Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Процессы и оборудование в технологиях подготовки и переработки углеводородных газов

Покупка
Основная коллекция
Артикул: 766645.01.99
Представлены свойства и методы расчетов параметров индивидуальных углеводородов и их смесей. Рассмотрены гидрогазомеханические, тепловые и массообменные процессы. Описаны некоторые процессы синтеза жидкости с получением моторных топлив из углеводородных газов. Приведены пути повышения эффективности процессов и оборудования. Для специалистов газовой и нефтяной промышленности. Издание может быть полезно преподавателям, аспирантам и студентам технических вузов.
Запорожец, Е. П. Процессы и оборудование в технологиях подготовки и переработки углеводородных газов : монография / Е. П. Запорожец, Н. А. Шостак, Е. Е. Запорожец. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. - 600 с. - ISBN 978-5-9729-0723-6. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1835966 (дата обращения: 28.03.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.

Е. П. Запорожец Н. А. Шостак
Е. Е. Запорожец







ПРОЦЕССЫ И ОБОРУДОВАНИЕ
В ТЕХНОЛОГИЯХ ПОДГОТОВКИ И ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ГАЗОВ


Монография













Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021

УДК 622.279.8+665.62
ББК 35.514
    3-33

Рецензенты:
доктор технических наук, заведующий кафедрой нефтегазовых технологий ФГБОУ ВО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет» Хижняк Григорий Петрович;
доктор технических наук, профессор кафедры оборудования нефтяных и газовых промыслов ФГБОУ ВО «Кубанский государственный технологический университет» Долгов Сергей Викторович






     Запорожец, Е. П.
3-33      Процессы и оборудование в технологиях подготовки и переработки
     углеводородных газов : монография / Е. П. Запорожец, Н. А. Шостак, Е. Е. Запорожец. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. - 600 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0723-6

     Представлены свойства и методы расчетов параметров индивидуальных углеводородов и их смесей. Рассмотрены гидрогазомеханические, тепловые и массообменные процессы. Описаны некоторые процессы синтеза жидкости с получением моторных топлив из углеводородных газов. Приведены пути повышения эффективности процессов и оборудования.
     Для специалистов газовой и нефтяной промышленности. Издание может быть полезно преподавателям, аспирантам и студентам технических вузов.

УДК 622.279.8+665.62
ББК 35.514






ISBN 978-5-9729-0723-6

     © Запорожец Е. П., Шостак Н. А., Запорожец Е. Е., 2021
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

                СОДЕРЖАНИЕ





        ЧАСТЬ 1_____________________________________________________

СВОЙСТВА ИНДИВИДУАЛЬНЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ И ИХ СМЕСЕЙ..............................................11

ГЛАВА 1
ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ СОСТОЯНИЯ ИДЕАЛЬНЫХ И РЕАЛЬНЫХ ГАЗОВ.........................................11
1.1. Идеальные газы .....................................11
1.2. Реальные газы ......................................13

ГЛАВА 2
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ
СВОЙСТВА ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ВЕЩЕСТВ, УГЛЕВОДОРОДОВ И ИХ СМЕСЕЙ................................18
2.1. Общие физические параметры..........................18
2.2. Основные зависимости для выражения составов многокомпонентных смесей ................................20
2.3. Молекулярная масса многокомпонентных углеводородных газов и жидкостей .......................................21
2.4. Плотность, коэффициент объемного расширения.........23
2.5. Температура кипения ................................27
2.6. Критические и псевдокритические температуры, давление, молекулярный объем и фактор сжимаемости .................28
2.7. Давление насыщенных паров...........................34
2.8. Поверхностное натяжение.............................38
2.9. Вязкость............................................41
   2.9.1. Вязкость индивидуальных жидкостей и их смесей..43
   2.9.2. Вязкость газов и паров.........................46
2.10. Парахор, реохор, лиопарахор, ортохор ...................48
2.11. Факторы сжимаемости, ацентричности, характеристический .50
2.12. Фугитивность, активность, химический и термодинамический потенциалы .........................53
2.13. Теплоемкость, показатель адиабаты .................60
2.14. Теплота испарения .................................67


