Zemní plyn - fyzikální vlastnosti

Složení zemního plynu

Na Zemi se těží zemní plyn, který může mít podle jeho naležiště různé vlastnosti. Proto rozlišujeme jeho druhy.

Zemní plyn H (high - vysoký) je plyn, jehož spalné teplo H^os (0°C, 101 325 Pa) leží v rozmezí 40 až 46 MJ.m^-3 (11,1 až 12,8 kWh.m^-3).
Podíl nehořlavých složek (N₂ + CO₂) je nižší než 5%.

Zemní plyn L (low - nízký) je plyn, jehož spalné teplo H^os (0°C, 101 325 Pa) leží v rozmezí 33 až 38 MJ.m^-3 (9,15 až 10,5 kWh.m^-3).
Podíl nehořlavých složek je obvykle vyšší než 10%.

V tab. 1 jsou v objemových procentech uvedena složení vybraných zemních plynů používaných v zemích EU a zemního plynu těženého v ČR (jižní Morava).

Složky zemního plynu	Tranzitní ZP [%]	Norský ZP (Ekofisk) [%]	Alžírský ZP (Hassi R Mel) [%]	Jihomoravský ZP [%]	Holandský ZP (Groningen) [%]
Metan CH4	98,39	85,80	86,90	97,70	81,31
Etan C2H6	0,44	8,49	9,0	1,20	2,85
Propan C3H8	0,16	2,30	2,60	0,50	0,37
Butan C4H1O	0,07	0,70	1,20	-	0,14
Pentan C5H12	0,03	0,25	-	-	0,09
Dusík N2	0,84	0,96	0,30	0,60	14,35
Oxid uhličitý CO2	0,07	1,50	-	-	0,89

Tab. 1

Hustota zemního plynu

Hustota zemního plynu ρ
je hmotnost jednoho m³ zemního plynu v kilogramech

Poměrná hustota zemního plynu d
je číselný poměr hustot zemního plynu a vzduchu, při stejné teplotě a tlaku.

Hustota zemního plynu se stanoví výpočtem ze složení zemního plynu podle rovnice 1:

           

[kg.m^-3]

ρ_ni - hustoty jednotlivých složek zemního plynu (0°C, 101 325 Pa)    [kg.m^-3]
r_i - procentuální objemové podíly jednotlivých složek zemního plynu    [%]

V tab. 2 jsou uvedeny hodnoty hustot druhů zemního plynu [kg.m^-3] v závislosti na teplotě, při 101 325 Pa.

Teplota [°C]	Tranzitní ZP	Norský ZP	Alžírský ZP	Holandský ZP
- 30	0,820	0,950	0,937	0,936
- 20	0,788	0,913	0,900	0,899
- 10	0,758	0,878	0,866	0,865
0	0,730	0,846	0,834	0,833
10	0,704	0,816	0,804	0,803
15	0,692	0,802	0,790	0,790
20	0,680	0,788	0,777	0,776
30	0,658	0,762	0,751	0,750
40	0,637	0,737	0,727	0,726
50	0,617	0,715	0,705	0,704
60	0,598	0,694	0,684	0,682
70	0,581	0,673	0,664	0,662
80	0,565	0,654	0,645	0,644
90	0,549	0,636	0,627	0,626
100	0,534	0,619	0,610	0,610
200	0,421	0,488	0,481	0,480
300	0,348	0,403	0,397	0,396
400	0,296	0,343	0,338	0,337
500	0,258	0,299	0,294	0,293

Tab. 2

Poměrná hustota zemního plynu se stanoví z rovnice

           

[-]

V tab. 3 jsou uvedeny poměrné hustoty d tranzitního, norského, alžírského a holandského zemního plynu

Tranzitní ZP	Norský ZP	Alžírský ZP	Holandský ZP
0,5646	0,6543	0,6450	0,6442

Tab. 3

Kompresibilita zemních plynů

Kompresibilita zemního plynu vyjadřuje odchylky chování reálného plynu od stavové rovnice ideálních plynů.
Kompresibilitní faktor z koriguje stavovou rovnici ideálních plynů tak, aby vyhovovala chování reálných plynů.

Přepočet objemů a objemových průtoků zemního plynu s přetlaky vyššími než 0,1 MPa (100 kPa) se provádí podle upravených stavových rovnic:

z₁ - kompresibilitní faktor při tlaku p₁ a teplotě T₁     [-]
z₂ - kompresibilitní faktor při tlaku p₂ a teplotě T₂     [-]

Měrná tepelná kapacita zemních plynů

Měrná tepelná kapacita c zemního plynu je množství tepla, potřebné k ohřátí 1 m³ zemního plynu o 1 K.

