Osnovni Pojmovi Velicina Iz Termodinamike

Industrijska postrojenja 2

1. OSNOVNI POJMOVI I VELIINE IZ TERMODINAMIKE 1.1. ENERGIJA

Energija je sposobnost za vrenje rada. Energija je jedan od oblika kretanja materije - ona je svojstvo materije. Ukupna energija nekog tela je: 2mcE = (c brzina svetlosti; m masa).

U prirodi se susreu razni oblici energije, koju ispoljavaju najraznovrsnija tela: kamen kada pada, automobil kada se kree, vratilo kada se obre itd. Sva ova tela na raznovstan nain ispoljavaju isti oblik energije, energiju kretanja spoljanjih vidljivih tela (makrotela) koja se naziva MEHANIKA ENERGIJA.

Pored kretanja spoljanjih vidljivih tela, poznata su prema molekularno kinetikoj teoriji, i kretanja unutar tela, koje vre molekuli i atomi u njima, kao i sile koje deluju izmeu njih tkzv. meumolekularne privlane sile.

Spoljanji odraz kretanja molekula i atoma jeste, prema molekularno - kinetikoj teoriji, temperatura tela. Ukoliko je ivlje kretanje unutar tela, utoliko takvo telo poseduje veu unut-ranju toplotnu energiju.

Isto tako i mnogi drugi oblici energije: elektrina, hemijska, nuklearna itd. jesu odraz odgovarajue vrste kretanja (promene) unutar tela.

POTENCIJALNA energija se ispoljava u mogunosti da se telo kree. Voda skupljena u jezeru na nekoj visini moe da poslui za obrtanje vodeninog kamena ili vodene turbine. Poten-cijalna energija ima tu osobinu da se pretvara u kinetiku mogunost za kretanje pretvara se u samo kretanje.

HEMIJSKA energija goriva, moe da se iskoristi ako gorivo gori. Vodena para pod pritis-kom u cilindru ispred klipa moe da se iri i potiskuje klip, ili u loncu sa poklopcem da odie poklopac.

KINETIKA energija se ispoljava u samom kretanju tela odnosno njegovih siunih esti-ca: molekul kada se kree, voda kada tee.

Tu osobinu da se jedan oblik energije pretvara u drugi imaju svi oblici energije. eki kada udara o predmet na nakovnju, zagreje se kao i predmet i nakovanj. Mehanika energija ekia pretvorila se jednim delom u toplotnu energiju, u kretanje estica unutar navedenih tela.

Obrnuto je pretvaranje toplotne energije u mehaniku imamo kod oruja, na raun toplo-te, nastale sagorevanjem baruta dobija se kretanje puanog metka ili topovskog metka. Kretanje automobila se dobija na osnovu toplote dobijene sagorevanjem goriva u motoru.

ELEKTRINA energija se pretvara u svetlosnu (sijalica), u toplotnu (grejalica), u mehani-ku (elektromotor), u hemijsku (galvanski element).

Preciznim merenjima je utvreno da se umesto isezle energije jednog oblika uvek javlja-ju odreene koliine energije drugih oblika.

Na osnovu toga otkriven je ZAKON O ODRANJU I PRETVARANJU ENERGIJE, po kome se energija ne moe ni proizvesti ni unititi ve moe samo jedan oblik energije da se pretvori u drugi njen oblik. Godina 1842 se odnosi na uvoenje u nauku ovog znaajnog zakona fizike.

1. Osnovni pojmovi i veliine iz termodinamike 2 1.2. RADNO TELO (SISTEM) 1.2.1. IDEALAN GAS

Pretvaranje jednog oblika energije u drugi je vezano za telo, koje se u termodi-namici naziva RADNO TELO.

Sva ostala tela se tretiraju kao okolna sredina OKOLINA.

Radno telo moe da bude vrsto, teno ili gasovito i da u datim uslovima poseduje veu ili manju sposobnost za vrenje rada, tj. da ima veu ili manju sposobnost da menja svoje stanje ili da utie na menjanje stanja drugih tela iz svoje okoline. Pri tome je vano pravilno uoiti u posmatranom procesu meusobnu zavisnost celog sistema koji obrazuje radno telo i okolna tela, kao i posebnu ulogu svakog tela u sistemu.

Pri pretvaranju toplotne u mehaniku energiju pokazalo se da je najzgodnije da radno telo bude gasovito telo, jer su se gasovita tela, zbog svoje osobine koja se oituje u tenji da zauzmu to je mogue vei prostor u svojoj okolini, odnosno zbog osobine da mogu lako da menjaju svoj oblik i zapreminu pokazala kao najpogodniji posrednik u pretvaranju toplotne energije u me-haniku.

Na osnovu molekularno-kinetike teorije, molekuli unutar tela se neprestano kreu, a osim toga izmeu molekula deluju privlane sile:

kod vrstih tela ove sile su najjae i dre molekule blizu jedan drugom, kod tenih tela ove sile su slabije pa su molekuli meusobno udaljeniji. Otuda

dolazi do konstatacije da vrsta tela imaju svoj oblik a tena nemaju. kod gasovitih tela privlane sile su neznatne, molekuli su jako udaljeni jedan od

drugog, pa se time objanjava tenja da gasovita tela zauzmu to vei prostor u svojoj okolini, odnosno da lako menjaju svoj oblik i zapreminu.

U termodinamici je uveden pojam IDEALAN GAS, ije su molekularne sile zanemarljive (tee nuli) a molekuli su materijalne take. Idealan gas u prirodi ne postoji, ali zakoni do kojih se dolo su blii stavrnom radnom gasovitom telu, ukoliko je ono dalje od tenog stanja, odnosno dalje od take kondenzovanja (od pritiska i odgovarajue temperature pri kojima se to gasovito telo pretvara u teno).

Razni gasovi u istim uslovima su razliito udaljeni od take kondenzovanja: pri normal-nom atmosferskom pritisku azot prelazi u teno stanje pri 196oC; vodonik na -223oC, dok vodena para prelazi u teno stanje na +100oC.

Molekularne sile se smanjuju sa povienjem temperature i smanjenjem pritiska. Prema tome za jedan te isti gas, vai pravilo da je blii idealnom gasu ako se pri istom pritisku tempera-tura poveava i obrnuto.

Poznat je i visoko jonizovani gas, ija je veina estica naelektrisana, a koji se naziva plazma.

1.3. GASOVI 1.3.1. PODELA PREMA PRIMENI:

tehniki gasovi, gorivi gasovi.

Tehniki gasovi su tehniki proizvedeni gasovi, i koriste se u razliitim granama privrede i za razliite postupke. Najee korieni tehniki gasovi su: kiseonik, vazduh, vodonik, azot, ugljendioksid, acetilen, argon, amonijak, propan i butan. Neki od ovih gasova su i gorivi gasovi: vodonik (nekad bio), acetilen (u tehnici zavarivanja); propan i butan. primena tehnikih gasova moe biti razliitai najee ih koristimo u rashladnoj tehnici, medicini, i u drugim oblastima. Za proces sagorevanja od posebnog znaaja je kiseonik i vazduh.

Industrijska postrojenja 2 3 Gorivi gasovi se dele prema izvoru dobijanja:

iz uglja, iz nafte, iz zemlje, sporedni produkti nekih procesa.

