В 1992-1996 г.г. Всероссийским научно-исследовательским центром стандартизации, информации и сертификации сырья, материалов и веществ (ВНИЦСМВ) совместно с ВНИИР Госстандарта России, НПО ВНИИМ им. Д.И. Менделеева Госстандарта России и фирмой Газприборавтоматика РАО Газпром разработана группа стандартов ГОСТ 30319.0-96 - 30319.3-96 и ГОСТ 8.563.1-97 - 8.563.3-97, способствующая совершенствованию методов контроля и учета тепло- и энергоносителей. На базе этой группы стандартов во ВНИЦСМВ разработан программный комплекс Автоматизированная система расчета расхода и количества жидкостей и газов методом переменного перепада давления (ПК АСР-РАСХОД). Этот комплекс позволяет определять расход и количество технически важных чистых веществ (предельные и непредельные углеводороды, воздух и его компоненты, инертные газы, водород, аммиак и т.д. - 31 вещество), и осуществлять учет таких важнейших тепло- и энергоносителей, как вода, водяной пар и природный газ.

Упомянутая выше группа стандартов, однако, не определяет методы расчета теплофиз. свойств довольно широкого класса энергоносителей, пусть и значительно меньших по объему транспортирования, чем природный газ, но не менее важных с позиции их учета и контроля. К таким энергоносителям можно отнести газовые конденсаты, нефтяной попутный газ, топливный газ, пропан-бутановые смеси и т.п. Кроме того, для технических нужд есть необходимость определения расхода и количества таких смесей газов, которые крайне не желательно отнести ни к природному газу, ни к упомянутым в настоящем абзаце энергоносителям (например, доменный и коксовый газ; газовая смесь, применяемая при сварочных работах, с концентрациями 70-80 % аргона и 20-30 % диоксида углерода и т.п.).

С целью решения задачи определения расхода и количества технически важных смесей газов, и газовых конденсатов, топливных газов и т.д., во ВНИЦСМВ, начиная с 1996 г. и по настоящее время, ведутся работы по созданию методик, предназначенных для расчета теплофиз. свойств такого рода смесей веществ. Краткий анализ некоторых методик расчета плотности, показателя адиабаты и коэффициента динамической вязкости смесей газов и жидкостей представлен в настоящей аналитической статье.

Методики расчета теплофиз. свойств углеводородных смесей

Для расчета теплофиз. свойств газовых конденсатов, попутных нефтяных газов, пропан-бутановых смесей могут быть рекомендованы методы, которые приведены в следующих методиках: Методика расчета плотности, показателя адиабаты и коэффициента динамической вязкости газовых углеводородных смесей в диапазоне температур 240...320 К при давлениях до 0,5 МПа; ГСССД МР 107-9 Определение плотности, объемного газосодержания, показателя изоэнтропии и вязкости газоконденсатных смесей в диапазоне температур 240...350 К при давлениях до 10 МПа. (развитие МИ 2311-9 ., 1998 г., деп. во ВНИЦСМВ.

Перечисленные выше энергоносители можно отнести к углеводородным смесям, т.к. их основными компонентами являются метан, этан, пропан, бутаны (нормальный и изо), пентаны (нормальный и изо), н-гексан+высшие. Кроме этих компонентов в состав таких смесей входят азот, диоксид углерода и сероводород, индивидуальные параметры которых также учитываются при расчете теплофиз. свойств.

Методы расчета плотности и показателя адиабаты в указанных методиках основаны на использовании уравнения состояния вида ( :

( p = [R T / (v - b)] - [a / (v2 + ubv + wb ]

где p, T, v - соответственно, абсолютное давление, температура и удельный объем, R = 8,31451 кДж / (кг К) - универсальная газовая постоянная. Коэффициенты {a, b, u, w} этого уравнения есть функции концентраций (выраженных в молярных долях) компонентов и температуры.

Для вычисления коэффициента динамической вязкости предложено использовать

для газовых углеводородных смесей выражения из ( :

( m = mt [ 1 + pп2 / (30 (Tп - ) ];

для жидких углеводородных смесей выражения из ( :

( lg (m / mt) = 1,4503 10-3 (p - 0,10132 [5,2054 (mt)0,278 + 0,0239].

В формулах ( , ( : mt - k динамической вязкости при атмосферном давлении; рп - приведенное давление; Тп - приведенная температура. При этом mt и Тп являются функциями концентраций компонентов и температуры, а рп есть функция концентраций компонентов и давления.

Методы расчета первой из приведенных выше методик рек. применять только для газовых углеводородных смесей, таких как нефтяные попутные газы и широкая фракция легких углеводородов (ШФЛУ), т.е. для смесей с большим м, до 80-90 молярных или объемных процентов, легких углеводородов (метан - бутаны). Погрешность расчета плотности в зависимости от температуры и давления находится в диапазоне (0,25 - 1, %, погрешность расчета показателя адиабаты и вязкости не превышает, соответственно, 1,0 % и 5,0 %.