3

2.15. Энтальпия............................................69
2.16. Теплопроводность ....................................74
2.17. Параметры движения молекул в газах и жидкостях ......85
2.18. Теплота сгорания топлива, теоретический и действительный расход воздуха, коэффициент избытка воздуха............90
2.19. Таблицы термодинамических параметров некоторых неуглеводородных газов и воды ........................92

ГЛАВА 3
ФАЗОВЫЕ РАВНОВЕСИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ
УГЛЕВОДОРОДНЫХ СИСТЕМ.....................................111
3.1. Система жидкость - пар в равновесных условиях........111
3.2. Система жидкость - пар в неравновесных условиях......114

ГЛАВА 4
ГИДРАТЫ И ИХ СВОЙСТВА.....................................115
4.1. Общие сведения.......................................115
   4.2.1 . Структурные особенности .......................116
   4.2.2 Условия образования, существования и диссоциации.119
4.2. Физико-химические параметры гидратов.................123
   4.2.1. Состав гидратов.................................125
   4.2.2. Плотность гидратов .............................125
   4.2.3. Диэлектрические свойства .......................127
   4.2.4. Механические свойства...........................129
   4.2.5. Теплофизические свойства........................130
Литература к части 1 .....................................133

ЧАСТЬ II
ПРОЦЕССЫ И ОБОРУДОВАНИЕ В ТЕХНОЛОГИЯХ, ПОДГОТОВКИ И ПЕРЕРАБОТКИ НЕФТЯНЫХ
И ПРИРОДНЫХ ГАЗОВ ....................................136

РАЗДЕЛ 1
ГИДРОГАЗОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ............................139

ГЛАВА 1
ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ И РАСЧЕТНЫЕ УРАВНЕНИЯ
ГИДРОСТАТИКИ .............................................139
1.1. Уравнение гидростатики ..............................139
1.2. Принцип сообщающихся сосудов ........................139
1.3. Некоторые практические приложения основного уравнения гидростатики.........................................140


4

ГЛАВА 2
ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ И РАСЧЕТНЫЕ УРАВНЕНИЯ
ГИДРОДИНАМИКИ..............................................141
2.1. Характеристики движения жидкостей ....................142
    2.1.1. Скорость и расход жидкости .........................142
    2.1.2. Гидравлический радиус и эквивалентный диаметр.......143
    2.1.3. Установившийся и неустановившийся потоки ...........143
    2.1.4. Режимы движения жидкости ...........................143
    2.1.5. Критерии гидрогазодинамического подобия ............144
    2.1.6. Уравнение Бернулли .................................145
    2.1.7. Образование газожидкостных структур и сопротивления их движению по трубопроводам .........146
2.2. Истечение жидкости через сопла и насадки..................152
    2.2.1. Расход жидкости через сопла лемнискатного и коноидального типов ................................153
    2.2.2. Измерение расхода жидкости или газа с помощью трубки Пито - Прандтля................................155
    2.2.3. Измерение расхода жидкости или газа диафрагмой и соплами ............................................156
2.3. Гидродинамическая кавитация ..............................160
    2.3.1. Общие сведения......................................160
    2.3.2. Некоторые физические эффекты при кавитации..........167
2.4. Гидравлический удар ......................................170

ГЛАВА 3
ГАЗОДИНАМИКА...................................................173
3.1. Основные расчетные уравнения газодинамики ................173
3.2. Конденсация и кристаллизация в газовых потоках ...........176
    3.2.1. Гомогенная спонтанная конденсация в однокомпонентном сверхзвуковом потоке ..............176
    3.2.2. Гетерогенная конденсация в двухкомпонентном сверхзвуковом потоке..................................180
    3.2.3. Конденсация в потоке многокомпонентного углеводородного газа..................................182
    3.2.4. Кристаллизация твердой фазы в сверхзвуковых потоках.184

ГЛАВА 4
НАГНЕТАНИЕ ЖИДКОСТЕЙ, КОМПРИМИРОВАНИЕ
И РАСШИРЕНИЕ ГАЗОВ.............................................186
4.1. Насосные установки........................................186
4.2. Вентиляторы, газодувки ...................................191
4.3. Компрессоры...............................................192
4.4. Детандеры ................................................198
4.5. Монтежю ..................................................198


