2 Определение плотности природного газа при рабочих условиях

Министерство образования и науки Российской Федерации
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Российский государственный университет нефти и газа
имени И. М. Губкина»
(РГУ нефти и газа имени И. М. Губкина)
Кафедра Газохимии
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
по выполнению лабораторной работы
РАСЧЕТ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПРИРОДНОГО ГАЗА,
ЕГО КОМПОНЕНТОВ И ПРОДУКТОВ ЕГО ПЕРЕРАБОТКИ
Москва
2013
1 Общие свойства газовых смесей
По сравнению с молекулами жидкости молекулы газов удалены друг от
друга на неизмеримо большие расстояния, чем их собственные размеры. С
этим связаны некоторые особые свойства газов, например способность к
сжатию со значительным изменением объема, заметное повышение давления
с ростом температуры и т.д.
2 Определение плотности природного газа при рабочих условиях (р и Т)
Как и для жидкости, плотность газа может быть выражена абсолютным
или относительным значением. Абсолютная плотность газа равна его массе в
единице объема, в СИ она выражается в килограммах на кубический метр
(кг/м3). Величину, обратную плотности, называют удельным объемом и
измеряют в кубических метрах на килограмм (м3/кг).
При
определении
относительной
плотности
газов
и
паров
нефтепродуктов в качестве стандартного вещества берется воздух при
нормальных условиях (Т=273 К, p=101,3 кПа). Отношение массы газа m к
массе воздуха mв, взятых в одинаковых объемах и при тех же температуре и
давлении, дает относительную плотность газа:  в  m / mв .
Реальные газовые смеси, встречающиеся на практике, могут иметь более
или менее значительные отклонения от свойств идеальных газов. Поэтому для
технологических
расчетов
часто
используют
уравнения
Клайперона-
Менделеева с поправкой z: рV = zNRТ. Здесь z, безразмерная эмпирическая
поправка, называемая коэффициентом (фактором) сжимаемости.
2.1 Расчет плотности природного газа
Плотность природного газа определяют по формуле:
𝜌=
𝜌с ∙𝑝∙𝑇с
𝑝с ∙𝑇∙𝐾
,
(1)
где коэффициент сжимаемости К равен
K = z/zc
(2)
pc = 0,101325 МПа,
Tc = 293,15 К,
Плотность газа при стандартных условиях определяется как аддитивная
величина:
𝑁
𝜌с = ∑ 𝜌с𝑖 ∙ 𝑥𝑖
(3)
𝑖=1
Значения плотности основных компонентов ρсi, кг/м3 приведены в
таблице А.1 в приложении А.
2.2
Расчет
коэффициента
сжимаемости
по
модифицированному
уравнению состояния GERG-91 мод.
Европейская группа газовых исследований на базе экспериментальных
данных и уравнения состояния вириального типа, разработала и опубликовала
уравнение состояния:
,
где
(4)
Вm и Сm - коэффициенты уравнения состояния;
м - молярная плотность, кмоль/м3.
Коэффициенты
уравнения
состояния
определяют
из
следующих
выражений:
, (5)
, (6)
где хэ - молярная доля эквивалентного углеводорода
хэ = 1 - ха - ху,
(7)
ха - молярная доля азота в газовой смеси,
ху - молярная доля диоксида углерода в газовой смеси,
, (8)
,
(9)
,
(10)
,
(11)
, (12)
,
(13)
,
(14)
,
(15)
,
,
(16)
(17)
.
(18)
В формулах (8), (12) Н рассчитывают по выражению
,
где
(19)
Мэ - молярная масса эквивалентного углеводорода, значение которой
определяется из выражения
,
(20)
После определения коэффициентов уравнения состояния Вm и Сm
рассчитывают фактор сжимаемости при заданных давлении (р, МПа) и
температуре (Т, К) по формуле
,
(21)
где
,
(22)
,
(23)
,
(24)
,
(25)
С0 = b2Cm,
(26)
,
(27)
Коэффициент сжимаемости природного газа рассчитывают по формуле
(2).
