CC BY
12
УДК 553.981.6:537.226.2
Изучение диэлектрической проницаемости газовых конденсатов в зависимости от температуры
А.С. Магомедов1, Ф.М. Шмелев1, Э.К. Вайниловский1*
1 ФГБОУ ВО «Кубанский государственный технологический университет», Российская Федерация, 350072, Краснодарский край, г. Краснодар, ул. Московская, д. 2 * E-mail: crunge@mail.ru
Тезисы. Многие открытые месторождения природного газа являются газоконденсатными. В связи с этим имеет огромное значение исследование теплофизических и электромагнитофизических свойств газовых конденсатов и их фракций. Это актуально для химических производств, при добыче и транспортировке газа, а также для расчета процессов и аппаратов по переработке газовых конденсатов.
Жидкие диэлектрики, коими являются газовые конденсаты, имеют способность накапливать статические электрические заряды, что может привести к катастрофическим последствиям. Поэтому актуальна проблема защиты от этого опасного явления при добыче, транспортировке и переработке газовых конденсатов.
Одно из важнейших свойств газовых конденсатов - диэлектрическая проницаемость (е). В настоящее время е жидкости может быть определена достаточно точно при помощи относительно простой аппаратуры оператором низкой квалификации. Измерения не трудоемки, могут проводиться быстро и даже дистанционно.
В статье представлены исследования е газовых конденсатов месторождений: Оренбургского, Ставропольского, Солоховского, Майкопского (I горизонт). Для обобщения данных применялась теория термодинамического подобия.
Диэлектрическая проницаемость газовых конденсатов измерялась посредством мостового метода в специально созданной ячейке. Измерение емкости ячейки с исследуемым газовым конденсатом проводилось при помощи образцовых емкостей блока конденсаторов измерительной установки методом неполного замещения.
Кроме того, в данной работе проанализировано применение теории термодинамического подобия к анализу зависимости е от температуры нескольких парафиновых углеводородов, которые входят в состав газовых конденсатов исследуемых месторождений.
Ключевые слова:
диэлектрическая проницаемость, газовые конденсаты, теория
термодинамического подобия, парафиновые углеводороды.
Многие открытые месторождения природного газа являются газоконденсатными. В связи с этим имеет огромное значение исследование теплофизических и электромагнитофизических свойств газовых конденсатов и их фракций. Это актуально при добыче и транспортировке газа, для химических производств, а также для расчета процессов и аппаратов по переработке газовых конденсатов.
Одно из важнейших свойств газовых конденсатов - диэлектрическая проницаемость (е). Данные в литературе по указанному свойству оставляют желать лучшего, хотя для многих областей техники и науки необходимо знание точных ее значений.
Жидкие диэлектрики, коими являются газовые конденсаты, имеют способность накапливать статические электрические заряды, что может привести к катастрофическим последствиям. Поэтому данные о диэлектрической проницаемости газовых конденсатов при различных температурах и давлениях необходимы для оценки опасности этого явления.
Диэлектрические свойства могут быть использованы для прогнозирования трудно определяемых физико-технических свойств в широком интервале параметров состояния жидкостей.
В настоящее время диэлектрическая проницаемость жидкости может быть определена достаточно точно при помощи относительно простой аппаратуры оператором низкой квалификации. Измерения не трудоемки, могут быть проведены быстро и даже дистанционно. В свою очередь, установки для определения физико-технических свойств сложны и дороги и, кроме того, требуют высокой квалификации персонала.
Как известно, исследованные газовые конденсаты - это смесь жидких углеводородов. Поэтому изучение и обобщение свойств компонентов данной смеси имеет также научный интерес.
В связи с этим проведен анализ справочных данных [1] зависимости диэлектрической проницаемости от температуры при атмосферном давлении для следующих углеводородов: гексана, гептана, октана, декана, ундекана, до-декана. Как видно на рис. 1, зависимость е парафиновых углеводородов от температуры (Т) описывается разными кривыми линиями. Но в результате применения теории термодинамического подобия (рис. 2) для описания указанной зависимости найдена единая функция:
е* = 1,20302 - 0,23849т - 0,16663т2.
(1)
где £ =- - приведенная диэлектри-
^г = 0,6
т
ческая проницаемость; т = — - приведен-
Трс
ная температура; Т - псевдокритическая
температура, ет = 0,6 - диэлектрическая проницаемость при т = 0,6. Функция (1) описывает зависимость е* = /т) для парафиновых углеводородов со средней относительной погрешностью 0,076 %, максимальная погрешность 0,34 %.
В данной работе содержатся исследования е газовых конденсатов Оренбургского, Ставропольского, Солоховского, Майкопского (I горизонт) месторождений. В табл. 1 представлены физические свойства стабильных газовых конденсатов указанных месторождений.
