CC BY
38
Научный журнал КубГАУ, №111(07), 2015 года
1
УДК 536.632
01.00.00 Физико-математические науки
ЗАВИСИМОСТЬ ИЗОБАРНОЙ ТЕПЛОЕМКОСТИ ГАЗОВЫХ КОНДЕНСАТОВ В ЖИДКОЙ ФАЗЕ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ
Бухович Евгений Викторович
соискатель
Мальцев Роман Григорьевич старший преподаватель
Магомадов Алексей Сайпудинович д.т.н., профессор
Кубанский государственный технологический университет, Краснодар, Россия, 350000, Краснодар, Московская, 2
Изучение теплофизических свойств жидкостей дает возможность качественной и количественной оценки результатов теории конденсированного состояния, фазовых переходов и критических явлений. Для прогнозирования термодинамических свойств жидких природных углеводородов, необходимы знания основных теплофизических характеристик в широком диапазоне параметров состояния. Мы теоретически и экспериментально исследовали удельную изобарную теплоемкость газовых конденсатов Опошнянского, Солоховского, Бухарского, Рыбальского, Ставропольского, Щебелин-ского и Юбилейного месторождений. Данные вещества находились в жидкой фазе на псевдокритической изобаре в интервале температур от минус 40 до 100 °C. В данной статье приведены результаты проведенного исследования. Средняя относительная погрешность эксперимента не превышает ± 1,5 %, при надежности 0,95. Было получено универсальное уравнение, описывающее удельную изобарную теплоемкость как функцию от температуры и молярной массы. С его помощью возможен расчет удельной изобарную теплоемкость на псевдокритической изобаре для исследуемых природных углеводородов со средней относительной погрешностью менее ± 1,65 %. Также это уравнение может быть использовано для описания удельной изобарной теплоемкости газовых конденсатов и других месторождений
Ключевые слова: ГАЗОВЫЕ КОНДЕНСАТЫ, ЖИДКАЯ ФАЗА, КАЛОРИМЕТР, УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОЁМКОСТЬ, ПСЕВДОКРИТИЧЕСКАЯ ИЗОБАРА, ПРИРОДНЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ, ТЕРМОДИНАМИЧСЕКИЕ СВОЙСТВА
UDC 536.632
Physical-Mathematical sciences
THE DEPENDENCE OF ISOBARIC THERMAL HEAT CAPACITY OF GAS CONDENSATES IN LIQUID PHASE ON THEIR TEMPERATURE
Bukhovich Yevgeny Victorovich postgraduate student [email protected]
Maltsev Roman Grigorievich senior lecturer
Magomadov Alexei Saipudinovich Dr.Sci.Tech., professor
Kuban State Technological University, Krasnodar, Russia
The study of the thermo-physical properties of liquids gives an opportunity of qualitative and quantitative evaluation of condensed matter theory, phase transitions and critical phenomena. To forecast the thermodynamic properties of liquid natural hydrocarbons one must know the basic heat-physical characteristics in a wide range of condition parameters. We have researched specific isobaric thermal heat capacity of gas condensates of Oposhnyanskoye, Solokhovskoye, Bu-kharskoye, Rybalskoye, Stavropolskoye, Schebe-linskoye and Yubileinoye deposits theoretically and experimentally. These substances were in liquid phase on pseudo-critical isobar in the range of temperatures from minus 40 till 100 °C. In the article the findings of the investigation are presented. The mean relative experimental error doesn’t exceed ± 1.5 %, with reliability 0.95. The universal equation expressing specific isobaric thermal heat capacity as the function of temperature and molar mass has been obtained. It describes specific isobaric thermal heat capacity on pseudo-critical isobar for investigated natural hydrocarbons with the mean relative error, which does not exceed ± 1.65 %. The use of the equation for the calculation of specific isobaric thermal heat capacity of the substances of other deposits is recommended
Keywords: GAS CONDENSATES, LIQUID PHASE, CALORIMETER, SPECIFIC THERMAL HEAT CAPACITY, PSEUDO-CRITICAL ISOBAR, NATURAL HYDROCARBONS, THERMO-DYNAMIC PROPERTIES
http://ej.kubagro.ru/2015/07/pdf/61.pdf
Научный журнал КубГАУ, №111(07), 2015 года
2
СОДЕРЖАНИЕ
1. ФОРМУЛИРОВКА ПРОБЛЕМЫ......................2
2. ПРЕДЛАГАЕМЫЙ МЕТОД РЕШЕНИЯ.................3
2.1. Экспериментальная установка............5
2.2. Математическая модель..................6
3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................9
ЛИТЕРАТУРА....................................9
1. Формулировка проблемы
Теоретические и экспериментальные исследования теплофизических свойств жидкостей дает возможность качественной и количественной оценки результатов теории конденсированного состояния, фазовых переходов и критических явлений.