Фактор сжимаемости при стандартных условиях (zс) рассчитывают по
формуле (24) ГОСТ 30319.1, а именно
,
(28)
3 Определение показателя адиабаты
Показатель адиабаты газа - это отношение относительного изменения
давления Р к соответствующему относительному изменению плотности
газа ρ в процессе изменения его состояния без теплообмена с окружающей
средой.
Показатель адиабаты для идеального газа всегда больше единицы. С
увеличением количества атомов в молекуле газа значение показателя
адиабаты возрастает.
Адиабатические процессы могут протекать обратимо и необратимо. В
случае обратимого адиабатического процесса энтропия системы остаётся
постоянной. Поэтому обратимый адиабатический процесс называют ешё
изоэнтропийнъш. В необратимых адиабатических процессах энтропия
возрастает.
Показатель адиабаты применяется при расчете коэффициента расширения газа и зависит от параметров состояния газа (давления и температуры), а в случае смеси газов - и от состава смеси.
Адиабатическим дросселированием называется процесс необратимого
перехода газа (жидкости) с высокого давления на низкое (расширение) при
прохождении его через сужение поперечного сечения (перегородка с
отверстием, пористая перегородка) без совершения внешней работы и без
сообщения и отнятия теплоты.
Процесс протекает быстро, вследствие чего теплообмен с окружающей
средой практически не происходит и энтальпия вещества не изменяется.
Полезная же работа не совершается, так как работа проталкивания переходит
в теплоту трения.
При адиабатическом дросселировании реального газа, в отличие от
идеального, в результате изменения внутренней энергии производится работа
против сил взаимодействия молекул. Это приводит к изменению температуры
газа. Изменение температуры газа при дросселировании называется
эффектом Джоуля-Томпсона.
В зависимости от начального состояния реального газа перед дросселем,
температура его при дросселировании может уменьшаться, увеличиваться или
оставаться без изменений.
Точка, соответствующая начальному состоянию газа, в котором температура газа при адиабатическом дросселировании не изменяется, и следовательно изменяется знак температурного эффекта, называется точной инверсии.
Процесс протекает быстро, вследствие чего теплообмен с окружающей
средой практически не происходит и энтальпия вещества
3.1 Расчет показателя адиабаты
Показатель
адиабаты
применяется
при
расчете
коэффициента
расширения газа. Показатель адиабаты зависит от параметров состояния газа
(давления и температуры), а в случае смеси газов и от состава смеси.
Показатель адиабаты природного газа, метана и азота должен
вычисляться по усовершенствованной формуле Кобза:
(29)
4 Определение скорости звука
Скорость звука применяется при определении поправочного множителя
показаний вибрационных плотномеров. Скорость звука зависит от параметров
состояния газа (давления и температуры), а в случае смеси газов и от состава
смеси.
Скорость звука природного газа вычисляют по формуле
,
(30)
где к - показатель адиабаты;
К - коэффициент сжимаемости;
ρc - плотность природного газа при стандартных условиях.
5 Определение вязкости
Вязкость – это физическое свойство, имеющее для газов ту же природу,
что и вязкость жидкостей. Однако по сравнению с жидкостями зависимость
вязкости газов от некоторых технологических параметров имеет свои
особенности. Так, с повышением температуры и уменьшением молярной
массы вязкость газов повышается. Для жидкостей наблюдается обратная
картина. Можно принять, что до 5-6 МПа вязкость газов не зависит от
давления.
Для газов и паров приняты динамическая и кинематическая вязкости,
единицы измерения которых в СИ те же, что и для жидкостей (соответственно
паскаль на секунду и квадратный метр на секунду, а также кратные им).
5.1 Определение динамической вязкости
Вязкость применяется для вычисления числа Рейнольдса, которое
является одной из важнейших характеристик течения вязкой среды и
определяется отношением инерционных сил к силам вязкости. Число
Рейнольдса применяется для определения коэффициента истечения. Вязкость
газов и их смесей сильно зависит от температуры и плотности газов при
низких давлениях. Зависимость вязкости от давления выражена слабо.