Tabela 4.1 Vrste gasova prema nainu dobijanja moguui zapreminski procenat (%) Izvor

dobijanja vrsta gasa H2 CO CH4 C3H8 CO2 N2 O2 Hd

(MJ/m3) gradski 45,5 9,5 27,5 - 8,2 9,2 0,1 16,12 koksni 56 5,5 23,7 2,3 2,1 10 0,4 17,56

ugalj generatorski -vazduni -vodeni -meani

6 49 12

23 42 28

3,4 0,5 3

0,2 -

0,2

5 5,3 3

62,4 3,2

53,8

-

-

-

4,81 10,8 6,03

zemlja prirodni - - 97,1 1,99 0,91 - - 35,8 rafinerijski razno razno

nafta TNG -propan C3H8 -butan C4H10

razno -

93,21 123,81

gas visokih pei 2 30 - - 8 60 - 3,96 hem. procesi biogas - - 65 - 35 - - 24,5

Prema hemijskim i fizikim osobinama ili prema toplotnoj moi (u cilju standardizacije gasne opreme). Prema toplotnom optereenju gorionika (Wobbeov broj) formirane su 3 grupe:

I gasna grupa obuhvata gasove koji dobro sagorevaju, lako se meaju sa vazduhom, sagorevaju kratkim plavim plamenom, ne stvaraju a i pri ijem sagorevanju ne dolazi do pov-ratka plamena (napr.: koksni i gradski gas),

II gasna grupa sagorevaju sa neto duim plamenom nego I grupa, a pri sagorevanju nastaje ugljenmonoksid, dok se plamen odvaja od mlaznice (napr.: prirodni gas),

III gasna grupa gasovi koji se tee meaju sa vazduhom u odnosu na prve dve grupe, vrh plamena je ute boje i pri ijem sagorevanju dolazi do stvaranja ai (napr.: teni naftni gas TNG).

GASOVI IZ UGLJA Gasovi iz uglja se dobijaju suvom destilacijom kamenog uglja. U zavisnosti od tempera-

ture procesi degasifikacije mogu biti na temperaturama do 600oC (svelovanje) i na tempera-turama iznad 600oC (koksni gaS). Svi postupci su bez prisustva vazduha.

PRIRODNI ZEMNI GAS Prirodni gas je svaki gas prirodnog porekla, koji se nalazi u zemlji i koji se u osnovi sas-

toji od metana i manjih koliina drugih ugljovodonika parafinskog niza.Poznatiji prirodni gasovi su: barski, kanalski i zemni.

Barski gas se javlja u jamama kamenog uglja pa se naziva i jamski gas. Kanalski gas se dobija biolokim bistrenjem vode. Zemni gas: na poetku je bitno uoiti znaenje termina prirodni gas. Osim navedenog,

ireg znaenja prirodnog gasa, uobiajeno je da se, zbog izuzetno iroke primene u uem smislu pod prirodnim gasom podrazumeva zemni i naftni gas, zajedno. Takav prirodni gas i nafta su or-ganskog porekla, a nastali su taloenjem odumrlih organizama i stena, bez prisustva kiseonika, na razliitim dubinama uz pojavu visokih pritisaka (do 300 bara) i temperaturA (180 oC). Nalazita u kojima su prirodni gas i nafta vezani, gde je gas otopljen u nafti i izdvaja se sniavanjem pritiska daju naftni gas. Meutim postoje nalazita prirodnog gasa koja nemaju naftu, i gas iz njih dobijen naziva se zemni gas.

1. Osnovni pojmovi i veliine iz termodinamike 4 Prirodni gas je meavina sagorivih i nesagorivih komponenata, gde osim metana postoje i

drugi gasovi:

a) Zapreminski i procentualni sastav (detaljnije nego u Tabeli 4.1): metan CH4 97,049 %, etan C2H6 0,919 %, propan C3H8 0,363 %, i butan i C4H10 0,084 %, n butan n - C4H10 0,078 %, azot N2 0,936 %, ugljen-dioksid CO2 0,527 %

b) Ostale karakteristike: gustina pri normalnim uslovima 0,780 kg/m3, gustina pri standardnim uslovima 0,740 kg/m3, relativna gustina 0,580 kg/m3, donja toplotna mo pri stand. uslovima 33.500 kJ/sm3 dinamiki viskozitet 61006,11 kg/ms, kinematski viskozitet 6'1096,13 kg/ms.

Vrsta gasa i njegov sastav odreuju i njegovu primenu a sastav ne samo iz razliitih ve i iz istih je promenljiv. Prirodni gas moe da sadri i druge neeljene primese: ugljendioksid, azot, vodenu paru, vodonik sulfid, merkaptan ili druga organska sumporna jedinjenja.

Prema sastavu razlikujemo mokri i suvi gas. Suvi prirodni gas sadri manju koliinu ga-zolina (vii ugljovodonici) i ne zahteva bitniju doradu. Mokri gas sadri vee koliine viih ugl-jovodonika i mora se pre upotrebe doraditi. moe se klasifikovati i kao kiseli ukoliko sadri vee koliine sumpornih jedinjenja i ugljendioksida, tada je korozivan i neprijatnog mirisa i neutralan, ako ne sadri pomune elemente nije korozivan i nema neprijatan miris.

Kada se ispitivanjem otkrije nalazite gasa ili nafte, pristupa se buenju. Tokom buenja se stalno ispituje vrsta i sastav buotine. Prilikom eksploatacije gasne buotine, koristi se pritisak gasa iz buotine. postavljeni ureaji zavise od vrste nalazita.

Kod naftno-gasnog nalazita bui se vie buotina povezanih u sabirnu stanicu. Zavisno od sastava nafte i gasa, upotrebe i poloaja mogu se vriti procesi:

odvajanja gasa iz nafte, suenje gasa, izdvajanje sumpora ako ga ima, odvajanje ugljendioksida u gasu, odvajanje mehanikih neistoa (filtracija), degazolinaa (izdvajanje gazolina, propana i butana),

Kod dobijanja gasa iz gasne buotine, sve buotine se spajaju u centralnu gasnu stanicu u kojoj se vri filtriranje i suenje (dehidriranje) gasa. Ukoliko je potrebno, a zavisi od kvaliteta gasa, mogu postojati i drugi postupci obrade gasa. Izmeu sabirnog cevovoda i buotine postav-lja se za svaku buotinu regulaciona stanica RC, kako bi se regulisali pritisak i protok u cilju op-timalnog iskorienja buotine.

U praksi se vrlo esto za zemni gas sree naziv metan. Ovaj naziv je karakteristian za zemni gas sa izuzetno visokim procentom metana.

Gradski gas je nekada kao to je danas prirodni gas bio osnovni u domainstvu koji koristi gasnu instalaciju ali se njegova primena svuda naputa. Dobija se iz postrojenja gasnih generatora suvom destilaciojom odnosno sagorevanjem kamenog i mrkog uglja, drveta ili drvenog uglja umura. Ako je re o kamenom uglju, sagorevanje je na temperaturi od 900 do

Industrijska postrojenja 2 5 1100 C bez prisustva vazduha. njegova osonova je vodonik (Tabela 4.1), ali poto sadri i 9,5% ugljenmonoksida, vrlo je otrovan.

Generatorski gas se dobija istim postupkom kao i gradski gas i danas se koristi u retkim sluajevima. Po nainu proizvodnje deli se na:

vazduni, kojemu se pri proizvodnji dodaje vazduh i ima mali procenat vodonika, vodeni, kojemu se dodaje vodena para pri proizvodnji i ima velik procenat

vodonika, meani, kojemu se dodaje vodena para i vazduh, sadri dosta velik procenat CO,

pa je jako otrovan. Rafineriski gas nastaje u rafinerijama kao nuz proizvod prerade nafte. ima visoku top-

lotnu mo, koja zavisi od sastava nafte. Upotreba mu je internog karaktera, odnosno koriste ga rafinerije kao pogonsko gorivo ili kao sirovina petrohemijske industrije. Ova vrsta gasa se moe koristiti u smesi sa prirodnim gasom za snabdevanje potroaa putem gradske mree.

