuczłonowa
Jeśli przepływ jest zgodny z prawem Darcy to n = 1, jeśli jest różny od prawa Darcy n ≠ 1. dla n = 1; ; - ale tylko dla przepływu Darcy
q – wydatek odwiertu, k – przepuszczalność, z – współczynnik ściśliwości gazu, h – miąższość złoża w odwiercie, Sm – skin efekt mechaniczny, μ – współczynnik lepkości dynamicznej, D – współczynnik niedarsowskiego przepływu. Taki zapis równania opisującego dopływ ze złoża do odwiertu (lub odwrotnie) nosi nazwę formuły dwuczłonowej. Nazwa równania pochodzi od sumy dwóch członów po prawej stronie, z których pierwszy odpowiada przepływowi laminarnemu, drugi przepływowi turbulentnemu. W przypadku, gdy przepływ będzie czysto laminarny drugi człon będzie do zaniedbania b = 0, ponieważ D = 0. Jeśli przepływ będzie czysto turbulentny, to pierwszy człon możemy zaniedbać. Mimo, że współczynniki a i b posiadają efektywne wzory, z których wynika, że powinny być stałe, to praktyka przemysłowa dowiodła, że ulegają zmianie. Dlatego też w praktyce współczynniki a i b wyznacza się z odpowiednich testów hydrodynamicznych. Takie testy są prowadzone średnio raz w roku.
5. Wyjaśnić pojęcie odwiertu hydrodynamicznie doskonałego i niedoskonałego.
Odwiert jest hydrodynamicznie doskonały, jeżeli przepływ płynu złożowego w strefie jego zasięgu odbywa się zgodnie z zasadami przepływu płasko-radialnego. Jest to odwiert niezarurowany (niekolmatowany) – czyli brak jest zmniejszenia przepuszczalności na ściance odwiertu, na ściankach odwiertu nie wytrąca się parafina, brak np. wody i kondensatu w odwiercie nie ma filtru piaskowego
Założenia: - odwiert przewierca całą miąższość warstwy produktywnej,; - ściany odwiertu utworzone są bezpośrednio przez skałę zbiornikową Wtedy współczynnik doskonałości odwiertu φ = 1, ale zwykle φ < 1 i wtedy mamy do czynienia ze współczynnikiem niedoskonałości hydrodynamicznej C =C1 + C2
C1 – niedoskonałość hydrodynamiczna odwiertu ze względu na charakter odkrycia złoża (kontakt ze złożem jest tylko przez otwory perforacyjne w rurach okładzinowych i płaszczu cementowych); C2 – niedoskonałość hydrodynamiczna odwiertu ze względu na stopień odkrycia złoża (odwierty zwykle nie przewiercają całej miąższości złoża). Odwiert hydrodynamicznie niedoskonały – odwiert zarurowany, perforowany, zacementowany z filtrem piaskowym, kolmatowany fazą stałą płuczki wiertniczej. Przepływ w taki odwiercie jest utrudniony. Przy dopływie płynu za złoża do odwiertu hydrodynamicznie niedoskonałego następuje zagęszczenie liniiprądu w strefie przyodwiertowej. Powoduje to wzrost oporów przepływu.
6. Wymień typy podziemnych magazynów gazu.
W celu pokrywania nierównomiernośći sezonowych poboru gazu, związanych z okresem lato-zima, a także w przypadku dostaw gazu z jednego kierunku należy bodować duże magazyny gazów, które mogą być wykonane w ośrodkach porowatych lub wyrobiskach podziemnych:
-podziemne magazyny gazu w strukturach zawodnionych 10% wszystkich magazynów
-podziemne magazyny gazu w szczerpanych złożach gazu ziemnego (magazyny w czerpanych złożach ropy naftowej 70% gazu w świecie magazynowane w tej formie)
-magazynowanie gazu w sztucznie wytworzonych kawernach (15% całego magazynowania)
a) kawerny solne
b) kawerny skalne
-zaniechane kopalnie (no. węgla) pracują przy ciśnieniu do 20 bar
Obecnie w Polsce eksploatowanych jest siedem podziemnych magazynów gazu. Sześć z nich zlokalizowanych jest w wyeksploatowanych złożach gazu ziemnego, jeden w kawernie solnej (Mogilno)
7 Podać kryteria przepływów laminarnych i turbulentnych – definicja liczby Reynoldsa.
Kryterium do oceny czy mamy do czynienia z przepływem laminarnym czy też z turbulentnym jest bezwymiarowa liczba nazywana liczbą Reynoldsa:
Jak widać ze wzoru wielkość liczby Reynoldsa zależy od prędkości przepływającego płynu jego gęstości i lepkości oraz od średnicy rurociągu. Wielu różnych badaczy podaje nam kryteria według których kwalifikujemy o turbulentnym bądź laminarnym charakterze przepływu. Przepływ laminarny występuje przy małych prędkościach przepływu, oraz charakteryzuje się znaczną przewagą sił lepkości nad siłami bezwładności. Przy niedużych prędkościach przepływu cząsteczki poruszają się ruchem postępowym w kierunku równoległym do osi rury . Nie występują składowe ruchy w kierunku do niego prostopadłym, prędkość liniowa lokalna zmienia się sposób paraboliczny. Największa prędkość występuje wzdłuż osi przewodu, a przy jego ściance spada do zera. Przy przepływie uwarstwionym strumień gazu składa się z warstw. Zewnętrzna warstwa jest unieruchomiona przy ściance rury siłami adhezji. Każda następna jest hamowana przez działanie sił lepkości gazu jednocześnie pociągana przez szybciej płynący strumień wewnętrzny. Kształt przepływu przez rurociąg, dla płynu rzeczywistego różni się od przepływu płynu idealnego. Różnice te są tym większe, im bardziej własności płynu rzeczywistego odbiegają od własności płynu idealnego.