Вязкость при повышенных давлениях (до 12 МПа) для природного газа
вычисляют по формуле
,
где
(31)
- поправочный множитель.
Приведенные давление Рп и температуру Тп вычисляют по формулам
,
(32)
,
(33)
где псевдокритические давление Рпк и температуру Тпк рассчитывают по
формулам (17) и (18) ГОСТ 30319.2, а именно:
,
(34)
.
(35)
Составляющую динамической вязкости µТ природного газа и многих его
компонентов, зависящую от температуры, при атмосферном давлении
вычисляют по формуле
.
(36)
ЛИТЕРАТУРА
1. ГОСТ 30319.0-96 «Газ природный. Методы расчета физических свойств.
Общие положения»
2. ГОСТ 30319.1-96 «Газ природный. Методы расчета физических свойств.
Определение физических свойств природного газа, его компонентов и
продуктов его переработки»
3. ГОСТ 30319.2-96 «Газ природный. Методы расчета физических свойств.
Определение коэффициента сжимаемости»
4. С.И.Хорошко, А.Н.Хорошко Сборник задач по химии и технологии
нефти и газа. – Новополоцк., 2001. – 120с.
Приложение А
Т а б л и ц а А.1
Наименование газа
1 Метан
2 Этан
3 Пропан
4 н-Бутан
5 и-Бутан
6 н-Пентан
7 и-Пентан
8 н-Гексан
9 н-Гептан
10 н-Октан
11 Ацетилен
12 Этилен
13 Пропилен
14 Бензол
15 Толуол
16 Водород
17 Водяной пар
18 Аммиак
19 Метанол
20 Сероводород
21 Метилмеркаптан
22 Диоксид серы
23 Гелий
24 Неон
25 Аргон
26 Моноксид углерода
27 Азот
28 Воздух
29 Кислород
30 Диоксид углерода
Химическая
формула
СН4
C2H6
С3Н8
н-С4Н10
и-С4Н10
н-C5H12
и-С5Н12
н-С6Н14
н-С7Н16
н-C8H18
С2Н2
С2Н4
С3Н6
С6Н6
C7H8
Н2
Н2О
N3Н
CH4O
H2S
CH4S
SO2
Не
Ne
Аr
CO
N2
О2
CO2
Молярная
масса Mi,
кг/моль
16,043
30,070
44,097
58,123
58,123
72,150
72,150
86,177
100,204
114,231
26,038
28,054
42,081
78,114
92,141
2,0159
18,0153
17,0306
34,042
34,082
48,109
64,065
4,0026
20,1797
39,948
28,010
28,0135
28,9626
31,9988
44,010
Плотность
ci, кг/м3
0,6682
1,2601
1,8641
2,4956
2,488
3,174
3,147
3,898
4,755
5,812
1,090
1,1733
1,776
3,469
4,294
0,08375
0,787
0,716
1,587
1,4311
2,045
2,718
0,16631
0,8385
1,6618
1,1649
1,16490
1,20445
1,33116
1,8393
Критическая Критическое Температура
температура давление ркi, кипения при
Tкi, К
МПа
р=рс, Ткп, К
190,555
4,5988
111,65
305,83
4,880
184,55
369,82
4,250
231,05
425,14
3,784
272,67
408,13
3,648
261,42
469,69
3,364
309,19
460,39
3,381
301,02
506,4
3,030
341,89
539,2
2,740
371,58
568,4
2,490
398,83
308,33
6,139
189,15
282,35
5,042
169,44
364,85
4,601
225,45
562,16
4,898
353,25
591,80
4,106
383,78
33,2
1,297
20,35
647,14
22,064
373,15
405,5
11,350
239,75
512,64
8,092
337,85
373,2
8,940
212,85
470,0
7,230
279,10
430,8
7,884
263,15
5,19
0,227
4,21
44,40
2,760
27,09
150,65
4,866
87,29
132,85
3,494
81,65
126,2
3,390
77,35
132,5
3,766
78,85
154,58
5,043
90,19
304,20
7,386
194,65