Teni naftni gas TNG (eng.: LPG Liquified Petroleum Gas) su gasovi koji se ve pri relativno niskim pritiscima kondenzuju, pa su otuda i dobili svoj naziv. Mogu se dobiti na dva naina i to u rafinerijama kao nusprodukt pri proizvodnji visoko-kvalitetnih benzina, kao i pri preradi prirodnog gasa. Transportuju se kao i sve ostale tenosti, dok se u gasovito stanje pretva-raju tek neposredno pre procesa sagorevanja. U ova goriva spadaju propan, butan i njihove smese. Koriste se u domainstvu a sve vie za pogon motornih vozila.

1.3.2. PODELA GASOVA PREMA PODRUJU PRIMENE: ispitni, gasovi za supstituciju

Ispitni gasovi su gasovite smee u kojima se pojavljuju vodonik, propan, butan, azot, propilen i vazduh. Sastav ispitnog gasa se odreuje na osnovu kriterijuma ispitivanja odreenog gasnog aparata. Tako, ukoliko se eli ispitati postojanost protiv vraanja plamena, primenie se smea sa veim sadrajem vodonika, a postojanost protiv oduvavanja plamena, smesom sa veim sadrajem azota.

ispitnim gasovima se ispituju sledee karakteristike gasnih potroaa: nazivno optereenje, sigurno sagorevanje bez vraanja plamena, pri 85% optereenja, sigurno sagorevanje bez oduvavanja plamena, pri 100% optereenja, sigurno paljenje pri 85% i 105% optereenja, kvalitet sagorevanja pri normalnom optereenju (100%) i pri forsiranom optere-

enju (110%). Gasovi za supstituciju je smea gasova koja moe bez naknadnog podeavanja i drugih

zahteva na gasnim instalacijama omogui isti uinak plamenika i isti kvalitet sagorevanja kao i gas koji se zamenjuje. To znai da gasovi za supstituciju moraju ispuniti sledee zahteve:

Wobbeov indeks, a time i toplotna mo kao i relativna gustina supstitucionog gasa moraju biti isti, ili se za propisanu veliinu mogu razlikovati od gasa koji se zamenjuje,

koliina usisanog vazduha mora za atmosferske gorionike ostati ista, kvalitet sagorevanja moe biti bolji a nikako loiji (sadraj CO itd.), plamen mora ostati stabilan.

1. Osnovni pojmovi i veliine iz termodinamike 6 1.4. FIZIKE I TEHNIKE VELIINE

1.4.1. PRITISAK Pritisak je jedna od veliina stanja. Treba da razlikujemo sledee vrste pritisaka: atmos-

ferski ili barometarski, manometarski (nadpritisak), vakum (podpritisak), statiki i dinamiki. Pritisak kojim atmosvera deluje na povrinu zemlje naziva se atmosferski pritisak. Zavisi

od atmosferskih prilika i visinskog poloaja, i menja se u uskim granicama od pomenutih zavis-nosti. Poto se u praksi meri pritisak u zatvorenim sudovima ili prostoru, on je vii ili nii od at-mosferskog. Pritisak vei od atmosferskog naziva se nadpritisak ili manometarski pritisak. Priti-sak nii od atmosferskog naziva se vakum ili podpritisak.

Ako se gas nalazi u nekoj zatvorenoj posudi usled kretanja molekula nastaje pritisak gasa na zidove posude. Pri tome se pritisak iri na sve strane podjednako. Pritisak raste ako je kretanje molekula intenzivnije, a taj intenzitet je posledica rasta temperature ili smanjenja zapremine.

U SI sistemu mera pritisak se izraava u Pa (paskalima), to odgovara delovanju sile od 1N na povrinu 1 m2, tj.:

,

AFp = gde je: p pritisak, Pa; F sila, N; A povrina, m2. (1.1)

Kako je 1N = 1 kgm/s2, to je 1 Pa = 1 N/m2 = 1 kgm/s2m2 = 1 kg/(s2m). U gasnoj tehnici uobiajeno je da se za nie pritiske gasa koristi mbar, a za vie bar.

Tabela 2.1 Jedinice za pritisak Pa (N/m2) bar mbar mm H2O* at (kp/cm2)* Tor (mmHg)* atm*

1Pa (N/m2) 1 10-5 10-2 0,102 0,0000102 0,0075 9,87 610 1bar 105 1 10200 1,020 750 0,987

1 mbar 100 0,001 1 10,20 0,00102 0,75 41087,9 1 mm H2O 9,81 51081,9 0,0981 1 10-4 0,07355 51068,9

1 at (kp/cm2) 98100 0,981 981 104 1 735,5 0,968 1(mmHg) 133,3 1,333 310 1,333 13,6 0,00136 1 0,00132

atm 101300 1,013 1013 10330 1,033 760 1 * zastarele jedinice (van MKS sistema).

Pritisak gasova je jedna od veliina koja opisuje stanje gasa. Mogu se razlikovati sledee vrste pritiska:

atmosferski ili barometarski pritisak kojim atmosfera deluje na povrinu zemlje, zavisi od atmosferskih prilika i visinskog poloaja,

manometarski (nadpritisak) - pritisak vii od atmosferskog, vakuum (podpritisak) - pritisak nii od atmosferskog, statiki, i dinamiki.

Pritisak se moe posmatrati kao relativna pm (u odnosu na atmosferski pritisak pb) ili ap-solutna veliina pa (u odnosu na nulu).

pa = pb + pm pa = pb - pv gde je: (1.2) pa = pb + pm pa = pb pv

Industrijska postrojenja 2 7 Mada je pa veliina stanja, meri se uvek veliina pm manometarski (nadpritisak) i pv

vakum (podpritisak). Ureaji za merenje ovih pritisaka su:

manometri za nadpritisak, barometri za atmosferski pritisak, vakummetri za podpritisak.

Osnovna jedinica za merenje pritiska je Paskal (Pa), i predstavlja pritisak sile od 1 N (Njutn) na povrinu od 1 m2.

Koristi se i bar:

1 at = 98066 Pa ne koristi se! 1 bar = 105 Pa.

Pritisak moe biti meren pri mirovanju (statiki) i pri kretanju. Statiki pritisak je kada su ventili i slavine zatvoreni, tj. kada nema kretanja gasa. Meri se manometrom i pokazuje nam pri-tisak unutar instalacije. Prilikom otvaranja slavine manometar e pokazati da je pritisak gasa pri kretanju manji od statikog.

2/2wpp mirkret = (1.3) gde je:

w2/2 dinamiki pritisak, - gustina gasa, w - brzina strujanja gasa

Razlika pritiska pri mirovanju i kretanju je dinamiki pritisak. U gasnoj tehnici se sreu i sledei nazivi:

prikljuni pritisak (pritisak na mestu prikljuenja potroaa), pritisak u gorioniku (pritisak u gorionicima pre meanja sa vazduhom), pritisak u mlaznici (pritisak smee neposredno pred mlaznicom).

1.4.2. SMEA GASOVA Daltonov zakon: gasovito gorivo je smea vie gasova koji meusobno ne stupaju u

hemijsku reakciju. Smea se ponaa kao idealan gas pa za nju vrede sve zakonitosti vaee za idealan gas. Svaka komponenta smee ispunjava ceo prostor i ponaa se prema svojoj jednaini.