5

ГЛАВА 5
СТРУЙНЫЕ ТЕЧЕНИЯ И АППАРАТЫ ..................................199
5.1. Общие сведения об эжекционных течениях и струйных нагнетателях.......................................199
5.2. Гидроприводные струйные компрессорные агрегаты ..........214
5.3. Создание вакуума.........................................227
5.4. Вихревой эффект. Термотрансформатор Ранка -Хилша ........228
5.5. Процесс энергоразделения в пульсационной струе...........238

ГЛАВА 6
ПРОЦЕССЫ РАЗДЕЛЕНИЯ ГЕТЕРОГЕННЫХ СМЕСЕЙ ......................251
6.1. Осаждение тяжелой фазы под действием гравитационной силы.253
    6.1.1. Свободное осаждение ...............................253
    6.1.2. Стесненное осаждение...............................261
    6.1.3. Разделители........................................263
6.2. Очистка газа от жидкости под действием центробежных сил .267
6.3. Отделение дисперсной жидкости от газа под действием инерционных сил ..............................................282
    6.3.1. Общие сведения.....................................282
    6.3.2. Сепараторы с насыпными слоями .....................287
    6.3.3. Сетчатые сепараторы (демистеры)....................290
    6.3.4. Сепараторы жалюзийные .............................293
    6.3.5. Сепараторы с регулярными насадками.................296
    6.3.6. Эффективность насадочных сепараторов...............298
6.4. Фильтрование ............................................301
    6.4.1. Общие сведения.....................................301
    6.4.2. Очистка газа в капиллярных фильтрах................310
    6.4.3. Электрокинетическое удаление жидкости из фильтров .314
6.5. Отделение больших масс жидкости от газа .................318
    6.5.1. Нестационарные процессы при поступлении большой массы жидкости из газопровода в емкость ..................318
    6.5.2. Параметры динамического напора жидкостной пробки, поступающей в емкость аппарата из газопровода.............320
    6.5.3. Техника для улавливания больших масс жидкости, поступающих в виде пробок из газопровода .................320
         6.5.3.1. Схемы оборудования..........................320
         6.5.3.2. Устройства, применяемые для уменьшения
                динамического напора жидкости ................328
                6.5.3.2.1. Сужающийся насадок.................328
                6.5.3.2.2. Сопло Вентури .....................331
         6.5.3.3. Рассекатель потока жидкости ................334
Литература к разделу 1 .......................................337

6

РАЗДЕЛ 2
ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ И ОБОРУДОВАНИЕ .................................347
ГЛАВА 1
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ...................................................347
1.1. Трубчатые теплообменники ..............................349
    1.1.1. Кожухотрубные теплообменники ....................349
    1.1.2. Теплообменники «труба в трубе» ..................354
    1.1.3. Оросительные теплообменники .....................355
    1.1.4. Погружные теплообменники ........................356
1.2. Пластинчатые теплообменники ...........................356
1.3. Спиральные теплообменники .............................357
1.4. Теплообменники с поверхностью теплообмена, образованной стенками аппарата ............................358
1.5. Теплообменники с оребренными поверхностями теплообмена.360
1.6. Сравнение и выбор теплообменных аппаратов .............362

ГЛАВА 2
ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ И ФОРМУЛЫ ДЛЯ РАСЧЕТА ТЕПЛООБМЕННОЙ АППАРАТУРЫ........................366
2.1. Тепловой баланс .......................................366
2.2. Уравнение теплопроводности ............................367
2.3. Уравнение теплопередачи ...............................369
2.4. Тепловое подобие.......................................373
2.5. Теплоотдача ...........................................376
    2.5.1. Конвективная теплоотдача.........................376
         2.5.1.1. Теплоотдача при вынужденной конвекции.....376
         2.5.1.2. Теплоотдача при свободной конвекции ......378
         2.5.1.3. Теплоотдача при конденсации пара..........379
         2.5.1.4. Теплоотдача при кипении жидкости..........381
    2.5.2. Теплоотдача при непосредственном соприкосновении теплоносителей ........................383
    2.5.3. Экспериментальные коэффициенты теплоотдачи.......383
2.6. Теплопередача при тепловом излучении твердых тел ......385
    2.6.1. Общие сведения...................................385
    2.6.2. Закон Стефана - Больцмана........................385
    2.6.3. Закон Кирхгофа ..................................386
    2.6.4. Теплообмен лучеиспусканием между телами..........386
    2.6.5. Лучеиспускание газов.............................387
    2.6.6. Совместная передача тепла конвекцией и лучеиспусканием.389
2.7. Интенсификация теплообмена.............................390
    2.7.1. Рациональная интенсификация теплообмена .........390
    2.7.2. Поверхность с регулярной шероховатостью..........391
    2.7.3. Гидродинамика и теплопередача в винтообразно профилированных трубах .................394

