engineering_ru | Коэффициент сжимаемости природного газа

Entry tags:

Коэффициент сжимаемости природного газа

Коэффициент сжимаемости природного газа

Доброе время суток!
С позволения модераторов, продолжу тему, начатую 4 апреля:

Формула Сен-Венана: аномальное снижение скорости истечения газа

Большое спасибо инженерной мысли за комменты к предыдущей заметке. Они очень помогли навести более-менее приемлемый порядок в изложении задачи.
Кратко о подоплеке интриги. Природный газ имеет интересную особенность – при его сжатии образуется дополнительная степень свободы, позволяющая «доупаковываться» дополнительным количеством газа. Величина «доупаковки» характеризуется коэффициентом сжимаемости природного газа, зависимость коэффициента сжимаемости от давления, температуры и абсолютной плотности газа определяется только эмпирическим путем. Расчетных методик очень много, каждая из них имеет свои граничные условия применения.
Если функциональная зависимость определяется эмпирическим путем – как правило, это говорит об отсутствии физической модели, которая адекватно описывала бы рассматриваемый процесс. О физическом смысле коэффициента сжимаемости толком не сказано ничего, основное определение – он характеризует отличие реального газа от идеального. Всё. Физическую модель происходящих процессов найти не удалось.
Чтобы иметь численное представление о происходящих при компримировании природного газа процессах, приведу следующий пример: если сосуд геометрическим объемом один кубометр заполнить природным газом до абсолютного давления сто атмосфер (абсолютная плотность 0,7 кг/м³, температура 20 градусов Цельсия, атмосферное давление 760 мм рт.ст.), то газа в сосуде окажется не 100 кубометров, а 123,9.

Коэффициент сжимаемости считается данностью, фундаментальным свойством природного газа, не подлежащим целенаправленному воздействию. Ну, есть и есть, как, например, закон всемирного тяготения или закон Кулона.
Давайте попробуем усомниться в незыблемости закона изменения коэффициента сжимаемости природного газа.
Велика вероятность того, что феномен сверхсжимаемости определен процессами, связанными с изменением состояния предельных углеводородов на молекулярном уровне – механистической модели для объяснения этого явления недостаточно.
В комментах к предыдущей заметке, в том числе, прозвучала ключевая фраза: «силы Ван дер Ваальса». Это целая группа явлений, имеющих разные причины, но объединенных между собой объектом воздействия – молекулами. Результат воздействия этих сил на молекулы приводит к возникновению устойчивых и неустойчивых макромолекул и нанообъектов. Высказывалось, правда, мнение, что силы Ван дер Ваальса проявляются только в жидкостях. Но есть нюанс – много их, сил Ван дер Ваальса, хороших и разных. Если между молекулами происходит какое-то непонятное взаимодействие, то можно смело и обоснованно утверждать: это силы Ван дер Ваальса!
Имеются косвенные факты, свидетельствующие о нелинейных процессах, происходящих при компримировании природного газа:
·        Нелинейное (с экстремумом) изменение скорости звука в природном газе;
·        Нелинейное (с экстремумом при больших значениях давления) изменение динамической вязкости метана;
·        Нелинейное (с экстремумом) изменение скорости истечения газа.
Примечание. Графики и формула Сен-Венана приведены в предыдущей заметке (ссылка в начале текста).

Итак, чисто инженерная задача

Цель: при прочих равных условиях (значениях давления, температуры и абсолютной плотности) добиться увеличения фактической плотности природного газа, что может быть интерпретировано как изменение (уменьшение) коэффициента сжимаемости.
Способ достижения: путем добавления «затравочных присадок» или в присутствии катализатора добиться образования макромолекул или нанообъектов, устойчивых при высоком давлении и самораспадающихся при снижении давления.
Ожидаемый эффект: увеличение пропускной способности участков магистрального газопровода; увеличение запаса газа в ПХГ и связанная с этим более равномерная по сезонам работа скважин; увеличение количества газа в газобаллонном оборудовании автомобилей, использующих СПГ.
Граничные условия:
·        «Присадки» должны быть топливом и сгорать или перерабатываться вместе с природным газом;
·        «Присадки» не должны иметь отравляющих свойств, то есть быть безопасными для применения в быту конечным потребителем;
·        Макромолекулы (нанообъекты) должны иметь устойчивое состояние при рабочих давлениях оборудования и разрушаться при снижении давления;
Примечание. Возможно, долговременное стабильное состояние макромолекул – необязательное условие. Допустимо кратковременное взаимодействие молекул при условии, что этих кратковременных взаимодействий будет много в каждый момент времени и что их количество будет одинаково в любой момент времени. Как вариант таких взаимодействий - дисперсные силы между нейтральными молекулами.
·        Макромолекулы (нанообъекты) должны иметь устойчивое состояние в диапазоне температур от -60 до 60 градусов Цельсия;
·        Макромолекулы (нанообъекты) не должны быть жидкой фракцией;
·        Макромолекулы (нанообъекты) не должны оказывать абразивное воздействие на лопатки турбин газоперекачивающих агрегатов и внутренние стенки трубы газопроводов (неактуально для газобаллонного оборудования автомобилей).
Конечно же, это самый минимум требований.
Я понимаю, что из окопов прикладной газовой динамики на танке вломиться на делянку химиков – сплошной моветон. Но иначе – никак. Если изложенная задача имеет решение, то решение это будет расположено где-то на стыке физики газа и органической химии.
И еще. Возможно, у химиков уже существует решение, которое соответствует перечисленным граничным условиям, и решение это было положено в корзинку с надписью «производственный брак». Ну кого могут интересовать полимеры, разрушающиеся при естественном (атмосферном) давлении? Транспортники газа – исключение. Нас интересуют.