Pritisak smee jednak je zbiru pritisaka komponenti koje je sainjavaju:

p = p1 + p2 + ..............+ pn. (1.4)

Takoe, zapremina smee jednaka je zbiru zapremina pojedinih komponenti:

V = V1 + V2 + ................Vn . (1.5)

Pritisak bilo koje komponente je proizvod iz pritiska smee i zapreminskoguea kom-ponente u smei:

prp ii = (1.6)

Zapreminsko uee ri komponenti u smei je odnos zapremine komponente prema zapremini smee:

./VVr ii = Moe se zakljuiti da vai i: VrV ii = (1.7)

1. Osnovni pojmovi i veliine iz termodinamike 8

VVf n /=

odnosno, da je zapremina pojedine komponente jednaka proizvodu njenog zapreminskog uea i zapremine smee.

1.4.3. ZAPREMINA GASA MASA GASA S obzirom da stanje gasa, u zavisnosti od temperature i pritiska, moe biti razliito, razli-

kujemo: 1. Normalni metar kubni (nm3). To je masa gasa koji se nalazi u normalnom stanju.

Normano stanje je stanje u kome gas ima temperaturu 0oC i pritisak 1,013 bara. 2. Standardni metar kubni (m3). To je masa gasa temperature 15oC i pritisak 1,013 bara. 3. Pogonski metar kubni. Masa gasa koja u pogonskom stanju zauzima jedan m3. Po-

gonsko stanje je stanje gasa na mestu gde se vri merenje. Temperatura i pritisak mogu biti razliiti.

Odnos koliine gasa u normalnom i pogonskom stanju naziva se faktor redukcije:

(1.8)

Faktor redukcije se lako izraunava i zavisi od pritiska i temperature pogonskog stanja. Koliina goriva u gasnoj tehnici se osim jedinicama mase (kg), moe izraziti i jedinicama

zapremine (m3) ili koliinom materije (kmol). Pri tome, koliina goriva iskazana u m3 zavisi od temperature i pritiska, dok masa izrae-

na u kg ne zavisi od temperature i pritiska. Zato su uvedeni normalni, standardni i pogonski kub-ni metar, kako bi ve sam nazivupozorio na pripadnu temperaturu i pritisak:

Pogonsko stanje nekog gasa je stanje u kojem se nalazi gas (obino ispred gasomera) a koje se oznaava temperaturom, pritiskom i vlanou (napr.: 15oC, 980 mbar, vlaan).

Oznaka suv odnosi se na gas nakon odbitka sadraja vodene pare. Oznaka vlaan odnosi se na gas zasien parom pri radnoj temperaturi i pritisku. Stepen zasienja gasa vodenom parom, tj. stanje izmeu suvog i vlanog gasa, ne izraava se procentima ako nemamo tane podatke.

Protok gasa je ona koliina gasa koja u vremenu t protekne kroz neki gasovod, a izraava se kao:

zapreminski protok

t

VQV = , izraen u m3/s ili u m3/h,

maseni protok

t

mQm = , izraen u kg/s ili u kg/h,

Molarna masa M je masa gasa sadrana u 1 kmol gasa, a ima dimenziju kg/kmol. Prividna molarna masa gasne smee je:

...

...

21

2211

++

++=

VVMVMV

M sm

gde je: Msm prividna molarna masa smee, kg/kmol, V1,V2 zapremine komponenti, m3, M1,M2 molarne mase komponenata, kg/kmol.

Industrijska postrojenja 2 9 Kilomol je ona koliina gasa koja sadri M kg gasa. Hiljadu puta manja koliina gasa na-

ziva se mol. 1mol bilo kojeg idealnog gasa pri istom pritisku i istoj temperaturi zauzima jednaku zapreminu. Za normalne uslove (0C, 101325 N/m2 ) molarna zapremina iznosi:

4138,22101325

15,27341,8314=

==

n

n

M pMRTV m3/kmol.

Gornja jednaina se naziva Avogadrov zakon. Molarna zapremina VM jednak je odnosu molarne mase i gustoe:

.,

2

1

2

1

==

MM

odnosnoMVM

gde je: VM - molarna zapremina, m3/kmol. M - molarna masa, kg/kmol. r - gustina gasa, kg/m3.

1.4.4. GUSTINA Gustina je odnos mase prema njenoj zapremini:

= m/V (kg/m3).

Poto stanje gasa zavisi od pritiska i temperature i njegova gustina e biti razliita. Normalna gustina je gustina gasa pri normalnom stanju: n = m/Vn.

Za gasnu tehniku je interesantna relativna gustina dv koja predstavlja odnos gustine gasa i vazduha pri istom pritisku i temperaturi:

vazduhagasavd /=

Gustina vazduha u normalnom stanju je 1,293 (kg/m3), pa je relativna gustina gasa:

dv = gasa/1,293.

Vrednost relativnih gustina za neke gasove je: zemni gas 0,6 gradski gas 0,5 propan 1,562 butan 2,091.

Za gasne smee gustina se odreuje:

n

nn

VVVVVV

....

.....

21

2211

++

+++=

gde je: Vi zapreminski udeo pojedinih komponenti, i normalna gustina komponenti.

1. Osnovni pojmovi i veliine iz termodinamike 10 Wobbeov broj W je pokazatelj toplotnog optereenja potroaa. Predstavlja odnos top-

lotne vrednosti i korena relativne gustine.

v

gg

v

dd

v dH

Wd

HWdHW === ;; (kJ/m3).

On je srazmeran osloboenoj toploti na izlazu gorionika, ali pri stalnom pritisku gasa. Daje nam mogunost uporeivanja razliitih gasova (sagorevanja) na istom gorioniku, odnosno, mogunost zamene gasa pri istoj opremi. Pri tome se mora odrediti prenik mlaznice i pritisak gasa ispred potroaa.

.;2

1

212

2

112

==

g

g

g

g

WW

ppWW

dd

Gasovi sa istim Wobbeovim brojem mogu sagorevati u istom gorioniku. 1.4.5. SPECIFINA TEINA

Teina jedinice zapremine naziva se specifina teina :

VG

= (N/m3). Obrnuto je srazmerna specifinoj zapremini v : v

1= .

Specifina zapremina je zapremina jedinice teine:

GV

v = (m3/N).

1.4.6. KRITINI PRITISAK I TEMPERATURA Poto su svi gasovi nezasiene ili pregrejane pare nastale iz tenosti sa niskim takama

kljuanja, jasno je da se i svi gasovi mogu hlaenjem pri odreenom pritisku, kondenzovati. Meutim, neki gasovi kao kiseonik, vazduh, ugljendioksid i jo neki nisu mogli ni pri na-

jniim temperaturama i najveim pritiscima da se pretvore u tenost. Kasnije se pokazalo da se i ovi gasovi mogu kondenzovati samo ako se rashlade do neke odreene temperature, i tada izloe odreenom pritisku.

Temperatura ispod koje se gas mora ohladiti da bi se kondenzovao naziva se kritina temperatura. Pritisak potreban za kondenzaciju na kritinoj temperaturi naziva se kritini priti-sak.

Dakle, za sve gasove postoji kritina temperatura, iznad koje se gas ne moe prevesti u tenost.

1.4.7. TOPLOTNA MO Toplotna mo goriva je ona koliina toplote koja se dobija potpunim sagorevanjem jed-

inine koliine goriva (1 kg ili 1 nm3), a da se pri tome vlaga u produktima sagorevanja nalazi u parnom stanju. Prema tome, moe se definisati opta formula:

Jedinica koliine toplote u SI sistemu je J (dul) ili Ws. ranija jedinica je bila kalorija, koja je bila definisana kao koliina toplote potrebna da se 1 dm3 destilovane vode zagreje sa 14,5oC na 15,5oC, pri pritisku od 1,013 bara i temperaturi od 0oC.