Мы знаем, что в жидкостях молекулы как целое колеблются некоторое время (время оседлой жизни) в узлах кристаллической решетки, а затем совершают перескоки в другое положение (узла кристаллической решетки). При низких температурах жидкость по своим свойствам достаточна близка к твердым телам.
По результатам проверки полученных нами экспериментальных данных, проведен анализ рекомендуемых различными авторами методик расчета удельной изобарной теплоемкости. Вычислены среднеквадратические (СКО) и среднеарифметические (САО) отклонения рассчитанных по различным единым уравнениям состояния величин удельной изобарной теплоемкости газовых конденсатов в жидкой фазе, от полученных экспериментально [1] (таблица 1).
http://ej.kubagro.ru/2015/07/pdf/61.pdf
Научный журнал КубГАУ, №111(07), 2015 года
3
Таблица 1 - Отклонения данных полученных по различным единым уравнениям состояния (для жидкой фазы) от экспериментальных
Уравнение СКО. % САО, %
Соава 6,37 3,85
Пенга - Робинсона 6,76 3,82
Брусиловского 16,91 14,58
Ли - Кеслера 1,73 1,25
Филиппова 2,16 1,52
Г ригорьева 1,12 1,32
Г ригорьева - Богатова - Г ерасимова 1,23 1,07
2. Предлагаемый метод решения
Нами были продолжены обобщения удельной изобарной теплоемкости экспериментально исследованных ранее газовых конденсатов Опош-нянского, Солоховского, Бухарского, Рыбальского, Ставропольского, Ще-белинского и Юбилейного месторождений в жидкой фазе [2 - 4].
Для экспериментальных исследований удельной теплоемкости газовых конденсатов и их фракций, был выбран метод монотонного разогрева в калориметре с адиабатной оболочкой. В методике должны быть учтены следующие физические свойства исследуемых углеводородов - относительно низкая температура начала кипения, повышенная летучесть, повышенные теплоты парообразования и другие [5]. Эти факторы могут существенно влиять на погрешность и надежность эксперимента.
К числу достоинств предлагаемой методики относится достаточно высокая скорость выполнения опытов - что позволяет изучить большее количество природных углеводородов и тем самым охватить большее их разнообразие по химическому составу [6]. Это, в свою очередь, в дальнейшем - при обобщении опытных данных - позволит создать более адекватные математические модели изучаемых газовых конденсатов. В таблицах 2, 3 приведен их фракционный состав.
