① 液化石油氣的氣態(tài)相對(duì)密度?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(duì)密度的簡(jiǎn)便方法，是用各組分的相對(duì)分子質(zhì)量與空氣平均相對(duì)分子質(zhì)量之比求得，因?yàn)閺谋?span>4-5中可以看出在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下1mol氣體的液化石油氣氣態(tài)比空氣重1.5～2.5倍。由于液化石油氣比空氣重，因此，一旦液化石油氣從容器或管道中泄漏出來(lái)，它不像相對(duì)密度小的可燃?xì)怏w那樣容易揮發(fā)與擴(kuò)散，而是像水一樣往低處流動(dòng)，在低洼處積存，很容易達(dá)到爆炸濃度。因此，用戶在安全使用中必須充分注意，廚房不應(yīng)過(guò)于狹窄，要經(jīng)常通風(fēng)換氣，管溝應(yīng)用于砂等填充實(shí)埋，防止聚積。
② 液化石油氣的液態(tài)相對(duì)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(shí)的密度與4℃或15℃時(shí)純水密度的比值來(lái)表示，見表4-5。
液化石油氣的液態(tài)相對(duì)密度，隨著溫度的上升而變小，見表4-6。
表4-5 液化石油氣的氣態(tài)相對(duì)密度
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名稱 | 分子式 | 相對(duì)分子質(zhì)量 | 空氣平均相對(duì)分子質(zhì)量 | 相對(duì)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 |
表4-6 液化石油氣的液態(tài)組分相對(duì)密度
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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 | O.514 | 0.590 | 0.569 | 0.607 |
20 | 0.513 | 0.500 | 0.578 | 0.557 | 0.595 |
從表4-6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(duì)密度約為0.5～O.59之間，接近水的一半。當(dāng)液化石油氣中含有水分時(shí)，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(jì)負(fù)擔(dān)，又會(huì)引起容器底部腐蝕，縮短容器的使用壽命。因此，液化石油氣中的水分要經(jīng)常從儲(chǔ)罐底部的排污閥放出或倒出。
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(huì)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(lái)表示的。所謂體積膨脹系數(shù)，就是指溫度每升高1℃，液體增加的體積與原來(lái)的體積的比值。液體的體積隨溫度升高的膨脹量可用式(4-2)計(jì)算。
V2=V1[1+α(t2-t1)]??? (4-2)
式中V1、V2——液體在溫度t1、t2時(shí)的體積，m3；
α——液體溫度由t1～t2時(shí)的平均體積膨脹系數(shù)，1/℃，見表4-7。
表4-7 液化石油氣組分及水的體積膨脹系數(shù)
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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4-7可知，液化石油氣液體的體積膨脹系數(shù)比水大十幾倍，且隨溫度的升高而增大，因此，液化石油氣在充裝作業(yè)中必須限制充裝量。
3. 體積壓縮系數(shù)
對(duì)于滿液的容器，當(dāng)溫度升高時(shí)，液體的體積會(huì)膨脹，但由于受到容器容積的限制，液體將會(huì)受到壓縮。體積壓縮系數(shù)是指壓力每升高1MPa時(shí)液體體積的減縮量。液化石油氣(65%丙烷+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4-8。
表4-8 液化石油氣體積膨脹系數(shù)、體積壓縮系數(shù)及其比值
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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 |