Методы расчета, приведенные в методике ГСССД МР 107-98, могут быть рекомендованы для пропан-бутановых смесей, и для газовых конденсатов, в которых преобладающими компонентами являются пентаны плюс высшие углеводороды. Т.е. такие углеводородные смеси в рабочем диапазоне температур (240-35 К, находятся в жидкой фазе. Погрешность расчета плотности не превышает 5,5 %, а коэффициента динамической вязкости - (12 - 2 %.

В методике ГСССД МР 107-98 приведен также алгоритм определения фазового состояния углеводородной смеси, т.е. приведен алгоритм расчета давлений на кривых кипения-конденсации смеси и, как следствие, можно определить, в какой фазе находится данная смесь - в газовой, жидкой или газожидкостной фазе. Для газожидкостной фазы дан алгоритм расчета объемного газосодержания, и алгоритм расчета плотности, показателя адиабаты и коэффициента динамической вязкости. Определение фазового состояния смесей требует значительных временных затрат и поэтому может быть программно реализовано только на персональных ЭВМ с большим быстродействием.

Методика расчета теплофиз. свойств умеренно сжатых газовых смесей

Методы расчета, приведенные в этой методике, рек. использовать для расчета теплофиз. свойств умеренно сжатых газовых смесей (абсолютное давление не превышает 10 МПа) в диапазоне температур (200-40 К, при этом компонентами смесей являются: метан, этан, пропан, нормальный и изобутан, нормальный и изопентан, гексан, азот, диоксид углерода, водород, кислород, аргон, моноксид углерода и этилен. Компонентный состав смесей может быть любой, но необходимо, чтобы концентрация одного или нескольких следующих компонентов: метан, азот, водород, кислород, аргон, моноксид углерода, была в смеси преобладающей. к смесям такого рода можно отнести ряд топливных и нефтяных попутных газов, доменные и коксовые газы и т.п. Более точно область применения методики по составу смеси определяется по приведенной температуре t, величина которой должна быть больше единицы, а само выражение для приведенной температуры имеет вид

t = T / S xi Tкрi,

где xi и Tкрi соответственно, молярная доля и критическая температура i-го компонента. На область применения методики накладывается также следующее ограничение - плотность смеси не должна превышать половины псевдокритической плотности.

Методы расчета плотности, фактора сжимаемости и показателя адиабаты основаны на использовании теоретически обоснованного вириального уравнения состояния. Расчет коэффициента динамической вязкости в состоянии разреженного газа выполняется с использованием строгих выражений молекулярно-кинетической теории. Для расчета вязкости при рабочем давлении использовано разложение по степеням плотности, аналогичное вириальному. В качестве потенциала межмолекулярного взаимодействия использован потенциал Леннарда-Джонса (12 - с параметрами для чистых компонентов, которые определены в выбранном диапазоне температур и давлений из данных высокой точности (стандартные и рекомендуемые справочные данные) о термических свойствах и коэффициенте динамической вязкости.

Само уравнение состояния и формула для расчета вязкости имеют вид соответственно:

( z = 1 + Bm / v + Cm / v2;

( m = m0 [ 1 + Am r Bm / M + (Am r )2Cm / M2 ].

В формулах ( , ( : z, v, r - соответственно, фактор сжимаемости, удельный объем, плотность смеси; Вm и Cm - соответственно, второй и третий вириальные коэффициенты смеси; Am = 6,0221367 10-4; m0 - k динамической вязкости в разреженном состоянии; Bm, Cm - второй и третий вязкостные вириальные коэффициенты; M - молярная масса смеси. Вириальные коэффициенты (Вm, Cm, Bm, Cm) и m0 есть функции концентраций компонентов и температуры, молярная масса смеси есть функция концентраций компонентов.

Погрешность расчета плотности и показателя адиабаты в зависимости от температуры и давления находится в диапазоне, соответственно, (0,1 - 1, % и (0,3 - 5, %, погрешность расчета вязкости не превышает 5,0 %.

Заключение

Для всех методов, которые приведены в указанных выше методиках, исходными данными для расчета являются концентрации компонентов смеси, давление и температура смеси. Вычисление плотности, показателя адиабаты и коэффициента динамической вязкости выполняется без применения итерационного цикла. Поэтому методы расчета свойств смесей, приведенные в указанных методиках, вполне пригодны для разработки программного обеспечения, которое может быть использовано не только в персональных ЭВМ, но и в автоматических вычислителях расхода.

Более подробную информацию о некоторых из перечисленных в настоящей аналитической статье методиках и других разработках ВНИЦСМВ можно получить на сайте stinfo.narod.ru

ЛИТЕРАТУРА Patel N.C., Teja A.S. A New Cubic Equation of State for Fluids and Fluid Mixtures. - Chemical Engineering Science, v.37, N 3, p.463-473, 1982 ГОСТ 30319.1-96 Газ природный. Методы расчета физ. свойств. Определение физ. свойств природного газа, его компонентов и продуктов его переработки Рекомендация. Государственная система обеспечения единства измерений. Расход и масса газовых конденсатов, ШФЛУ и продуктов их переработки. Методики выполнения измерений и расчета - МИ 2311-9 Издание официальное - М.: ИРЦ Газпром, 1995 - 99 с.

Источник: http://teplopunkt.ur.ru/articles/