http://ej.kubagro.ru/2015/07/pdf/61.pdf
Научный журнал КубГАУ, №111(07), 2015 года
4
Таблица 2 - Фракционный состав газовых конденсатов Опошнянского,
Солоховского, Бухарского и Рыбальского месторождений
Выход фр., об. % Наименование месторождения
Опошнянское Солоховское Бухарское Рыбальское
Температу ра, °С
НК 33,5 33 80 52,5
10 132 86 110 122
20 150 103 120 131
30 170 122 131 144
40 203 145 139 161
50 225 169 147 175
60 260 210 161 190
70 290 260 173 214
80 325 310 187 238
90 345 341 210 269
95 - - 225 -
КК 345 341 239 269
Остаток, потери, об. % 15 14,5 - 10
Таблица 3 - Фракционный состав газовых конденсатов Ставропольского,
Щебелинского и Юбилейного месторождений
Выход фр., об. % Наименование месторождения
Ставропольское Щебелинское Юбилейное
Температура, °С
НК 55 50 29
10 80 88 98
20 90 101 110
30 98 116 121
40 108 134 130
50 118 151 148
60 134 183,5 170
70 160 232 202
80 199 265 250
90 257 - 289
95 298 - -
КК 307 287 289
Остаток, потери, об. % - 14 10
http://ej.kubagro.ru/2015/07/pdf/61.pdf
Научный журнал КубГАУ, №111(07), 2015 года
5
Исследования газовых конденсатов в жидком состоянии проводились в интервале температур от минус 40 до 100 °С при давлениях равных псевдокритическим. Относительная погрешность опытов в среднем ± 1,5 %; надежность составляет 0,95.
Групповой углеводородный состав определялся методом анилиновых точек, при удалении серной кислотой ароматических углеводородов.
Индивидуальный углеводородный состав, выкипающих в пределах от НК до 150°С, бензиновых фракций исследуемых газовых конденсатов определялся при помощи хроматографа (температуры составляли 48 и 90°С; давление газоносителя - азота - 0,5 атм). Разделяли углеводороды на колонне длиной 50 м при внутреннем диаметре 0,35 мм. В роли неподвижной жидкой фазы применялся сквалан. Как результат - идентификация в бензиновых фракциях газовых конденсатов Опошнянского и Солоховского месторождений около 70 углеводородов.
Для бензиновых фракций газовых конденсатов Опошнянского и Со-лоховского месторождений октановые числа определялись моторным методом (ГОСТ 511-52), без добавок ТЭС, в чистом виде. Для Солоховского месторождения октановое число составило 65,7; для Опошнянского - 65,1.
2.1. Экспериментальная установка
Как говорилось выше, в установке реализован метод монотонного разогрева.
Схема экспериментальной установки для определения удельной изобарной теплоемкости газовых конденсатов [7 - 9] представлена на рисунке 1:
http://ej.kubagro.ru/2015/07/pdf/61.pdf
Научный журнал КубГАУ, №111(07), 2015 года
6
На рисунке 1: 1 - жидкостный термостат, 2 - регулятор температуры в термостате, 3 - сосуд Дьюара с жидким азотом, 4 - нагреватель, 5 - манометр, 6 - образцовый манометр, 7 - вентили для регуляции подачи азота, 8 - баллон со сжатым азотом, 9 - насос, 10 - вакуумметр, 11 - термопарный карман термостата 1, 12 - адиабатный калориметр.
2.2. Математи ческая модел ь
Были выполнены обобщения полученных экспериментальных данных и установлено, что они могут быть описаны уравнением вида:
jt3 (1)
где cp - удельная изобарная теплоемкость, Дж/(кг К); t - температура, °C; a0, aj, a2 - индивидуальные для каждого конденсата коэффициенты (таблица 4).
http://ej.kubagro.ru/2015/07/pdf/61.pdf
Научный журнал КубГАУ, №111(07), 2015 года
7
Таблица 4 - Индивидуальные константы уравнения (1) для газовых конденсатов
Наименование месторождения ао ai а2 Средняя относительная погрешность определения, %
Солоховское 2187,5 4,4663 0,0084 0,99
Опошнянское 1868,7 3,3844 0,0023 0,05
Ставропольское 1897 3,3008 0,0035 0,04
Юбилейное 1772,2 2,7939 0,0021 0,05
Щебелинское 1825,6 3,0849 0,0024 0,08
Рыбальское 1807,3 2,8565 0,0029 0,99
Бухарское 1891,4 3,9854 0 0,17
В исследованном интервале температур - от минус 40 до 100 °C, -удельная изобарная теплоемкость газовых конденсатов изучаемых месторождений изменяется в среднем на 40 - 60 % [10].