自然界中的物質(zhì)所呈現(xiàn)的聚集狀態(tài)，有氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)3種，其中任何一種狀態(tài)只能在一定的條件下(溫度、壓力)存在。當(dāng)條件發(fā)生變化時(shí)，物質(zhì)分子間的位置就要發(fā)生相應(yīng)的變化，即表現(xiàn)為聚集狀態(tài)的改變。物質(zhì)的聚集狀態(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，氣相和液相達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)的狀態(tài)稱為飽和狀態(tài)。在飽和狀態(tài)下，液體和其蒸汽處于平衡共存狀態(tài)，也就是說(shuō)液相蒸發(fā)成氣體的速度和氣相凝結(jié)成液體的速度相等，此時(shí)氣體中分子數(shù)不再增加，液體中分子數(shù)不再減少。
飽和狀態(tài)時(shí)的液體稱為飽和液體，飽和狀態(tài)時(shí)的蒸汽稱為飽和蒸汽，飽和蒸汽所顯示出來(lái)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4-9。
溫度升高，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(duì)于液化石油氣來(lái)說(shuō)，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，液化石油氣盛裝在密閉的、具有足夠強(qiáng)度的容器中。
5. 沸點(diǎn)和露點(diǎn)
(1) 沸點(diǎn)?在一定的壓力下，液體表面不斷蒸發(fā)變?yōu)闅怏w的過(guò)程稱為汽化。隨著液體溫度逐漸升高，汽化速度不斷加快。當(dāng)溫度達(dá)到某一定值時(shí)，則不僅液體表面，而且內(nèi)部也同時(shí)進(jìn)行劇烈的汽化。這種液體內(nèi)出現(xiàn)上下翻滾的汽化現(xiàn)象稱為沸騰。液體在101.3kPa下達(dá)到沸騰時(shí)的溫度稱為沸點(diǎn)。液體在沸騰過(guò)程中，由外界吸收的熱量全部用于汽化，因而溫度停留在沸點(diǎn)不再升高，直至液體全部變成氣體為止。液化石油氣各組分在101.3kPa時(shí)的沸點(diǎn)見表4-10。
表4-9 不同溫度下液化石油氣各種組分的飽和蒸氣壓 ???單位：MPa
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溫度/℃ | 丙烷 | 丙烯 | 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 | O.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 |
表4-10 液化石油氣各組分在101.3kPa時(shí)的沸點(diǎn)
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組分 | 丙烷 | 丙烯 | 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(diǎn)/℃ | -42.1 | -47.0 | -0.5 | -11.7 | -6.26 | 3.75 | 0.88 | -6.9 | 36.2 |
由表4-10可知，碳?xì)浠衔锏姆悬c(diǎn)有以下特點(diǎn)
??? ① 分子中碳原子數(shù)越多，沸點(diǎn)越高。如：丙烷的沸點(diǎn)為-42.1℃，正丁烷的沸點(diǎn)則為-0.5℃。
?? ?② 當(dāng)碳原子數(shù)相同時(shí)，多數(shù)烷烴的沸點(diǎn)比烯烴的沸點(diǎn)高。如：丙烷的沸點(diǎn)為-42.1℃則丙烯的沸點(diǎn)為-47.0℃。
??? ③ 正構(gòu)物的沸點(diǎn)比異構(gòu)物的沸點(diǎn)高。如：正丁烷的沸點(diǎn)為-0.5℃。則異丁烷的沸點(diǎn)為-11.7℃。
??? ④ 沸點(diǎn)越低的烴越難以液化。如果要液化它需要低的溫度或者更高的壓力。
??? ⑤ 沸點(diǎn)越低的烴越容易汽化。如：丙烷的沸點(diǎn)為-42.1℃，在常溫下呈氣態(tài)，即使在嚴(yán)寒的冬季也很容易汽化。正戊烷的沸點(diǎn)為36.2℃。即使在酷熱的夏天也很難汽化。
⑥ 壓力增大，沸點(diǎn)也升高。如：丙烷在常壓下沸點(diǎn)為-42.1℃，而當(dāng)壓力增至0.82MPa時(shí)，沸點(diǎn)相應(yīng)提高到20℃。
(2) 露點(diǎn)?指氣態(tài)液化石油氣加壓或冷卻時(shí)，使之液化的溫度。液化石油氣各組分的露點(diǎn)實(shí)際上是各組分液體在飽和蒸汽壓力下所對(duì)應(yīng)的飽和溫度(見表4-9)，也是各組分液體在飽和蒸汽壓力下的沸點(diǎn)(見表4-10)。露點(diǎn)是相對(duì)蒸汽而言，沸點(diǎn)是相對(duì)液體而言的，兩者在數(shù)值上相等。
6. 汽化潛熱
汽化潛熱就是在一定溫度下，一定數(shù)量的液體變?yōu)橥瑴囟鹊臍怏w所吸收的熱量。液態(tài)變成氣態(tài)時(shí)，需要吸收熱量，氣態(tài)變成液態(tài)時(shí)將放出熱量，這些熱量只用來(lái)改變物質(zhì)的狀態(tài)(發(fā)生相變)，而溫度不發(fā)生變化，故稱之為潛熱。