C.D. NA NASTEPNEJ
C.D. 7
Z przepływem laminarnym mamy do czynienia dla wartości liczby Reynoldsa do 2300 lub 2000. Pomiędzy wartościami 2000-4000 następuje przepływ przejściowy. Dzięki współczesnym badaniom i doświadczeniom wykazano, że pomiędzy cienką warstewką laminarną a w pełni turbulentnym jądrem strumienia występuje jeszcze obszar przepływów przejściowych już nie o charakterze laminarnym, lecz jeszcze nie w pełni turbulentnym (rys. 4.5).
Rys. 4.5 Obszary przepływu wg Prandtla.
Przepływ turbulentny – występuje przy większej prędkości przepływu gazu. Wprawdzie przy ściance rury cienka warstwa gazu pod wpływem sił lepkości porusza się dalej ruchem uwarstwionym, ale w centralnej części rury cząstki gazu poza ruchem w kierunku osi maja też kierunek do niej prostopadły. Ruch jest przyspieszany bądź opóźniany co wpływa na bardziej wyrównany rozkład prędkości w przekroju poprzecznym strumienia gazu z wyjątkiem obszaru w pobliżu ścianek. Rozkład prędkości przepływu zależy od liczby Reynoldsa (rys. 4.4) i im ta liczba jest większa tym rozkład prędkości w poprzecznym przekroju strumienia jest bardziej płaski
8. Wykres indykatorowy sprężarki, podział sprężarek, sprężenie wielostopniowe, regulacja wydajności.
Sprężarka – urządzenie służące do sprężania gazu w którym przyrost ciśnienia jest większy od 2 [bar]. Ze względu na zasadę działania sprężarek dzielimy je na:
Wyporowe – objętościowe (tłokowe) – pewna objętość gazu zasysana jest do cylindra gdzie pod wpływem siły zewnętrznej gaz jest wypierany (sprężany) przy pomocy tłoka.
Przepływowe – wirnikowe – gaz do sprężania kierowany jest w sposób ciągły na koło wirnikowe, które dzięki dużym obrotom nadaje przepływającemu płynie przyrost energii kinetycznej i ciśnienie.
Wykres indykatorowy sprężarki tłokowej:
Objętość gazu V1, która wpływa do cylindra jest mniejsza od teoretycznej ilości gazu, która mogłaby wypełnić objętość geometryczną VS. Przyczyny tego zjawiska są różne i wynikają z powodu następujących czynników: oporu przepływu gazu przez zawory sprężarki, nieszczelności zaworów oraz pierścieni tłokowych, wydłużenia trzonów tłokowych. Najbardziej jednak niekorzystną przyczyną jest rozprężanie się gazu pozostałego w cylindrze sprężarki, który nie został całkowicie wytłoczony. Jest to tzw. Stosunek objętości gazu dopływającego do cylindra V1 do maksymalnie możliwej objętości VS określany jest jako współczynnik sprawności wolumetrycznej sprężarki objętościowej. Procesowi sprężania gazu towarzyszy wzrost temperatury. Jest to zjawisko niekorzystne i niepożądane. Przyrost temperatury zmniejsza się poprzez zastosowanie chłodzenia gazu wypływającego ze sprężarki, lub w przypadku sprężarek wielostopniowych przez międzystopniowe chłodzenie gazu na poszczególnych stopniach sprężania. Wartość przyrostu temperatury sprężanego gazu z ciśnienia p1 do ciśnienia p2, przy znajomości temperatury początkowej możemy obliczyć z równania:
C.D. DALEJ
C.D. 8
W praktyce jednak nie mamy do czynienia zarówno z przebiegiem adiabatycznym, jak i izotermicznym. W rzeczywistości sprężany gaz ogrzewa się, oraz następuje wymiana ciepła z otoczeniem. Zatem proces sprężania odbywa się wg przemiany politropowej opisanej równaniem:
.
p1 - ciśnienie gazu przed sprężarką, p2 - ciśnienie gazu za sprężarką, V1 - objętość gazu przed sprężeniem, V2 - objętość gazu po sprężeniu, n - wykładnik politropy.
Sprężanie wielostopniowe – kryterium czy stosujemy sprężanie jedno czy wielostopniowe jest temperatura gazu po sprężeniu: jeżeli przekracza 170 [C] wówczas stosujemy sprężanie dwu lub trójstopniowe: Sprężanie wielostopniowe polega na tym że gaz z cylindra pierwszego przechodzi przez chłodnicę a następnie wtłaczany jest i sprężany cylindrem drugim który posiada mniejszą przestrzeń. Wydajność sprężarek regulujemy poprzez zmiany obrotów silnika, zmiany objętości, zmianę objętości martwych oraz dla sprężarek tłokowych podwieszenie zaworów ssących.
9. Scharakteryzować równanie filtracji płynu Darcy w ośrodku porowatym.
Najczęściej stosowanym jest równanie Darcy:
v-prędkość filtracji [m/s]; k-przepuszczalność skały [m2]; gradp-gradient ciśnienia [Pa/m] Zależność ta jest wyprowadzona na drodze doświadczalnej. Wzór ten wyraża zależność pomiędzy prędkością filtracji a spadkiem ciśnienia i wykazuje, że prędkość filtracji jest proporcjonalna do gradientu ciśnienia (spadku ciśnienia na jednostkę długości), która jest liniowa. W związku z czym prawo to nosi nazwę liniowego prawa filtracji (laminarny). Drugim równaniem opisującym przepływ jest równanie Forcheimera opisuje ono przepływ w ośrodkach porowatych.
α=μ/k w-prędkość przepływu [m/s] jeśli w – bardzo małe: to –gradp=...
bianka222