V tab. 4 jsou uvedeny hodnoty skutečných měrných tepelných kapacit c^t [kJ.m^-3.K^-1] tranzitního, norského a holandského zemního plynu v závislosti na teplotě, při 101 325 Pa.
Složení zemních plynů viz tab. 1

Teplota [°C]	Tranzitní ZP	Norský ZP	Holandský ZP
-30	1,547	1,592	1,523
-20	1,559	1,608	1,535
-10	1,572	1,625	1,548
0	1,586	1,643	1,561
10	1,601	1,662	1,576
15	1,609	1,672	1,584
20	1,617	1,682	1,591
30	1,634	1,703	1,606
40	1,652	1,725	1,623
50	1,670	1,748	1,640
60	1,690	1,772	1,658
70	1,711	1,796	1,677
80	1,732	1,822	1,697
90	1,754	1,848	1,717
100	1,777	1,875	1,738
200	2,048	2,487	2,234
300	2,317	2,487	2,243
400	2,572	2,769	2,469
500	2,813	3,031	2,689

Tab. 4

Tepelná vodivost zemních plynů

Tepelná vodivost zemního plynu λ je množství tepla, které proteče jedním čtverečním metrem vrstvy zemního plynu o tlouštce 1 m, při teplotním spádu 1 K, za hodinu.

V tab. 5 jsou uvedeny hodnoty tepelných vodivosti λ [10³.J.m^-1.s^-1.K^-1] tranzitního, norského a holandského zemního plynu v závislosti na teplotě, při 101 325 Pa.

Teplota [°C]	Tranzitní ZP	Norský ZP	Holandský ZP
- 30	27,3	24,8	26,2
- 20	28,3	25,7	27,1
- 10	29,4	26,7	28,1
0	30,5	27,7	29,1
10	31,7	28,8	30,2
15	32,2	29,4	30,7
20	32,8	29,9	31,2
30	34,0	31,1	32,3
40	35,2	32,2	33,5
50	36,4	33,4	34,6
60	37,7	34,7	35,8
70	39,0	35,9	37,0
80	40,3	37,2	38,2
90	41,6	38,5	39,4
100	43,0	39,8	40,7
200	58,6	55,0	55,0
300	75,8	71,6	70,6
400	94,0	89,1	87,2
500	113,0	107,3	104,3

Tab. 5

Pro získání skutečných hodnot tepelných vodivostí zemních plynů v J.m^-1.s^-1.K^-1( W.m^-1.K^-1) je nutno hodnoty odečtené z tab. 5 dělit 10³.

Viskozita zemních plynů

Dynamická viskozita zemního plynu η vyjadřuje míru vnitřního pnutí a odporů při proudění zemního plynu.
Kinematická viskozita zemního plynu ν vyjadřuje viskozitu zemního plynu se zřetelem na jeho hustotu.

V tab. 6 jsou uvedeny hodnoty dynamických viskozit η
[10⁶.kg.m^-1.s^-1] tranzitního, norského a holandského zemního plynu v závislosti na teplotě, při 101 325 Pa.

Teplota [°C]	Tranzitní ZP	Norský ZP	Holandský ZP
- 30	9,65	9,49	10,22
- 20	9,94	9,78	10,52
- 10	10,24	10,08	10,84
0	10,54	10,38	11,16
10	10,83	10,67	11,47
15	10,98	10,82	11,63
20	11,12	10,96	11,78
30	11,41	11,25	12,08
40	11,70	11,53	12,38
50	11,98	11,81	12,68
60	12,26	12,09	12,98
70	12,54	12,37	13,27
80	12,81	12,64	13,56
90	13,09	12,91	13,84
100	13,36	13,18	14,13
200	15,93	15,74	16,84
300	18,33	18,13	19,36
400	20,59	20,38	21,73
500	22,73	22,51	23,98

Tab. 6

Poznámka:
Pro získání skutečných hodnot dynamické viskozity η zemních plynů v kg.m^-1.s^-1 je nutno hodnoty odečtené z tab. 6 dělit 10⁶.

Hodnoty kinematické viskozity zemních plynů v m².s^-1 se stanoví z rovnice

η hodnoty dynamické viskozity, odečtené pro danou teplotu z tab. 6
ρ hodnota hustoty zemního plynu, odečtená pro danou teplotu z tab. 2

Přehled dalších vlastností zemního plynu z hlediska jeho spalování je v článku Zemní plyn - spalovací vlastnosti.