7

    2.7.4. Теплоотдача и сопротивление в каналах с кольцевой накаткой...................................399
    2.7.5. Механизм интенсификации теплоотдачи в профилированных каналах..............................401
    2.7.6. Влияние интенсификации теплоотдачи на солеотложения в трубах .............................402
    2.7.7. Особенности образования отложений на стенке с интенсификаторами теплосъема.........................403

ГЛАВА 3
ХОЛОДИЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ .....................................403
3.1. Дросселирование газов ...............................404
3.2. Охлаждение газов при их расширении в детандере ......407
3.3. Охлаждение испаряющейся жидкостью ...................408
3.4. Холодильные циклы, использующиеся при охлаждении и разделении нефтяных и природных газов ..................409
    3.4.1. Холодильные циклы, основанные на использовании
         Джоуль-Томсоновского эффекта.....................409
    3.4.2. Дроссельные холодильные циклы, основанные на испарении жидкости .................................410
    3.4.3. Цикл, основанный на использовании изоэнтропийного расширения газа .......................................411
    3.4.4. Холодильный цикл на многокомпонентном холодильном агенте ...................................412
3.5. Методы охлаждения газа в струйных аппаратах и установках.413
    3.5.1. Теплогазодинамический сепаратор................413
    3.5.2. Эжекторная холодильная установка ..............422
Литература к разделу 2 ...................................424

РАЗДЕЛ 3
МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ........................................426

ГЛАВА 1
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ...............................................426
1.1. Равновесие между фазами .............................428
1.2. Материальный баланс процессов массообмена............429
1.3. Уравнение массопередачи .............................431
1.4. Процесс массообмена между фазами.....................433
1.5. Связь коэффициента массопередачи и коэффициентов массоотдачи ... 437
1.6. Массопередача с твердой фазой .......................437
1.7. Средняя движущая сила и методы расчета процессов массопередачи . 440


8

ГЛАВА 2
АБСОРБЦИЯ ...............................................444
2.1. Физические основы процесса абсорбции ...............444
    2.1.1. Равновесие между фазами.......................444
2.2. Устройство абсорберов...............................448
    2.2.1. Поверхностные абсорберы.......................448
    2.2.2. Пленочные абсорберы ..........................449
    2.2.3. Трубчатый абсорбер............................449
    2.2.4. Абсорбер с листовой насадкой .................450
    2.2.5. Насадочные абсорберы..........................450
    2.2.6. Барботажные (тарельчатые) абсорберы...........465
    2.2.7. Распыливающие абсорберы ......................481
    2.2.8. Эжекционные абсорберы.........................485
2.3. Расчет абсорберов ..................................488
    2.3.1. Расчет насадочных абсорберов..................489
    2.3.2. Расчет барботажных тарельчатых абсорберов.....492
2.4. Десорбция...........................................494
2.5. Схемы абсорбционных установок ......................495

ГЛАВА 3
ДИСТИЛЛЯЦИЯ..............................................497
3.1. Простая дистилляция ................................497
3.2. Дистилляция в токе водяного пара и инертных газов ..500
3.3. Молекулярная дистилляция ...........................501

ГЛАВА 4
РЕКТИФИКАЦИЯ ............................................502
4.1. Сущность процесса ректификации......................502
4.2. Схемы ректификационных установок для разделения бинарных смесей ..........................................503
4.3. Материальный и тепловой балансы непрерывной ректификации бинарных смесей .............................506
4.4. Ректификация многокомпонентных смесей ..............512
4.5. Устройство ректификационных аппаратов ..............514
4.6. Специальные виды ректификации.......................517