Диэлектрическая проницаемость газовых конденсатов измерялась в специально созданной ячейке, в которой был реализован мостовой метод (рис. 3) [2]. Опыты проводились при атмосферном давлении. Ячейка представляет собой трехэлектродный цилиндрический конденсатор, состоящий из двух параллельно соединенных емкостей. Корпус ячейки 5, служащий одновременно наружным заземленным электродом, представляет собой полый цилиндр из латуни Л62. Внутренняя его часть никелирована и хромирована. Нижнюю
180
280
гексан
— гептан
— октан
— декан
— ундекан
— додекан
380
480
Т
Рис. 1. Зависимость £ от Т для парафиновых углеводородов
1,12
1,08
1,04
1,00
0,96
0,92
О..
\
> 3
0,33 0,43 0,53 0,63 0,73 0,83
т
Рис. 2. Зависимость £* от т для парафиновых углеводородов
Таблица 1
Физические свойства конденсатов
Месторождение Показатель преломления п при Т = 20 °С Плотность, р20, кг/м3 Молярная масса, М, кг/моль Псевдокритическая температура, Трс, К
Ставропольское 1,4350 769,7 0,1080 580,0
Майкопское (I горизонт) 1,4330 762,5 0,1089 592,0
Оренбургское 1,3993 705,4 0,0970 548,7
Солоховское 1,4406 789,0 0,1420 607,7
10
Рис. 3. Измерительная ячейка:
1 и 9 - штуцеры; 2 и 7 - фланцы;
3 - цилиндрическая полость;
4 - кольцевой потенциальный электрод;
5 - корпус ячейки; 6 - втулка;
8 - уплотнительная система; 10 - шпильки
и верхнюю крышки ячейки образуют два фланца 2 и 7 из нержавеющей стали. Фланцы стягиваются стальными нержавеющими шпильками 10. Линзовое уплотнение между фланцами ячейки и ее корпусом обеспечивает надежную герметичность в рабочем диапазоне температур и давлений.
Между стенками заземленных электродов (внутренней наружного и наружной внутреннего) располагается кольцевой потенциальный электрод 4. Он изготовлен из латуни в виде полого цилиндра с дном и винтом в верхней части для крепления, поверхность его никелирована и хромирована. В верхней части электрода сделаны вырезы для уменьшения краевого эффекта. Потенциальный электрод крепится на резьбе к втулке 6 из текстолита, которая выполняет роль изолятора и крепится к фланцу 7 ячейки.
В верхней и нижней крышках ячейки проделаны каналы, которые оканчиваются штуцерами 1 и 9, припаянными к ячейке. К верхнему и нижнему штуцерам резьбовыми соединениями крепятся капилляры из нержавеющей стали. Трубки капилляров выведены выше уровня верхней крышки ячейки и образуют систему ее заполнения.
Центральный потенциальный электрод ячейки и дифференциальная медь-констан-тановая термопара, служащая для измерения и контроля стабилизации температуры исследуемой жидкости с измерительной аппаратурой, соединены каналом в верхней крышке ячейки и припаянной к ней уплотнитель-ной системой 8. Холодный спай термопары погружен в ноль-термостат. Термо э.д.с. дифференциальной термопары измерялась полуавтоматическим потенциометром Р2/1 (класс точности 0,05). Выводы от электродов ячейки посредством раздельно экранированных (для уменьшения влияния дополнительных емкостей) проводников подведены к измерительной установке У-592.
Диэлектрическая проницаемость исследуемых углеводородов вычислялась по формуле:
С,. - С
£ = -
С
(2)
где См - измеренная емкость ячейки, Сп - паразитная емкость соединительных проводов, Ср -рабочая емкость ячейки (в вакууме).
Измерение емкости ячейки с исследуемым газовым конденсатом проводилось при помощи образцовых емкостей блока конденсаторов измерительной установки методом неполного замещения. Вычисленное значение диэлектрической проницаемости гептана совпало с табличными со средней погрешностью ± 0,01 %.
В табл. 2 представлены сглаженные значения диэлектрической проницаемости газовых конденсатов, полученные в результате исследований. Для наглядности на рис. 4 представлены графики зависимости е от температуры для конденсатов изучаемых месторождений. Как видно на графике, данная зависимость для каждого конденсата описывается отдельной линией.
Псевдокритические параметры состояния исследованных фракций газовых конденсатов рассчитывались на основе методик, предложенных Филипповым [3]. На основании полученных экспериментальных данных выполнены их обобщения посредством методов теории термодинамического подобия свойств веществ.
На рис. 5 представлены результаты исследования е в приведенных координатах е *- т.
Была найдена аппроксимирующая функция, описывающая данную зависимость:
е* = 1,4704 - 1,179т + 0,6597т2.