Flat | Top-Level Comments Only

Не совсем по теме, но что-то совсем тишина...
Жидкие полимеры при небольших давлениях из метана называются пропан, бутан и так далее. Очень удобно транспортировать и выгодно продавать потом :)
Получать то можно, но EROEI как бы не отрицательный.

Пропана и бутана в естественном природном газе 2-3 %. Это в случае, если газ не разделялся на фракции для их выделения и дальнейшей реализации (СУГ). Проблема - связать (уплотнить) метан.

Это не инженерная задача, а ТЗ на НИОКР

Если с пустого места начинать, то да. Но есть вероятность - мизерная - что решение уже существует, но не может быть реализовано из-за "пограничья" между физикой и химией.

Скажу Вам - почему НИКТО НЕ БУДЕТ реализовывать это.
УЧЁТ.

Элементарно. Новая зависимость для коэффициента сжимаемости. Остальной учетный и расчетный механизм - без изменений.

Вам не приходило в голову, что частичная конденсация (сжижение, уплотнение), так и обратный процесс происходят в течении некоторого времени, и Ваша пропорция 100 атмосфер\123.9 куба верна при условиях некоторого отстоя емкости?
то есть закачали газ до 100 атмосфер.
прошел час-96
прошло 2 часа-93 атмосферы
прошло 3 часа-91
Вопрос-как считать закачанный объем?

И ещё-газ продают в куб.м, а сжиженный газ меряют в кг.
Как мерять в вашем случае?

Edited 2015-04-08 11:04 (UTC)

Сжижение газа - исключено категорически. Я прописал это в граничных условиях. Про "отстой емкости" - неккорректно. Образование/разрушение межмолекулярных связей будет происходить за миллисекунды. Конкретно на газораспределительной станции - за время прохождения через узел редуцирования газа (этот узел снижает давление газа с магистральных 30-100 "килограмм" до средних 3-6 "килограмм").

Образование/разрушение межмолекулярных связей будет происходить за миллисекунды-есть данные или это Ваша хотелка?

Не хотелка. Тоже в граничных условиях - устойчивость межмолекулярных связей только при высоких значениях давления. При снижении давления - лавинообразное разрушение макромолекул (наночастиц), то есть возвращение природного газа к исходному физическому состоянию.
Кстати, тут можно "поиграть" пороговыми значениями давлений - в зависимости от класса газопровода или особенностями газобаллонного оборудования.

Образование/разрушение межмолекулярных связей будет происходить за миллисекунды
При снижении давления - лавинообразное разрушение макромолекул (наночастиц)
ссылку дайте на данные

Ну, я же не просил у Вас ссылку на данные об этом же самом процессе, длящемся часами :)
А данные эти найти невозможно, потому что они также должны быть получены только в русле решения задачи.

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D4%E0%E7%EE%E2%FB%E9_%EF%E5%F0%E5%F5%EE%E4

Да нет, не то, не фазовый переход. Скорее, химическая реакция.
Вернемся к задаче. Нужно "связать", привязать несколько молекул метана к какому-то объекту. Сейчас химики заржут, если прочитают. Ну, к примеру (бред, конечно) привязать три-четыре молекулы метана к пентану или его изомерам. То есть, увеличить фактическую плотность газа в сосуде или в трубе. Предельный углеводород привязать к предельному углеводороду - маловероятно. Но что-то ведь "вбирает" в себя дополнительные объемы природного газа при естественном его составе! Так что самый-самый главный вопрос: что является "ядром" при образовании макромолекул? Узнав это, можно будет сделать следующий шаг: или попытаться усилить естественный компонент, ответственный за образование макромолекул, или найти более "мощный" и недорогой аналог. Дальше - по изложенным в заметке граничным условиям.
Знал бы прикуп - жил бы в Сочи:) Можно смело утверждать, что имя человека, решившего эту задачу, будет вписано в учебники физики. А решение по значимости можно сравнить с изобретением pn-перехода в полупроводниках.