ГЛАВА 5 ЖИДКОСТНАЯ ЭКСТРАКЦИЯ И ЭКСТРАГИРОВАНИЕ .................522
5.1. Общая характеристика процесса ......................523
5.2. Методы экстракционного разделения...................528

ГЛАВА 6
АДСОРБЦИЯ ...............................................533
6.1. Общие сведения......................................533


9

6.2. Пористая структура адсорбентов....................536
6.3. Основные виды пористых адсорбентов ...............538
6.4. Теплота адсорбции ................................549
6.5. Типы адсорбционных процессов и установок..........550
Литература к разделу 3 ................................559

РАЗДЕЛ 4
НЕКОТОРЫЕ ПРОЦЕССЫ СИНТЕЗА ЖИДКОСТЕЙ
ИЗ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ГАЗОВ ...............................561
Литература к разделу 4 ................................593

10

                ЧАСТЬ I





СВОЙСТВА ИНДИВИДУАЛЬНЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ И ИХ СМЕСЕЙ

   В данном разделе кратко представлены основные законы состояния идеальных и реальных газов, расчеты основных параметров индивидуальных углеводородов и их смесей, фазовые равновесия многокомпонентных углеводородных систем, а также свойства газовых гидратов. Все данные взяты из литературных источников [1-52], приведенных в конце раздела.



    ГЛАВА 1      _________________________________________
    ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ СОСТОЯНИЯ ИДЕАЛЬНЫХ
    И РЕАЛЬНЫХ ГАЗОВ

    В технологиях нефтегазовой промышленности широко применяются процессы, связанные с нагреванием и охлаждением, сжатием и расширением газов. В связи с этим значительный интерес представляют законы изменения состояния газа.
    Газообразное (или парообразное) состояние веществ характеризуется незначительной величиной межмолекулярных сил взаимодействия. При тепловом движении молекулы газа мало стеснены и равномерно распределены в объеме, занятом газом.

    1.1. Идеальные газы

    Под идеальными понимают гипотетические газы, состоящие из вполне упругих молекул, между которыми отсутствуют силы взаимного притяжения и объемы которых исчезающе малы по сравнению с объемом межмолекулярного пространства.
    Понятие об идеальном газе введено для представления о предельном состоянии данного вещества при достаточно низком давлении и высокой температуре.


11

     Уравнение Менделеева - Клапейрона для 1 моля идеального газа:

Р •»=Rcₒₙₛₜ ■ T,

(1.1.1)

где  Rcₒₙₛₜ — универсальная (молярная) газовая постоянная; Р - давление;
      3 - мольный объем; Т - температура.


     Закон Бойля - Мариотта. При постоянной температуре объем идеального газа обратно пропорционален давлению:

                                        f1 = V2
                                        Р2   V1

(1.1.2)

где V₁ — объем газа при давлении Р₁; V₂ — объем газа при давлении Р₂.


     Закон Гей-Люссака. При постоянном давлении объем идеального газа прямо пропорционален абсолютной температуре:


П = И
72  V2 ,

(1.1.3)


где Т₁ — температура газа при его объеме V₁; Т₂ — температура газа при его объеме V₂.


      На основе закона Гей-Люссака вычисляется объем VT данной массы газа при постоянном давлении в зависимости от изменения температуры ДТ
VT = Vₒ ■ (1 + ат-ДТ),                    (1.1.4)

Ат = 2^                             (1.1.5)
где Vₒ — объем газа при начальной температуре; ат - коэффициент объемного расширения газа при постоянном давлении, примерно равный для всех газов К⁻¹.


     Закон Авогадро. При постоянных давлении и температуре в одинаковом объеме содержится одинаковое число молекул любого газа.
     Объем, занимаемый одним киломолем любого газа, есть величина постоянная и равная 22,4 м³ (при То = 273 К и Р0 = 101325 Па).

     Закон Дальтона. Общее давление смеси газов (насыщенных паров) равно сумме парциальных давлений составляющих смеси:
                               Р= Z?=iPt, (1.1.6)
     Из закона Дальтона следует, что парциальное давление газа pL равно произведению Р общего давления смеси газов на его мольную долю yₘₜ:
                               Pt = Р'Утс. ⁽1.1.⁷⁾
     Закон Амага. Общий объем V газовой смеси равен сумме парциальных объемов Vₜ компонентов при температуре и давлении системы:
V= Z”₌iVt.                          (1.1.8)

12

     Закон Генри. Парциальное давление газа над раствором пропорционально его мольной концентрации хт₁ в растворе, или растворимость газа Qₜ пропорциональна его парциальному давлению.