В результате дальнейших математических обработок, с использованием методов термодинамического подобия, для расчета удельной теплоемкости на псевдокритической изобаре предлагается уравнение вида:
Д18 +
(2)
http://ej.kubagro.ru/2015/07/pdf/61.pdf
Научный журнал КубГАУ, №111(07), 2015 года
8
где
обратная величина удельной изобарной теплоемкости;
в
- приведенная температура; T - температура, K; Tpc - псевдокритическая температура, K; A и B - индивидуальные коэффициенты (таблица 5) - представляющие собой функции от молярной массы газового конденсата.
Таблица 5 - Значения коэффициентов A и B для исследуемых конденсатов
№ Наименование месторождения A B
1 Опошнянское 0,39 0,48
2 Солоховское 0,403 0,47
3 Юбилейное 0,419 0,458
4 Бухарское 0,411 0,464
5 Рыбальское 0,401 0,471
6 Ставропольское 0,424 0,454
7 Щебелинское 0,417 0,459
3. Заключение
Уравнение (2) описывает удельную изобарную теплоемкость при псевдокритических давлениях для исследуемых природных углеводородов в интервале приведенной температуры 0 = 0,3 0,7 со средней относи-
тельной погрешностью ± 1,65 % (включающую в себя экспериментальную в ± 1,5 %), при надежности 0,95.
Таким образом, с учетом разнообразия исследованных газовых конденсатов, уравнение (2) может быть рекомендовано для расчета изобарной теплоемкости в изучаемых интервалах параметров состояния газовых кон-
http://ej.kubagro.ru/2015/07/pdf/61.pdf
Научный журнал КубГАУ, №111(07), 2015 года
9
денсатов данных месторождений, а возможно - и других веществ в жидкой фазе [11].
Литература
1. Григорьев Б. А. Теплофизические свойства и фазовые равновесия газовых конденсатов и их фракций / Б. А. Григорьев, А. А. Герасимов, Г. А. Ланчаков; под общ. ред. Б. А. Григорьева. - М.: Издательский дом МЭИ, 2007.
2. Бухович Е.В., Магомадов А.С. Изучение изобарной теплоёмкости газовых
конденсатов с целью разработки и совершенствования аппаратов, использующих тепло // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. -Краснодар: КубГАУ, 2012. - №77(03), 2012. - Режим доступа:
http://ej.kubagro.ru/2012/03/pdf/60.pdf.
3. Бухович Е.В., Магомадов А.С. «Исследование изобарной теплоёмкости фракций газового конденсата Солоховского месторождения». Материалы IV Международной научной конференции «Технические и технологические системы», г. Краснодар, 10-12 октября 2012 г. С. 299 - 301.
4. Магомадов А.С., Бухович Е.В., Мальцев Р.Г. Изобарная теплоемкость легких природных углеводородов в конденсированном состоянии // Современные проблемы математических и естественных наук в мире / Сборник научных трудов по итогам международной научно-практической конференции. № 2. - Казань, 2015. 85 с. С. 43 - 46.
5. Герасимов А. А., Григорьев Б. А. Экспериментальное исследование изобарной теплоемкости н-гексана // Изв. ВУЗов. Нефть и газ. - 1978. - № 5. - С. 46-48.
6. Eicken A., Eugen M., ZS. f. Elektrochemie und angewandte physik. Chemie. -1951. - Bd.55. - S.343.
7. Магомадов А.С., Рудаков Г.Я. Установка для измерения теплоемкости газовых конденсатов // Переработка газа и газового конденсата. - 1974. - № 8.
8. Рудаков Г.Я., Магомадов А.С. Теплоемкость газовых конденсатов // Известия вузов СКНЦВШ. Технические науки. - 1975. - № 1.
9. Магомадов А.С. Теплофизические свойства высоковязких нефтей: Монография. - Краснодар: Изд-во КубГТУ, 2000. - 118 с.