Industrijska postrojenja 2 11

1 cal = 4,18 J

Razlikuje se donja i gornja toplotna mo goriva, u zavisnosti od stanja vlage u produktima sagorevanja. U gorivu osim vlage, sagorevanjem vodonika dobija se voda. Da bi se jedan kg vode zagrejao na 100oC (pri atmosferskom pritisku) i ispario potrebno je utroiti oko 620 kcal.

Donja toplotna mo gasa je koliina toplote koja se dobija agrevanjem 1 nm3 suvog gasa, a da pri tome produkti sagorevanja budu svedeni na normalno stanje (0oC i 1,013 bara), a da vodena para u njima se ne kondenzuje.

Ukoliko su dimni gasovi reducirani na normalno stanje, a vodena para u njima je konden-zovana, onda se tako dobijena koliina toplote dobijena sagorevanjem gasa, naziva gornja top-lotna mo. Dakle, donja toplotna mo je uvek manja za toplotu kondenzacije od gornje toplotne moi. U praksi se radi sa donjom toplotnom moi gasa, priblino se uzima:

Hd = 0,9Hg.

esto je potrebno znati i pogonsku toplotnu mo. To je koliina toplote dobijena od po-gonskog gasa, sa redukovanim dimnim gasovima na poetno stanje i nekondenzovanom vode-nom parom (Hd):

dp HfH = , f faktor redukcije koji zavisi od temperature i pritiska na mernom mestu.

Toplotna mo gasova H zavisi od mnogo faktora a najvie od vrste i kvaliteta gasa. Or-jentaciono za neke gasove ona je (Tabela 1.1):

Toplotna mo gasne smee rauna se na osnovu toplotnih moi gasova iz te smee. Pri tome se mora znati procentualno uee svakog elementa i koliine toplote koju daje svaki od tih elemenata potpunim sagorevanjem:

Hg = 12,77H2 + 12,64CO + 39,88CH4 + ... (MJ/m3).

Hd = 10,76H2 + 12,64CO + 35,80CH2 + ... (MJ/m3). Tabela 1.1 Toplotna mo gasova

Gustoa kod 0oC i 1013,25

mbar Gornja toplotna mo Donja toplotna mo R. br. Komponenta Hemijska

oznaka

kg/m3 MJ/m3 kcal/m3n MJ/m3 kcal/m3n 1. ugljenmonoksid CO 1,250 12,64 3020 12,64 3020 2. vodonik H2 0,089 12,77 3050 10,76 2570 3. metan CH4 0,717 39,88 9520 35,80 8550 4. acetilen C2H2 1,172 58,15 13890 56,10 13400 5. etilen C2H4 1,261 64,02 15290 59,96 14320 6. etan C2H8 1,356 70,43 16820 64,35 15370 7. propilen C3H6 1,915 94,37 22540 88,22 21070 8. propan C3H8 2,019 101,83 24320 93,58 22350 9. butan C4H8 2,50 124,81 29810 116,57 27840 10. n-butan C4H10 2,703 134,03 32010 123,56 29510 11. i- butan C4H10 2,67 132,02 31530 121,63 29050 12. pentan C5H12 3,22 157,85 37700 146,08 34891

1. Osnovni pojmovi i veliine iz termodinamike 12 1.4.8. BRZINA IRENJA PLAMENA

Uz toplotnu mo jedna od najvanijih osobina gasa je brzina irenja plamena ili brzina paljenja. To je brzina kojom se kree front (elo) plamena u smei gas-kiseonik, merena u (m/s). irenje plamena se objanjava time da smea koja sagoreva greje i dovodi do paljenja susedne slojeve smee.

Brzina paljenja zavisi od odnosa smee, temperature, pritiska i vrste gasa. Za neke od gasova ona iznosi u (m/s):

vodonik 2,65 gradski gas 0,65 zemni gas 0,32 metan 0,34 etan 0,4 propan 0,39 butan 0,38 Vidi se da su brzine palenja priblino jednake, to navodi na mogunost korienja gori-

onika, uz odreene promene.

1.4.9. TEMPERATURA Temperatura je stepen zagrejanosti nekog tela. Telo koje ima viu temperaturu predaje

toplotu telu nie temperature, sve dotle dok oba tela ne budu iste temperature. Za tela sa istom temperaturom kaemo da se nalaze u toplotnoj ravnotei.

Osnovna jedinica SI sistema termodinamike temperature je stepen Kelvina. Druga mera temperature je stepen Celzijusa. Taka mrnjenja vode oznaena je sa 0oC, a taka kljuanja sa 100oC.

0oC = 273,16 K.

Temperatura od 273,16oC se naziva apsolutna nula, jer je na toj temperaturi pritisak gasa jednak nuli. Apsolutna temperatura se rauna od apsolutne nule prema jednaini:

T = 273,16 + t; t temperatura u oC.

Temperatura se ne moe meriti neposredno, a ureaji za posredno merenje temperature se nazivaju termometri.

TEMPERATURA PALJENJA gasa je temperatura na kojoj e se smea gasa i vazduha (ili kiseonika) zapaliti sama, bez otvorenog plamena. Ovo omoguava ve zapoeti proces sagorevanja, gde je toplota sagorevanja i pored odvoenja toplote, dovoljno velika da se proces sagorevanja nastavlja.

Temperatura paljenja gasa u smei sa kseonikom se razlikuje od temperature paljenja gasa u smei sa vazduhom. temperature paljenja vanijih meavina gasa i vazduha su date u sledeoj tabeli.

Tabela 1.2 Temperature paljenja Vodonik 530 oC Ugljenmonoksid 610 Metan 645 Propan 510 Acetilen 335 Etan 530 Butan 490 Gradski gas 560 Zemni gas 640

Industrijska postrojenja 2 13 1.4.10. GRANICE ZAPALJIVOSTI I EKSPLOZIVNOSTI

Poto ni jedan gas u koncentraciji 100 % ne sagoreva, neophodno je dovoenje kiseonika ili vazduha, da bi se ostvarila reakcija. Koliine kiseonika ili vazduha koji se dovodi su razliite, i zavise od gorivog gasa. Smea gasa i vazduha ili kiseonika e sagorevati bez dovoenja toplote sa strane, u odreenim granicama koncentracije. U koliko bi se iz smee oduzimao gas a dovodio kiseonik, jednog trenutak abi sagorevanje prestalo. Isto bi se desilo ukoliko bi smei oduzimali kiseonik a dodavali gas. Ove dve granice se nazivaju donja DG granica zapaljivosti ili ek-splozivnosti, odnosno gornja granica GG. U prvom sluaju se radi o siromanoj smei, a u drugom sluaju o prebogatoj smei (slika 4.1).

Slika 1.1 Granice zapaljivosti

Dakle, sagorevanje je mogue samo u podruju izmeu donje i gornje granice eksploziv-nosti. U podruju ispred donje i iza gornje granice nema sagorevanja. poto je sagorevanje gas-ova burno, odnosno sa velikom brzinom sagorevanja, to je praeno i pojavom zvuka (ek-splozivnosti), gornju i donju granicu zapaljivosti poistoveujemo sa donjom i gornjom granicom eksplozivnosti.

Tabela 1.3 Granice zapaljivosti nekih gasova (zapreminski %) ugljenmonoksid 12,5 74 vodonik 4 75,6 metan 5 15 etan 3 15,5 propan 2,1 9,5 butan 1,5 8,5 gradski gas 5 38 zemni gas 5 15

Tane vrednosti granica eksplozivnosti za smee gasova moe se izraunati prema for-muli Le Chatelier-a:

+++=

+++=

n

n

n

n

GGEV

GGEV

GGEVGGE

DGEV

DGEV

DGEVDGE

.......100

.......100

2

2

1

1

2

2

1

1

(zapremnski %),

gde je: DGE i GGE donja i gornja granica eksplozivnosti smee, DGE1 i GGE1 - donja i gornja granica eksplozivnosti komponenti, V1 ......Vn - zapreminski udeo komponenti.