Pl    Ct ' хт1,

Qt = Kr Pt,

(1.1.9)

(1.1.10)

где Cₜ, Kₜ — коэффициенты пропорциональности; Qₜ — количество i-го газообразного компонента, растворенного в единице объема жидкости при данной температуре.

     Закон Генри применим для идеального раствора при небольших давлениях, низких концентрациях растворенного в жидкости газа при условии, что газ и жидкость не образуют химических или молекулярных соединений.


     Закон Рауля. Относительное понижение давления пара данного вещества в растворе численно равно мольной доле второго вещества в этом же растворе:

                        Рнп 1 ~р1 _ Рнп2 ~Р2 _
=     = хт2, р = хт1 ,
'ни1            'ни2

где Рнп ₜ — давление насыщенного пара i-го компонента.


      Из закона Рауля следует:

р1 _ Рн п1 ' хт1, р2 _ Рн п2 ' хт2 ■

(1.1.11)

(1.1.12)

     Для жидкостей, состоящих из компонентов разной химической природы, закон Рауля точен для разбавленных растворов; для жидких смесей компонентов, близких по химической природе (углеводородные смеси), закон Рауля применим в достаточно широких пределах.
     Для идеальных растворов pₜ из уравнения Рауля численно совпадает с коэффициентом Cₜ уравнения Генри.
     Комбинированное уравнение Дальтона - Рауля применительно к равновесным условиям сосуществования пара и жидкости имеет вид:

Р ' ут1 ~ Рнп1 ' хт1 .

(1.1.13)

      Здесь паровая фаза - идеальный газ, а жидкость - идеальная жидкость (в которой отсутствуют внутреннее трение и теплопроводность).



     1.2. Реальные газы

     При небольших давлениях и сравнительно высоких температурах реальные газы мало отклоняются от законов идеальных газов. Реальный газ тем более отличается от идеального, чем выше давление. При высоких давлениях плотность паровой фазы может значительно превышать плотность жидкой фазы. Так, при давлении 1500 МПа и температуре 338 К плотность газообразного водорода составляет 130 кг/м³, тогда как плотность жидкого водорода равна 70 кг/м³, а твердого 80 кг/м³.

13

     При давлении 1500 МПа и температуре, превышающей критическую, фактический объем азота в 16 раз больше объема, рассчитанного по уравнению для идеальных газов.
     Уравнение Дальтона для бинарной смеси реальных газов в формулировке Кричевского и Казарновского
P — Р1 'Ут1+Р2 ' Ут2 + а ' Ут1 ' Ут2 ' ⁽Р1 — Р2),  (1.2.1)
где а — константа для данной смеси, зависящая от температуры.


     Уравнение (1.2.1) применимо в широком интервале давлений (до 50 МПа).
     Уравнение Менделеева - Клапейрона применительно к реальному газу:
P-V = z-Pcₒₙₛₜ-T,                     (1.2.2)
где z — фактор сжимаемости.


     Разность между объемом идеального и реального газа называют остаточным объемом, который равен:

А    Уид    ^реальн

Pconst'T   ..
    —       Уреальн,

(1.2.3)

     Применительно к смесям газов уравнение (1.2.3) принимает вид:

P ' V — zcm ' Pconst ' T ' ^=1ут;•

(1.2.4)

     Взаимосвязь P — V — T для газа при умеренных давлениях и высоких температурах, исключающих конденсацию, может быть найдена по уравнению Ван-дер-Ваальса :

(P + £)(« — b) — RccOₙSₜ ■ T,

(1.2.5)

где В — мольный объем газа (-М—); а, b — константы, характеризующие степень отклонения состояния реального газа от идеального и рассчитываемые по формулам:

4,03 ■ pconst'^Kp                     
  X ---              , (1.2.6)        
Ркр                                   
b   121-RCOnst'PKp             (1.2.7)
Ркр                                   
^ --- 0,9869-ficonst-T         (1.2.8)
                  р нп                

где Ркр, TKₚ — критические давление и температура; T — температура газа.

