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