Упс, забыл про измерение объемов газа. Если до "обработки" - по стандартному коэффициенту сжатия. Если после "обработки" - по новой зависимости Z от давления, температуры, абсолютного давления и количества "присадки. То есть, к десятку уже имеющихся методик расчета коэффициента сжимаемости придется добавить еще одну.

Есть у меня сомнение такое: найдете Вы свою волшебную добавку, позволяющую загнать в трубу вдвое больше газа, но вязкость его вырастет настолько, что существующие станции в итоге смогут прокачать его меньше...

Думаю что теоретически не решить.Надо лабораторию с оборудованием, сжимать и мерять :) Впрыскивать добавки и опять мерять. Отработанный газ, чтоб не выпускать в атмосферу, утилизировать на самогоноварение :)

Я знаю. И проблему представляю - сравнительный анализ выработки политропной работы сжатия цеха, удельного расхода топливного газа, политропного КПД... Но это задача оптимизации. Не самое трудное в этой задаче.

уже приводил в прошлом посту пример сравнения вязкости тумана и сухого воздуха.

И я им (примером) воспользовался - в граничных условиях имеется запрет на образование жидких фракций и ограничения на размер новых образований (учет абразивного воздействия на СТ и внутреннюю поверхность трубы).

>> Если функциональная зависимость определяется эмпирическим путем – как правило, это говорит об отсутствии физической модели, которая адекватно описывала бы рассматриваемый процесс. О физическом смысле коэффициента сжимаемости толком не сказано ничего, основное определение – он характеризует отличие реального газа от идеального. Всё. Физическую модель происходящих процессов найти не удалось.

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%98%D0%B4%D0%B5%D0%B0%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%B3%D0%B0%D0%B7
>> Идеальный газ — математическая модель газа, в которой в рамках молекулярно-кинетической теории предполагается, что: 1) потенциальной энергией взаимодействия частиц, составляющих газ, можно пренебречь по сравнению с их кинетической энергией; 2) суммарный объём частиц газа пренебрежимо мал; 3) между частицами не действуют силы притяжения или отталкивания, соударения частиц между собой и со стенками сосуда абсолютно упруги; 4) время взаимодействия между частицами пренебрежимо мало по сравнению со средним временем между столкновениями.

Соответственно при попытках учета, скажем размера частиц и пот. энергии их взаимодействия получаем более сложные модели. Например

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A3%D1%80%D0%B0%D0%B2%D0%BD%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5_%D0%92%D0%B0%D0%BD-%D0%B4%D0%B5%D1%80-%D0%92%D0%B0%D0%B0%D0%BB%D1%8C%D1%81%D0%B0
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A3%D1%80%D0%B0%D0%B2%D0%BD%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5_%D0%94%D0%B8%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B8%D1%87%D0%B8

Я немного не понял, о каком учете идет речь - об измерении объемов транспортируемого и распределяемого газа или нечто другое?
Со ссылками полностью согласен. Уравнение Ван дер Ваальса слишком теоретическое и имеет расхождение с реальными газами. Уравнение Дитеричи приближено к реальности (так как используются эмпирические, то есть экспериментальные, поправки), но имеет узкий "коридор" применения.
Предположение о том, что коэффициент сжимаемости определяется межмолекулярным взаимодействиями природного газа - не противоречит общепринятым положениям (в том числе, материалам, изложенным по ссылкам). Собственно, основная задача: изучить, какие именно углеводороды предельного ряда имеют межмолекулярные связи, установить величину этих связей, необходимые для их реализации давления (!). И - воздействуя на компоненты природного газа, усилить образование межмолекулярных связей. Связей не абы-каких, а метана с чем-либо.

Так поищите сначала используемые учеными модели. Например научный гугл

http://scholar.google.ru/scholar?q=Natural+gas+transport&btnG=&hl=en&as_sdt=0%2C5

В инженерных книгах часта пихается галимая эмпирика, но это не значит что вы первый из 7 млрд кто себя спросил - что там б?*% происходит.