1. Osnovni pojmovi i veliine iz termodinamike 14 1.4.11. TEMPERATURA GORENJA I SAMOZAPALJENJA

Temperatura gorenja je temperatura pri potpunom sagorevanju produkta u uslovima bez odvoenja toplote (adijabatski uslovi), sa koeficijentom vika vazduha = 1,0 i na temperaturi gasa od 0oC.

=

pi

dg

cVH

t

gde je: tg temperatura gorenja, Hd donja toplotna mo, Vi zapremina sagorelih komponenata gasa, cp specifina toplota.

Temperatura samozapaljenja je minimalna temperatura do koje treba da se zagreje smea gasa, koliina gasa u smei, pritiska i nekih drugih uslova gorenja.

Tabela 1.4 Temperature gorenja, plamena i samozapaljenja gas tg tplamena tsamozapaljenja

metan 2045 1830 650 etan 2100 1895 510 propan 2110 1925 500 butan 2120 1900 429

1.4.12. SAGOREVANJE GASNIH GORIVA Sagorevanje je spajanje materije sa kiseonikom uz pojavu plamena, pri emu se hemijski

vezana energija oslobaa iz goriva u obliku toplote. Drugim reima, sagorevanje je brza eg-zotermika oksidacija, za razliku od spore oksidacije bez pojave plamena, kao to je naprimer korozija.

Gasna goriva se mogu javljati kao elementarna (napr. vodonik) ili kao smea raznih gas-ova (napr. prirodni gas). Prema tome toplotna mo e zavisiti od sastava smee, odnosno od top-lotne moi svake komponente smee.

Osim gorivih komponenti pri sagorevanju se javljaju i negorive inertne komponente, kao ugljendioksid ili azot. One mogu biti u samom prirodnom gasu, a azot se dovodi i sa vazdu-hom za sagorevanje.

Da bi sagorevanje moglo poeti i nesmetano trajati potrebno je ispuniti ove uslove: treba biti dovoljno kiseonika koji se najee dovodi sa okolnim vazduhom

(osim kad elimo postii visoke temperature kao kod zavarivanja pa do-vodimo ist kiseonik),

gorivi gas i vazduh moraju biti dobro izmeani, smeu gasa i vazduha treba potpaliti inicijalnim paljenjem (napr. iskra, pilot

plamen) ili sagorevanje nastaje samopaljenjem, tj. kad se dostigne temperatura paljenja.

U cilju to boljeg iskorienja toplote neophodno je potpuno sagorevanje sa stabilnim frontom plamena.

Pravilno (potpuno) sagorevanje se obezbeuje dovoljnom koliinom primarnog vaz-duha. Koliina vazduha moe biti vea ili manja od potrebne, to se moe videti po obliku i boji plamena. Plamen sa vikom vazduha u procesu sagorevanja ima na svojim krajevima i prema unutranjosti plavkastu boju. Plamen sa manjkom vazduha na svojim krajevima ima utu boju. Duina plamena ili njegovo udaranje u grejne povrine, uz slab dovod dekundarnog vazduha moe dovesti do nepotpunog sagorevanja, slabog odvoenja produkata sagorevanja ili stvaranje

Industrijska postrojenja 2 15 ai na grejnim povrinama,a sve to moe imati negativan uticaj na iskorienost toplote gori-onika.

Pod pojmom stabilnog sagorevanja podrazumeva se postojanje plamena, bez njegovog prekidanja (otkidanja) ili vraanja (uvlaenja). Do prekidanja plamena dolazi ako je brzina isti-canja smee gasa i vazduha vea od brzine fronta plamena. Mogue posledice takvog sagore-vanja su:

otkidanje plamena od gorionika a potom gaenje, skretanje i uvlaenje plamena u gorionik.

Prekidanje plamena se moe javiti i pri naglom porastu primarnog vazduha. Posledica prekidanja i gaenja plamena moe biti eksplozija usled poveane koncentracije gasa, i pojava ugljenmonoksida zbog nepotpunog sagorevanja.

Pri manjim brzinama isticanja smea gasa i vazduha i manje brzine irenja fronta plamena dolazi do uvlaenja, povratnog dejstva, plamena u gorionik. Posledica ove pojave je sagorevanje u samom gorioniku, to utie na zagrevanje gorionika, spreavanje dovoenja primarnog vaz-duha u smeu a time i pojavu nepotpunog sagorevanja. Zvuk ovakvog sagorevanja je specifian. 1.4.13. POTREBNA KOLIINA VAZDUHA

Da bi obezbedili potpuno sagorevanje odreene koliine nekog goriva potrebno je odrediti potrebnu koliinu vazduha Vv za takvo sagorevanje. Potrebna koliina vazduha se odre-uje prema sastavu goriva. Opti sastav gasovitog goriva je:

3222242 1mOHCONOHCCHHCO mn =+++++++ .

Sagorive komponente su: CO, H2, CH4 i CmHn. Znajui procentualni sastav goriva i pot-rebne koliine kiseonika za sagorevanje jedininih koliina komponenti, moe se lako dobiti ukupna koliina potrebnog vazduha za jedno gorivo.

Raunom se dobija teorijska koliina vazduha Vvmin koja predstavlja minimalnu vrednost. Potrebna koliina vazduha je:

=

gasamvazduhamVV vv 3

3

min ; gde je - koef. pritiska gorionika (za atmosferske

gorionike = 1,25 do 1,5; za predpritisne gorionike je = 1,05 do 1,02). Ukoliko sastav goriva nije poznat, teorijska koliina potrebnog vazduha se prema

Rosin-Fehling-u moe priblino raunati prema obrascima u Tabeli 1.5. Za sagorevanje sa teorijskom koliinom vazduha moe se odrediti i zapremina

produkata sagorevanja (minimalna koliina) Vps: Vlani produkti sagorevanja.

2221 NOHCOVps ++= (postupak je slian postupku odreivanja koliine vaz-duha).

Suvi produkti sagorevanja sastoje se iz:

222 NCOVps +=

Teorijska koliina produkata sagorevanja gasova je sa vlanim produktima sagore-vanja. Stvarna koliina produkata sagorevanja je:

min1 )1( vpsps VVV +=

1. Osnovni pojmovi i veliine iz termodinamike 16 Ukoliko se ne poznaje sastav gasa, teorijska koliina produkata sagorevanja Vps1min se

rauna slino potrebnoj koliini vazduha, prema jednainama (Tabela 1.6).

Tabela 1.5 Teorijskaa koliina vazduha Vrsta gasa Donja toplotna mo Hd (kJ/m3)

Teorijska koliina vaz-duha Vvmin (m3/m3)

generatorski/vodeni gas 4186 ... 12558 1000

209,0 dH

gradski gas 12558 ... 25116 25,0100026,0

dH

prirodni ili rafinerijski gas 29302 45,01000

255,0+

dH

biogas 24500 45,0100024,0

+ dH

Tabela 1.6 Teorijska koliina produkata sagorevanja Vrsta gasa Donja toplotna mo Hd (kJ/m3)

Teorijska koliina prod. sag. Vps1min (m3/m3)

generatorski/vodeni gas 4186 ... 12558 1,01000

173,0+

dH

gradski gas 12558 ... 25116 25,01000

272,0

dH

prirodni ili rafinerijski gas 29302 6,01000

277,0+

dH

biogas 24500 45,0100024,0

+ dH

Maksimalna koliina ugljendioksida je:

(%).1002max2 =psV

COCO

Gustina produkata sagorevanja je zavisna od gustine pojedinih komponenata i iznosi: .22222222 OHNOCOps OHNOCO +++=

Gustina pojedinih sastojaka smee je: CO2 = 1,977 kg/m3, O2 = 1,429 kg/m3, N2 = 1,250 kg/m3, H2O = 0,8504 kg/m3.

s time da je: CO2 + O2 + N2 + H2O = 1 m3.