10. Исследование удельных теплоемкостей газовых конденсатов и их фракций в широком интервале температур: Отчет о НИР / КубГТУ; Руководитель А.С. Магомадов. Тема № 8.64.09.01-12. Краснодар, 2014.
11. Экспериментальное исследование теплофизических свойств стабильных газовых конденсатов и их фракций в жидкой фазе: Отчет о НИР / КубГТУ; Руководитель А.С. Магомадов. Тема №112.04.14. Краснодар, 1994.
References
1. Grigor'ev B.A. Teplofizicheskie svojstva i fazovye ravnovesija gazovyh kon-densatov i ih frakcij / B.A. Grigor'ev, A.A. Gerasimov, G.A. Lanchakov; pod obshh. red. B.A. Grigor'eva. - M.: Izdatel'skij dom MJel, 2007.
2. Buhovich E.V., Magomadov A.S. Izuchenie izobarnoj teplojomkosti gazovyh kon-densatov s cel'ju razrabotki i sovershenstvovanija apparatov, ispol'zujushhih teplo // Politematicheskij setevoj jelektronnyj nauchnyj zhurnal Kubanskogo gosudarstvennogo
http://ej.kubagro.ru/2015/07/pdf/61.pdf
Научный журнал КубГАУ, №111(07), 2015 года
10
agrarnogo universiteta (Nauchnyj zhurnal KubGAU) [Jelektronnyj resurs]. - Krasnodar: KubGAU, 2012. - №77(03), 2012. - Rezhim dostupa:
http://ej.kubagro.ru/2012/03/pdf/60.pdf.
3. Buhovich E.V., Magomadov A.S. «Issledovanie izobarnoj teplojomkosti frak-cij gazovogo kondensata Solohovskogo mestorozhdenija». Materialy IV Mezhdunarod-noj nauchnoj konferencii «Tehnicheskie i tehnologicheskie sistemy», g. Krasnodar, 10-12 ok-tj abrj a 2012 g. S. 299 - 301.
4. Magomadov A.S., Buhovich E.V., Mal'cev R.G. Izobarnaja teploemkost' leg-kih prirodnyh uglevodorodov v kondensirovannom sostojanii // Sovremennye problemy ma-tematicheskih i estestvennyh nauk v mire / Sbornik nauchnyh trudov po itogam mezhdu-narodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii. № 2. - Kazan', 2015. 85 s. S. 43 - 46.
5. Gerasimov A.A., Grigor'ev B.A. Jeksperimental'noe issledovanie izobarnoj teploemkosti n-geksana // Izv. VUZov. Neft' i gaz. - 1978. - № 5. - S. 46-48.
6. Eicken A., Eugen M., ZS. f. Elektrochemie und angewandte physik. Chemie. -1951. - Bd.55. - S.343.
7. Magomadov A.S., Rudakov G.Ja. Ustanovka dlja izmerenija teploemkosti gazovyh kondensatov // Pererabotka gaza i gazovogo kondensata. - 1974. - № 8.
8. Rudakov G.Ja., Magomadov A.S. Teploemkost' gazovyh kondensatov // Izvestija vuzov SKNCVSh. Tehnicheskie nauki. - 1975. - № 1.
9. Magomadov A.S. Teplofizicheskie svojstva vysokovjazkih neftej: Monografi-ja. - Krasnodar: Izd-vo KubGTU, 2000. - 118 s.
10. Issledovanie udel'nyh teploemkostej gazovyh kondensatov i ih frakcij v shiro-kom intervale temperatur: Otchet o NIR / KubGTU; Rukovoditel' A.S. Magoma-dov. Tema № 8.64.09.01-12. Krasnodar, 2014.
11. Jeksperimental'noe issledovanie teplofizicheskih svojstv stabil'nyh gazovyh kondensatov i ih frakcij v zhidkoj faze: Otchet o NIR / KubGTU; Rukovodi-tel' A.S. Magomadov. Tema №112.04.14. Krasnodar, 1994.
http://ej.kubagro.ru/2015/07/pdf/61.pdf