Увы. По сию пору никого не интересовал коэффициент сжимаемости газа как объект воздействия. Везде он определяется как данность от Всевышнего.
А с научниками (отраслевыми) я работаю достаточно плотно. Поэтому посчитал себя вправе озвучить задачу и определиться с некоторыми исходными условиями.

Насколько я себе представляю достижения науки, численную модель смеси сложных молекул которая бы позволила увидеть результат добавления небольшого количества сложного стороннего вв-ва вы не найдете - уровень наших знаний такое сделать не позволяет.

Так что или приступайте к натурным экспериментам(а я готов поставить большие деньги что сходные опыты уже ставились).

Или закапывайтесь в химию органических и для начала доказывайте что при давлениях и тепмературах, достижимых в трубопроводах, хотябы в принципе может существовать чтото похожее на ваши измышления - готов поспорить что это не так. Если накопать характерные энергии связей и условия их существования, то скорее всего станет ясно что нужны условия на порядок-другой отличающиеся от трубопроводных.

Согласен с Вами. Включая предположение о "пшике" на выходе. Но попытка - не пытка. Все же есть маленькая вероятность - кто-то где-то что-то слышал. Я "смежников" имею в виду, химиков. Для нас это Терра Инкогнита, а у них куча-мала наработок в синтезе сложных соединений, включая промежуточные реакции, которые для них рутина и всего лишь этап для получения конечного продукта.
А насчет порядка величин - возможно, он будет совпадать. Ведь в естественном природном газе имеется нечто, являющееся "затравкой" для связывания некоторого количества молекул метана. Если бы было не так - не было бы и сверхсжимаемости природного газа. Динамическими моделями (в прошлой заметке даже приводили пример вытекания воды из ванной :) ) феномен сверхсжимаемости не объяснить.
Задача на словах не сильно сложна: выяснить фамилию того, кто собирает метан в компанию, измерить силу его привлекательности, попросить увеличить привлекательность, предупредив, что в случае отказа быстренько подберем более покладистый аналог :)

>> не было бы и сверхсжимаемости природного газа. Динамическими моделями (в прошлой заметке даже приводили пример вытекания воды из ванной :) ) феномен сверхсжимаемости не объяснить.
>> природного газа, который, в отличие от идеального газа, способен при сжатии «доупаковываться» некоторым дополнительным количеством молекул углеводородов.

Я же уже приводил более сложные модели. Вы пробормотали - я все это знаю и продолжили нести чушь.

Если идеальному газу давление поднять вдвое, то объем уменьшиться вдвое. Если учесть объем молекул, то это будет не так. Скажем объем молекул - одна десятая объема, тогда при повышении давления вдвое объем уменьшится в 0.1 + 0.9/2 = 0.55

Казалось, бы у нас явление обратное удивительному эффекту "сверхсжимаемости", неизвестному доселе мировой науке.

Но при сильных сжатиях гораздо более важную роль играет уменьшение сил отталкивания. В разреженном газе в главную скрипку играют силы отталкивания с кинетической природой, в сильно сжатом они сильно ослабляются силами притяжения, обусловленными дипольной структурой атома, в еще более сжатом - электростатическое отталкивание.

Это удивительное сверхсжатие - результат банального ослабления отталкивания, он происходит в любом газе и не надо предполагать наличие фуллеренов.

Вообще, сама методика дикие выводы о изменении химического состава газа на основании формулы, выведенной из Бернулли и никак химические изменения не учитывающей это тот еще симптом. Надо понимать отличие модели и реальности. Если в модели нет данных о химии, то из ее поведения нельзя делать выводов о химических эффектах.

Объем молекул одна десятая геометрического объема - это даже для жидкостей многовато. Размеры атомов и молекул все же на порядки меньше межатомных и межмолекулярных расстояний.

>>в сильно сжатом они сильно ослабляются силами притяжения, обусловленными дипольной структурой атома<< - вот это как раз и интересно. Но не дипольная структура атомов, а дипольная структура молекул. Если предельные углеводороды при сжатии проявляют себя как диполь (пусть даже локально или кратковременно) - это возможный механизм образования макроструктур.

>> это возможный механизм образования макроструктур

Любой газ ведет себя так. Дело не в образовании макроструктур. Упрощенно - притяжение меняется как 6я степень, отталкивание как 12.

Вы наблюдаете поведение модели в которую не заложены данные о химии газа и делаете выводы о химической природе. Здесь нет даже следа логики. Чтобы предполагать макроструктуры нужны другие основания.