Vidi se da e gustina produkata sagorevanja biti vea ukoliko je udeo CO2 vei, odnosno da e gustina produkata sagorevanja biti manja ukoliko je udeo H2O vei.

Ako se ne raspolae tanim podacima, moe se u praksi koristiti vrednost gustine produ-kata sagorevanja prirodnog gasa:

n = 1,25 kg/m3, 100C = 0,92 kg/m3, 300C = 0,60 kg/m3.

Industrijska postrojenja 2 17 1.4.14. KOEFICIJENT VIKA VAZDUHA

Koeficijent vika vazduha je odnos stvarno dovedene koliine vazduha za sagorevanje i potrebne, koja se izraunava na sledei nain:

= V/Vv

Kada je < 1, u proces se uvodi manja koliina vazduha nego to je potrebno. Kada je > 1, dovodi se vie vazduha nego to je potrebno, to dovodi do hlaenja loita. Najbolje je = 1.

1.5. GASNI ZAKONI I JEDNAINE STANJA 1.5.1. OSNOVNI GASNI ZAKONI

Stanje gasa odreeno je zapreminom (ili gustoom), pritiskom i temperaturom. Meu-sobni odnosi tih veliina su izraeni: Bojl-Mariotovim i Gej-Lisakovim zakonima. Iako se zakoni odnose na idealne gasove, vrede i za realne, koji se pod odreenim uslovima ponaaju kao idealni. Takav je sluaj kada se realni gasovi nalaze u podruju pritiska u kojem se kompresibil-nost moe zanemariti.

Gej-Lisakov zakon: zagrevanjem nekog gasa zapremine V1 pri konstantnom pritisku p1 sa temperaturom T1 na temperaturu T2 , zapremina se menja linearno sa temperaturom:

2

1

2

1

TT

VV

= (1.1)

ili izraeno pomou gustine gasa:

1

2

2

1

TT

=

. (1.2)

Bojl-Mariotov zakon: menjali se pritisak gasa p pri konstantnoj temperaturi T, menja se i zapremina V reciprono pripadajuem pritisku. Drugim reima, proizvod pritiska i zapremine pri konstatnoj temperaturi je konstantan:

1

2

2

1

pp

VV

= , (1.3)

ili izraeno pomou gustine gasa:

1

2

1

2

pp

=

. (1.4)

1.5.2. JEDNAINA STANJA GASA Iz Gej-Lisakovog i Bojl-Mariotovog zakona sledi da je vrednost pV/T za sva stanja nekog

gasa konstantna:

.

2

22

1

11 constTVp

TVp

== (1.5)

1. Osnovni pojmovi i veliine iz termodinamike 18

Ta konstanta se naziva gasna konstanta R (J/kgK). Prema tome, jednaina stanja za 1kg nekog gasa glasi:

.; RTpvRTpv

== (1.6)

ili izraeno preko gustine:

.; RTpRTp ==

(1.7)

Za M kg gasa, pri emu je M masa gasa u 1 kmol, jednaina stanja je:

.; MRTpVMRT

pVM

M== (1.8)

takva jednaina se naziva opta gasna jednaina, a konstanta MR optom gasnom kon-stantom, kojoj je vrednost jednaka za sve gasove. U gornjim jednainama je:

p - apsolutni pritisak gasa, Pa = N/m2, v - specifina zapremina gasa (zapremina 1 kg gasa), m3/kg, VM - specifina molarna zapremina gasa (zapremina 1 kmol gasa), m3/kmol, T - temperatura gasa, K R - gasna konstanta, J/(kgK), MR - opta gasna konstanta, J/(kmolK). Promena stanja realnih gasova odstupa od zakona koji vrede za idealni gas i to sve vie

ukoliko je vii pritisak koji deluje na gasove. Tako se matematiki prikazuje gasna jednaina uvoenjem: faktora kompresibilnosti n:

.nRTpV = Za idealan gas n = 1. (1.9)

1.5.3. PROMENA STANJA GASA Iz jednaine stanja (1.5) sledi meusobna zavisnost zapremine, pritiska i temperature.

Razlikuje se promene stanja:

kada je V = const (izohora):

2

1

2

1

TT

pp

=

kada je p = const. (izobara):

2

1

2

1

TT

VV

=

kada je T = const. (izoterma):

;1

2

2

1

pp

VV

= ili pV = const.


2. Zemni ili prirodni gas 2.1. METAN

Metan (CH4), je poznat i kao blatni gas, i najprostiji je zasieni ugljovodonik (alkan). Ukoliko vladaju normalni uslovi on je bezbojan gas.

U prirodi metan nastaje usled bez kiseoninog raspada organskih materija (npr. Na movarama). Metan je glavni sastojak zemnog gasa. Koristi se kao gas za grejanje i kao sirovina za dobijanje organskih jedinjenja.

Molekul metana (donja slika), ima oblik tetraedra. Atom ugljenika s ima sp3 hibridizaciju. Ostale orbitale grade hemijsku vezu sa etri atoma vodonika. Sve etri veze su podjednake (ug-lovi izmeu veza iznose 10928') i veoma su malo polarizovane, to je zajedno sa nedostatkom slobodnih elektronskih parova velike postojanosti ovog jedinjenja. Metan moe da uestvuje sa-mo u reakcijama tipinim za alkane (npr: sagorevae).

Labaratorijski metan se dobija prenjem natrijum acetata sa natrijum hidroksidom: CH3COONa + NaOH CH4 + Na2CO3 Druga metoda je hidroliza aluminijum karbida: Al4C3 +12H2O 3CH4 + 4Al(OH)3 Osobine metana: kritian pritisak 46,3 bar gustina 0,717 kg/m3n toplota sagorevanja 13 264 kcal/kg = 55,53 MJ/kg Meavina metana sa vazduhom u razmeri 1:10 ima eksplozivno dejstvo. Nastanak ovakve

smee u rudnicima je esto razlog velikih eksplozija i smrti mnogih ljudi. Velike koliine metana se nalaza na planetama u obliku mora (kao to na zemlji postoje

mora vode, tako na nekim planetama postoje mora metana)

Slika atoma metana

2.2. ALKANI Alkani su zasieni ugljovodonici, tj. Oni koji ne poseduju viestruke veze izmeu atoma

ugljenika. Razlika izmeu metana i etana je samo u jednoj CH2 grupi. Razlika izmeu svakog sledeeg alkana je takoe u jednoj CH2 grupi. Takav tip hemijskih jedinjenja se na zivaju homo-logi red.

Nazivaju se jo i parafini (od latinskog parum affinis nedovoljno afiniteta), generalno su veoma postojana hemijska jedinjenja.

U enevi 1892 g. Komisija za nomenklaturu: Internacionalna unija za istu i primenjenu hemiju (IUPAC) naziv organskog jedinjenja je opis njegove strukture: jedan deo imena opisuje ugljenikov skelet, a drugi funkcionalne grupe koje su za taj skelet vezane.

Prva etiri lana homologog niza nose nazive metan, etan, butan i propan.

