По техническим условиям на как топливо для двигателей внутреннего сгорания и ракетной техники, в нем может содержаться минимальное количество кристаллов воды, отвержденных газов и механических примесей. В исходном продукте все остальные углеводороды и примеси должны находиться в фазовом равновесии с жидким метаном. Изменение компонентного состава может привести к обогащению его тяжелыми углеводородами и примесями и переходу последних в твердое состояние. Для оценки поведения отдельных компонентов в во время нахождения его в заправочных системах и баках потребителей необходимо рассмотреть характеристики примесей, содержащихся в жидком метане, которые могут препятствовать нормальной эксплуатации заправочных систем, а также данные по растворимости составляющих компонентов и примесей в жидком метане.
Основными компонентами природного газа, препятствующими нормальной эксплуатации элементов заправочных систем, являются вещества с высокой температурой кипения (по сравнению с метаном) и незначительной растворимостью в жидком топливе. К ним относятся: пары воды, углекислота, сероводород, парафиновые углеводороды с числом атомов углерода в цепи, равном 4 и выше.
Вода (H2O). Температура кипения воды при атмосферном давлении 373 К, температура плавления 273 К. Абсолютное влагосодержание исходного природного газа в основном определяется его давлением и температурой. Растворимость воды в жидком метане при температуре 112 К по данным находится на уровне 10~3…10~5 % мол. (5 -10-8. .5 10 10 кг/м3). Присутствие воды может обнаружиться при ее сепарации вследствие снижения растворимости воды в СПГ при его охлаждении и замерзании в емкостях, трубопроводных сетях и т. п.
Кроме того, присутствие воды опасно из-за возможности образования кристаллогидратов углеводородов С,—С„ типа CnHm Н20. Образование гидратов более тяжелых углеводородов, способных «закупоривать» отдельные элементы системы, не выявлено.
Сероводород (H2S) обладает свойствами слабой кислоты. Температура кипения при атмосферном давлении 212,4 К, температура плавления 187,4 К. Растворимость сероводорода в жидком метане при температуре 112 К составляет 0,07 % мол. С водой H2S образует гидрат вида H2S • 5Н20. Сероводород очень ядовит, его присутствие вызывает коррозию сталей.
Диоксид углерода (С02). Температура кипения при атмосферном давлении 351,9 К, температура плавления 329,9 К. При температуре 194,5 К С02, минуя жидкое состояние, образует белую снегообразную массу.
Растворимость С02 в жидком метане при температуре 112 К составляет 0,04 % мол. . С повышением температуры растворимость возрастает. При достижении условий пересыщения продукта углекислотой последняя выделяется в виде твердой фазы. Иней С02 легко уносится потоком газа при скоростях более 3 м/с.
Накопление твердой углекислоты и отложение ее на поверхности аппаратуры может изменить тепловые и гидравлические характеристики оборудования, оказать влияние на режимы технологических процессов.
Азот (N2). Инертный газ. Температура кипения при атмосферном давлении 77,36 К, температура плавления 63,15 К. Растворимость азота в жидком метане при температуре 112 К находится на уровне около (3…6) % мол. Поскольку температура кипения азота (77 К) ниже температуры кипения СПГ при атмосферном давлении, то азот как таковой не опасен с точки зрения нарушения режимов эксплуатации заправочных систем. При хранении СПГ наблюдается постоянное обеднение топлива по этому компоненту.
Следует отметить, что присутствие растворенного в азота приводит к появлению или расширению области несмешивания жидких фаз, тем самым вызывая расслоение продукта.
Тяжелые углеводороды (С2 и выше). В случае превышения пределов растворимости примесей в СПГ можно ожидать расслоение продукта или выделение тяжелых углеводородов в виде твердой фазы, например в газе, который поступает в модульные газорегуляторные пункты.
Основой для расчета фазовых равновесий в многокомпонентных смесях служат данные о поведении бинарных систем. Далее приведены расчетные и экспериментальные данные, характеризующие бинарные смеси жидкого метана (растворителя) с высококипящими углеводородами и примесями, соответствующими перечню компонентов и примесей, содержащихся в СПГ.