      Числовые значения этих констант для углеводородов даны в таблице 1.2.1. Для смесей газов:
#СМ- £1=1(Ут. ■«,                             (1.2.9)
Ьсм— П=1(Ут1 ■ЬД                           (1.2.10)

      Термодинамическое состояние реальных газов характеризуют эмпирическими уравнениями состояния, связывающими давление P, температуру T и объем V.

14

Таблица 1.2.1 - Константы уравнения Ван-дер-Ваальса

             а ■ 1020, Ь ■Ю9,              а ■Ю20, Ь ■Ю9,
Углеводороды   м^Па      м3   Углеводороды  м^Па     м3  
Метан          4,44     1,91  Изопентан     35,35  6,41  
Этан           10,56    2,85  Гексан        48,65  7,87  
Этилен         8,78     2,55  Циклогексан   42,93  6,36  
Пропан         1,67     3,77  Гептан        61,97  11,85 
Бутан        28,42      5,47  Октан         73,42  10,57 
Изобутан       25,26    5,10  Бензол        35,43  5,15  
Пентан         37,40    6,52  Толуол        47,27  6,53  

     Эмпирические уравнения состояния получены на основе обработки экспериментальных данных Р — V — Т; на основе исследования эффекта Джоуля -Томсона и обработки данных о теплоемкости реальных газов при разных давле

ниях и температурах.
     Уравнения состояния подразделяют на две группы в зависимости от обла

сти применения:
     -  для идеальных сред с высокой степенью точности (например, уравнение Бенедикта - Вебба - Рубина для углеводородных газов);
     -  для всех сред с относительной степенью точности (например, уравнения Ван-дер-Ваальса, Редлиха-Квонга).
      Уравнение Бенедикта — Вебба — Рубина (БВР):
Р — Rconst -Т-р + [В₀- Rcₒₙₛₜ -Т — Ао — (С₀/Т²)] ■ р² +
+ (Ь ■ Rconst ■ Т — п) ■ рз + tt ■ а ■ р$ + с ■ рз х (1.2.11)
X [(1+ГР )] ■ ₑₓₚ⁽—Y ■ р²⁾,

где

мольная плотность вещества

( моль\
I~)

; Ао, Во, Со, п, Ь, с, а, у — коэффи
Р —

     циенты не зависящие от давления, температуры, плотности и постоянные для определенного вещества. Их числовые значения приведены в таблице 1.2.2.


     Уравнение БВР применимо для расчета термодинамических свойств смесей легких углеводородов. В этом случае коэффициенты уравнения для смеси находят по известным коэффициентам (см. табл. 1.2.2).

А0 --- (£n=iumi ■   а015)2, (1.2.12)
     В0 --- Si=iumi ■Boi,   (1.2.13)
С0 --- (Ei'=i umi ■ С)2,    (1.2.14)
    п --- ^Si=l ^mi 4       (1.2.15)

15

Таблица 1.2.2 - Коэффициенты для индивидуальных углеводородов в уравнении БВР

Компонент    Во        Ло    Со ■ Ю'6     ь         а      с ■ 10 s  а - 103   у 102 
Метан     0,04260    1,8550  0,02257  0,00338004  0,4940  0,0025450  0,124359 0,6000 
Этан      0,0627724 4,15556  0,179592 0,0111220  0,345160 0,0327670  0,243389  1,180 
Пропан    0,973130  6,87225  0,508256  0,022500  0,94770   0,12900   0,607175  2,200 
Изобутан  0,137544  10.23264 0,849943 0,0424352  1,93763   0,286010  1,07408   3,400 
н-Бутан   0,124361  10,0847  0,992830 0,0399983  1,88231   0,316400  1,10132   3,400 
Изопентан 0,160053  12,7959  1,74632   0,066812  3,75620   0,695000   1,700    4,630 
н-Пентан  0,156761  12,1794  2,12122  0,0668120  4,07480   0,82417    1,810    4,750 
н-Г ексан 0,174813  14,4375  3,31935   0,109131  7,11671   1,51276   2,81086  6,66849
н-Г ептан 0,199005  17,5206  4,74574   0,151954  10,36475  2,47000   4,35611   9,00  
н-Октан       -        -        -         -         -         -         -        -   
н-Нонан   2,32095    131,56  3,20417   0,856466  55,1599   0,781821  2,32899     0   
н-Декан   6,23189   358,180  0,131900  1,96701   125,122  0,00442954 2,14459     0   
СО2       0,0499101 2,73742     -     0,00721045 0,136814 0,0149180   0,0847   0,539 
Азот      0,0407426 1,053642    -     0,0023277  0,025102 0,00072841 0,1272    0,53  