3. Proizvodnja, distribucija i skladitenje prirodnog gasa

20

Alkani se u velikim koliinama mogu nai u nafti (iji najvei deo ine) i u prirodnom ga-su (metan, etan propan i butan). Metan nastaje usled truljenja organskih materija i moe se nai u movarama, a imaga i u rudnicima. Metan u rudnicima predstavlja opasnost, od samozapaljenja.

Fizike osobine alkana zavise od: broja atoma ugljenika a drugi faktor zavisnosti je struk-tura niza. Alkani koji sadre od 1 do 4 atoma ugljenika su gasoviti. Od 5 do 17 su teni, a preko 17 su vrsti.

Oksidacija je proces sagorevanja ugljovodonika.: CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O. Krakovanje je proces razlaganja ugljovodonika na ugljenik i vodonik na visokim tem-

peraturama (preko 500 C) i bez vazduha: 24 2HcCH + Alkani se koriste kao gorivo.

2.3. UVOD I ISTORIJAT Zemni ili prirodni gas je prirodno gasovito fosilno gorivo, sa velikim udelom metana. Jav-

lja se samostalno (suvi zemni gas), ili zajedno sa naftom, obino u gasnoj kapi iznad nafte (vla-ni zemni gas).

Slika 2.1 Prirodni izvor zemnog gasa u rumunskim Karpatima


21

Otkrie prirodnog gasa datira jo od pre nekoliko hiljada godina na Srednjem Istoku, kada je primeeno da dolazi do formiranja goruih izvora na mestima pojave gasa iz zemlje usled ini-ciranja paljenjem. U Persiji, Grkoj ili Indiji, ljudi su gradili hramove oko ovih izvora u cilju obavljanja religioznih obreda. Sve do 900 godina pre Nove ere ljudi nisu shvatali energiju priro-dnog gasa. Nakon toga u Kini dolazi do formiranja prve poznate buotine prirodnog gasa. U Ev-ropi otkrie prirodnog gasa datira iz 1659 godine, Velika Britanija, mada prva komercijalna pri-mena prirodnog gasa zapoinje tek oko 1790 godine.

Tokom 19. veka prirodni gas se uglavnom koristio kao izvor svetlosti, i to veoma lokali-zovano usled nedostatka adekvatnog naina njegovog transporta. Transport prirodnog gasa na velike razdaljine zapoinje tokom dvadesetih godina prolog veka, zahvaljujui tehnolokom na-pretku u formiranju cevovoda. Primena prirodnog gasa doivljava pravi bum nakon II svetskog rata, sa razvojem mree cevovoda i sistema za skladitenje. U celokupnoj svetskoj potronji energije udeo potronje prirodnog gasa predstavlja vie od petine . U poslednje vreme je na dru-gom mestu kao izvor energije, posle nafte. Smatra se kao fosilno gorivo ovog veka, kao to se petrolej smatrao prolog veka i ugalj dva veka ranije.

1971 1997 2020

ugalj nafta prirodni gas atomska en. voda ostalo

Slika 2.2 Ukupno snabdevanje energijom po vrsti goriva

Takoe, predstavlja bezbedan izvor energije prilikom transporta, skladitenja i primene. Iako prirodni gas predstavlja neobnovljivi resurs, pri emu su njegove rezerve ograniene, koli-ine prirodnog gasa su izdane u celom svetu. Rezerve prirodnog gasa se stalno poveavaju, za-hvaljujui novim tehnikama buenja koje dozvoljavaju ire i dublje buotine.

2.4. OSOBINE PRIRODNOG GASA Prirodni gas je gas bez boje, mirisa, ukusa i laki je od vazduha. U gasovitom obliku je na

temperaturama iznad - 161 C. Iz bezbednosnih razloga mu se dodaje hemijski odorant merkap-tan, mirisa na pokvarena jaja, kako bi se moglo registrovati eventualno curenje prirodnog gasa.

Prirodni gas predstavlja smeu lakih ugljovodonika kao to su metan, etan, propan, butani i pentani. Prisutni su jo i CO2, helijum, vodonik sulfid (toksian, korozivan, i krajnje nepoeljan, te se odstranjuje, ak i pre transporta) i azot. Sastav prirodnog gasa nije konstantan, ali osnovnu komponentu ini metan u koliini od najmanje 90 %. Metan je visoko zapaljiv i gori veoma lako i skoro u potpunosti sagoreva, uz emitovanje veoma malih koliina zagaujuih produkata sago-revanja. Prirodni gas nije korozivan i toksian, a usled gustine manje od gustine vazduha vrlo br-zo se rasprostire po atmosferi nakon eventualnog incidenta sa curenjem prirodnog gasa.

Ugljenik i vodonik u prirodnom gasu vode poreklo od ostataka biljnog i ivotinjskog po-rekla koji su akumulirani na dnu okena i jezera tokom vie miliona godina. Zakopan ispod vie

3. Proizvodnja, distribucija i skladitenje prirodnog gasa

22

slojeva drugih sedimenata, ovaj organski materijal se transformisao u naftu i prirodni gas kao re-zultat visokog pritiska izmeu sedimenata i toplote iz zemljine kore. Usled pomenutog pritiska prirodni gas i nafta su se kretali nagore kroz porozne stene, pritom popunjavajui pore i formira-jui depove, odnosno rezervoare ispod povrine zemlje.

Prirodni gas se moe smatrati prijateljem okruenja, u odnosu na druga fosilna goriva, s obzirom da sagoreva sa malom koliinom sumpor-dioksida. Time se smanjuje problem kiselih kia, smanjenja debljine ozonskog omotaa ili efekta staklene bate. U tabeli 2.1 su prikazane osobine prirodnog gasa.

Tabela 2.1 Osobine prirodnog gasa Osobine Vrednost

Gustina = 0,7 kg/m3 (gasovit); = 400 kg/m3 (u tenom stanju) Temperatura paljenja t = 650 C Temperatura plamena 1957 C Oktanski broj 120130 Brzina sagorevanja 3050 m/s (pri eksploziji 2000 m/s). Odnos vazduha i gasa u smei 10:1 Granice eksplozivnosti smee 4,415 %

2.5. PRIMENA PRIRODNOG GASA Principijelno, primena prirodnog gasa se moe podeliti na njegovu primenu kao goriva (bilo za grejanje ili pokretanje SUS motora) i u hemijskoj industriji (kao izvor vodonika pri proizvodnji azotnih ubriva, potencijalno i za gorive elije). Koristi se u:

domainstvima, kao energent za grejanje, odnosno kuvanje. Domainstva se snabde-vaju

kunim razvodom gasa, industriji, kao energent za grejanje. u poslednje vreme se sve vie koristi i na vozilima, kao alternativno gorivo pre svega

motornim benzinima, ali i dizel gorivu - i to u sabijenom obliku (veinom) - kao komprimovani prirodni gas, a eventualno i kao teni prirodni gas.

2.6. NALAZITA I ZEMLJE PROIZVOAI

Najvea nalazita prirodnog gasa nalaze se u Rusiji, SAD, Iranu, Holandiji, Aliru i na Bliskom istoku. U Srbiji su najvanija nalazita Elemir, Kikinda i Plandite. Meu najvee proi-zvoae zemnog gasa spadaju Sjedinjene Amerike Drave, Rusija i Kanada.

Prirodni gas se distribuira, pre svega, razgranatom mreom gasovoda. U Evropi se uglav-nom koristi ruski gas. Srbija se takoe snabdeva ruskim gasom, gasovodom preko Maarske. Iz-gradnja drugog kraka gasovoda (iz Bugarske), planira se ve vie desetina godina.


23

Slika 2.3 Produkcija zemnog gasa u m3 godinje

Documents

Osnovni Pojmovi Velicina Iz Termodinamike