(3)
Таблица 2
Сглаженные значения £ газовых конденсатов
Месторождение
Ставропольско е Майкопское (I горизонт) Солоховское Оренбургское
Т, К е Т, К е Т, К е Т, К е
283,15 2,032 223,15 2,301 263,15 2,153 233,15 2,039
293,15 2,02 233,15 2,287 273,15 2,138 243,15 2,021
303,15 2,009 243,15 2,266 283,15 2,123 253,15 2,005
313,15 1,991 253,15 2,243 293,15 2,108 263,15 1,988
263,15 2,222 303,15 2,093 273,15 1,976
273,15 2,2 313,15 2,078 283,15 1,967
283,15 2,18 323,15 2,063 293,15 1,947
293,15 2,162 333,15 2,048 303,15 1,927
303,15 2,148 343,15 2,033 313,15 1,914
313,15 2,139 353,15 2,018
220
270
Месторождение:
— Майкопское I
— Солоховское
— Ставрапольское
— Оренбургское
320
Рис. 4. Зависимость £ от Т для газовых конденсатов
370
Г,К
1,14
1,10
1,06
1,02
0,98 0,37
Ч ••Р \о
'•••Р ОуР г>
ч %
0,47
0,57
Рис. 5. Зависимость £* от т для газовых конденсатов
0,67 т
Функция описывает зависимость е* = _Дт) для газовых конденсатов Майкопского (I горизонт), Солоховского, Ставропольского, Оренбургского месторождений со средней
относительной погрешностью ±0,31 %. ***
В результате сопоставления полученных результатов видно, что данные группы веществ (газовые конденсаты исследуемых месторождений и парафиновые углеводороды) ведут себя по-разному при применении теории термодинамического подобия: аппроксимирующая функция для парафиновых углеводородов (см. рис. 2) описывается опытной кривой, которая выпукла относительно оси абсцисс, для газовых конденсатов кривая, напротив, вогнута (см. рис. 5). Это, очевидно, связано с тем, что
механизм поляризации чистых углеводородов (с одинаковыми молекулами) отличается от механизма поляризации сложных углеводородных смесей.
Список литературы
1. Ахадов Я.Ю. Диэлектрические свойства чистых жидкостей: справ. / Я.Ю. Ахадов. -М.: Государственная служба стандартных и справочных данных, 1999. - 812 с.
2. Рудаков Г.Я. Диэлектрическая проницаемость газовых конденсатов и их фракций: обзор / Г.Я. Рудаков, Ю.И. Фель, В.Н. Булавкин. -М.: ВНИИЭгазпром, 1973. - 52 с. -(Переработка газа и газового конденсата. - № 2).
3. Филиппов Л.П. Подобие свойств веществ / Л.П. Филиппов. - М.: МГУ, 1978. - 255 с.
Studying dielectric permittivity of gas condensates depending on temperature values
A.S. Magomadov1, F.M. Shmelev1, E.K. Vaynilovskiy1*
1 Kuban State Technological University, Bld. 2, Moskovskaya street, Krasnodar, Krasnodar Kray, 350072, Russian Federation * E-mail: crunge@mail.ru
Abstract. Many discovered fields of natural gas are the gas-condensate ones. Thus, it's quite important to study the thermophysical and electromagnetic properties of gas condensates and their fractions on behalf of the chemical production, production and transportation of gas, as well as calculation of the processes and machineries for processing gas condensates.
The liquid dielectrics like the gas condensates can accumulate static electric charge, which could have the catastrophic aftereffects. Hence, production, transport and processing of gas condensates must be protected from this dangerous phenomenon.
Nowadays, it is possible to measure the dielectric permittivity of gas condensates quite accurately with rather simple instruments and by a semiskilled operator. It can be done quickly and even remotely. This article presents the studies of the dielectric permittivity for cases of gas condensates from the Orenburg, Stavropol, Solokhov, Maykop fields (1st horizon). To generalize data, an apparatus of the thermodynamic similarity theory was applied. The dielectric permittivity was measured by the bridge method in a specially constructed sell. Capacity of the sell with the gas condensate was referred to capacities of a measuring set tank capacitor, and measured using a method of incomplete substitution.
Besides, authors examined the application of the thermodynamic similarity system to analysis of the dielectric permittivity dependence on the temperatures of some paraffinic hydrocarbons being a part of the studied gas condensates.
Keywords: dielectric permittivity, gas condensates, theory of thermodynamic similarity, paraffinic hydrocarbons. References
1. AKHADOV, Ya.Yu. Dielectric properties of pure fluids [Dielektricheskiye svoystva chistykh zhidkostey]: reference book. Moscow: State Service of standard and Reference Data, 1999. (Russ.).
2. RUDAKOV, G.Ya. Dielectric permittivity of gas condensates and their fractions [Dielektricheskaya pronitsayemost gazovykh kondensatov i ikh fraktsiy]: review. Moscow: VNIIEgazprom, 1973. Series: Processing of gas and gas condensate [Pereraborka gaza i gazovogo kondensata], no. 2.
3. FILIPPOV, L.P. Similarity of properties of substances [Podobiye svoystv veshchestv]. Moscow: Lomonosov Moscow State University, 1978. (Russ.).