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(diǎn)不同而發(fā)生變化。當(dāng)液體的沸點(diǎn)上升時(shí)汽化潛熱相應(yīng)減少，在臨界溫度時(shí)汽化潛熱為零。由于液化石油氣的汽化潛熱比較大，因此在生產(chǎn)、儲(chǔ)存、灌裝、使用中要嚴(yán)禁使液態(tài)的石油氣直接接觸人體，以免皮膚被吸收大量的熱量，而造成嚴(yán)重凍傷。
液化石油氣各組分的物理化學(xué)性質(zhì)見表4-11。
表4-11 液化石油氣各組分的物理化學(xué)性質(zhì)
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項(xiàng)目 | 甲烷 | 乙烷 | 丙烷 | 正丁烷 | 異丁烷 |
分子式
相對(duì)分子質(zhì)量 | CH4
16.04 | C2H6
30.07 | C3H8
44.004 | n-C4H10
58.12 | i-C4H10
58.12 |
蒸氣壓/MPa | 0℃
20℃ | —
— | 2.43
3.75 | 0.476
0.8104 | 0.104
0.203 | 0.107
0.299 |
氣體密度/(kg/m3) | 0℃
15.5℃ | 0.7168
0.677 | 1.3562
1.269 | 2.020
1.860 | 2.5985
2.452 | 2.6726
2.452 |
沸點(diǎn)(O.1013MPa)/℃ | -161.5 | -88.63 | -42.07 | -O.5 | -11.73 |
汽化潛熱(沸點(diǎn)及0.1013MPa下)/(kJ/kg) | 569.4 | 489.9 | 427.1 | 386.0 | 367.6 |
臨界壓力/MPa
臨界密度/(kg/L)
臨界溫度 | 4.64
0.162
-82.5 | 4.88
0.203
32.3 | 4.25
0.236
96.8 | 3.80
0.227
152.O | 3.66
0.233
134.9 |
低熱值(0.1013MPa，15.6℃)/(kJ/kg) | 液態(tài)
氣態(tài) | —
34207 | —
60753 | 46099
88388 | 45458
115561 | 45375
115268 |
氣態(tài)比熱容(0.1013MPa，15.6℃)/[kJ/(kg·K)] | 定壓比熱容
定容比熱容 | 2.21
1.68 | 1.72
1.44 | 1.63
1.44 | 1.66
1.52 | 1.62
1.47 |
爆炸極限(體積分?jǐn)?shù))/% | 下限
上限 | 5.3
14.0 | 3.2
12.5 | 2.37
9.50 | 1.86
8.41 | 1.80
8.44 |
五、液化石油氣的燃燒特性
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液化石油氣作為燃料，主要是通過(guò)燃燒以利用其熱量，因此液化石油氣燃燒的狀況直接影響到能源利用率和應(yīng)用安全。
1. 燃燒的條件
燃燒是一種同時(shí)伴有發(fā)光、發(fā)熱的激烈的氧化反應(yīng)。發(fā)光、發(fā)熱是物質(zhì)燃燒的外觀特征，發(fā)生劇烈氧化反應(yīng)則是物質(zhì)燃燒的本質(zhì)。
可燃物、助燃物和點(diǎn)火源是構(gòu)成燃燒的三個(gè)要素，缺少其中任何一個(gè)要素，燃燒便不能發(fā)生。對(duì)于進(jìn)行中的燃燒過(guò)程，若消除可燃物或助燃物中任何一個(gè)條件，燃燒便會(huì)終止。
大多數(shù)可燃物質(zhì)的燃燒是在其揮發(fā)出蒸氣氣體狀態(tài)下進(jìn)行的，由于可燃物的狀態(tài)不同，其燃燒特點(diǎn)也不同。
可燃?xì)怏w只要達(dá)到其本身氧化條件所需的熱量便能迅速燃燒，在極短的時(shí)間內(nèi)全部燒光。這是因?yàn)闅怏w擴(kuò)散能力強(qiáng)，分子之間極易燃燒，甚至能形成爆炸。
可燃液體的燃燒不是液體本身的燃燒，而是液體蒸發(fā)汽化與氧化劑在火源作用下的燃燒，而燃燒又加速了液體汽化，使燃燒得以擴(kuò)展。由于液體燃燒在火源、升溫、汽化等過(guò)程的準(zhǔn)備階段需消耗時(shí)間和熱量，因此，液體燃燒要比同種氣體物質(zhì)完全燃燒過(guò)程所需的熱量多、時(shí)間長(zhǎng)。由于液化石油氣中碳三、碳四組分的沸點(diǎn)都很低，雖然泄露出來(lái)為液體，但其汽化卻十分迅速，燃燒和爆炸的危險(xiǎn)性同樣很大。
如果可燃物是簡(jiǎn)單固體物質(zhì)，如硫、磷等，受熱時(shí)首先熔化，然后蒸發(fā)燃燒，沒(méi)有分解過(guò)程。若是復(fù)雜物質(zhì)，燃燒后氣態(tài)產(chǎn)物和液態(tài)產(chǎn)物的蒸氣著火燃燒。因此，固體燃燒相對(duì)于液體、氣體較為困難，燃燒速度較為緩慢。