b = (Z?=lumi  ■bi)3, (1.2.16)
с = ^£Г=1ит1  ■ci)’, (1.2.17)
Г = ^Zi=i um, 4      (1.2.18)
А = (^lUnX    ■4     (1.2.19)

где uₘₗ — мольная концентрация компонента в смеси.

      В дальнейшем буквами: и выражаются концентрации компонентов, находящиеся в неизвестном фазовом состоянии (газообразном или жидкостном); х — концентрации компонентов в жидком состоянии; у — концентрации компонентов в газообразном состоянии.
      Уравнение БВР довольно точно описывает поведение газовых смесей, а для жидких смесей оно применимо при плотности:

Р/ < 1,8 ■ Ркр,

(1.2.20)

где р; — плотность жидкостной смеси; ркр — критическая плотность.


      При решении уравнения относительно плотности получается несколько значений. Наименьшее из полученных значений соответствует плотности паровой фазы, наибольшее - плотности жидкой фазы.


Уравнение состояния Редлиха — Квонга (РК)

    987-R ТТ       100-a                                          
    p = 987 RCOnstТ _        -----,                  (1.2.21)     
                  103-9---b     [fl-(103-9+fc)]-VT,               
где В --- мольный объем; a, b --- константы уравнения.            
    Для индивидуальных компонентов они рассчитываются по формулам:
                      T2 ■             
                      'кр I            
at = 4,1887 ■ Rc2onst ,        (1.2.22)
                      Ркр!             
                      T •              
                      кр 1             
 bi = 85,87■ RCOnst ■ 71     , (1.2.23)
                      Ркр(             

где Ткр £, Ркр₁ — критические температура и давление.

     При применении уравнения РК к углеводородным смесям коэффициенты а, b определяют по правилу аддитивности:

асм _ S; = 1 ai ■ umi, (1.2.24)
Ьсм- ХП Л^т,.          (1.2.25)

17

     Уравнение РК является одним из наиболее надежных для расчета термодинамических функций углеводородных газов. Оно применимо к широкому ряду газовых компонентов, но для полярных, таких как сероводород, моно- и диоксид азота, уравнение РК в таком виде недостаточно точно описывает состояние смесей и становится неточным для индивидуальных углеводородов при условиях, приближающихся к критической точке. Поэтому уравнение РК подвергалось неоднократной модификации. Модифицированные уравнения носят названия, например, Чу-Праусница, Ли-Эдмистера, РК в модификации В. Д. Барсука. В настоящее время известно более 150 эмпирических уравнений состояния. Они подробно рассматриваются в специальной литературе.




    ГЛАВА 2_______________________________________
    ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ВЕЩЕСТВ, УГЛЕВОДОРОДОВ И ИХ СМЕСЕЙ

    В данной главе представлены некоторые методы расчетов теплофизических и термодинамических свойств индивидуальных веществ, углеводородов и их смесей. Дополнительно в табличном виде представлены термодинамические параметры некоторых индивидуальных газов и воды.



     2.1. Общие физические параметры


Единичная атомная масса - — часть массы изотопа углерода ¹²С:

                  12с           „                  
тА = --- = 1,66 ■ 10“27кг.                  (2.1.1)

Относительная молекулярная (атомарная) масса:

                      _ ^мол                        (2.1.2)
                        ™А                                 
где тмол --- масса молекулы (атома) вещества (кг).         
Масса вещества (кг):                                       
где п --- число молекул. М = тМол ■ п,              (2.1.3)

      Количество вещества в системе СИ характеризуется числом его структурных элементов и выражается в молях. Моль есть количество вещества системы,


18