Пендель животворящий - только на пользу организму :)
Насчет степеней я в курсе, все варианты сил Ван дер Ваальса - функция от расстояния в шестой степени и с ограничениями по расстоянию между центрами сил. А отталкивание все же кулоновское, то есть квадратичное. Зависимость 12-й степени - что-то очень уж экзотичное.
Задачу можно сформулировать более корректно: определить (вероятно, экспериментальным путем) структуру сверхжимаемости природного газа - насколько этот эффект однороден или неоднороден (в пространстве). Если неоднородностей нет - тема закрыта. Если имеются неравномерности в пространственном распределении молекул - необходимо выяснить причину неоднородности и по возможности найти найденному феномену прикладное применение. В такой формулировке крамолы нет?

От химика строго нет. Химическое соединение или есть (и мы его регистрируем-характеризуем прорвой способов), или его нет. Я бы, кстати, из школьной химии всё убрал кроме разъяснения этого факта. Чтобы организмы от шлаков не чистили.

<<Чтобы организмы от шлаков не чистили>> Ага, попытайтесь женскому полу разъяснить :)
Имеются косвенные подтверждения (изменения скорости звука в природном газе, динамической вязкости, скорости истечения газа от давления имеют экстремум, графики приведены в предыдущей заметке) того, что при сжатии газа происходят не только количественные, но и качественные изменения состояния газовой смеси (природный газ - многокомпонентный состав). Если при сжатии природного газа будут образовываться неоднородности (ну, к примеру, "уплотнение" метана возле неких "затравочных" центров) - это химическое соединение или нет? Связи между элементами неоднородности могут быть очень слабыми и разрушаться при снижении давления.

Ну да, я бы и хотел так изменть школьный курс химии, чтобы у Вас таких мыслей не возникало, а мне тут не разъяснять.
Связь значит соединение, неважно сколько короткоживущее, но присутствующее в немалой (помочь компрессору?) концентрации. А это означает, что с помощью многих химических (!) методов мы можем его уловить и что-то о нём сказать. Пар уксусной кислоты -- димер с известной формулой, это спектры и т.д.
Далее. Если оно, соединение, образуется в равновесной концентрации, то достаточно быстро. Никакой катализатор не влияет на параметры равновесия, только на скорость достижения. А "помогающая" малая добавка может быть только катализатором. Понятно, что если половину газа заменить керосином, газопровод будет работать по-другому.

Лейтмотив идеи - не помощь компрессору, а увеличение пропускной способности участка газопровода при тех же значениях давления и температуры природного газа.
Можно вопрос по спектральным характеристикам (я тяжелее осциллографа ничего в руках не держал)? Если в среде образуется слабая (очень слабая) кратковременная (но примерно с равным одномоментным количеством взаимодействий) связь между молекулами - сравнительный спектральный анализ эту связь выловит? Или другая формулировка: отражает ли спектральный анализ неоднородности исследуемой среды?
А керосин в газопровод лить нет необходимости :) В природном газе и без того достаточно компонентов, которые могли бы играть роль "группирующих" центров.
Так что логика постановки вопросов следующая:
- имеются ли в сжатом природном газе неоднородности?
- если имеются - кто виноват в их образовании?
- а нельзя ли этот эффект усилить и получить какой-нибудь прикладной бонус?

Здесь так: если связь есть, её энергия больше кинетической энергии молекулы, то она проявляется как на спектре и проч., так и в виде вмешательства в поведение газа.

Кинетическая энергия молекулы - определенная температурой, так?
Вмешательство в поведение газа - это в первую очередь качественные изменения?
И чисто технический вопрос: спектрографы "прихватывают" инфракрасный диапазон или нет?
Если в компримированном природном газе будут иметь место неоднородности распределения, то в силу слабости межмолекулярных взаимодействий дополнительные "полосочки" разместятся между пиком теплового излучения и началом видимого диапазона.
То, что я пытаюсь описать - уже не физика. Можно ли предполагаемые очень слабые взаимодействия молекул считать химией? Или это "серая" зона?

>Кинетическая энергия молекулы - определенная температурой, так?

Да, грубо сравниваем энергию связи с катэ (забыл, k -- постоянная Больцмана, что ли), меньше -- считаем, что связи нет.

>Вмешательство в поведение газа - это в первую очередь качественные изменения?

Количественные: мол.масса входит в газовые уравнения, пар уксусной -- газ из её вдвое тяжелых димеров и так себя ведет.

>И чисто технический вопрос: спектрографы "прихватывают" инфракрасный диапазон или нет?

Я ИК и имел в виду: димер бы себя еще как проявил! А сейчас еще наловчились на грани СВЧ и ИК работать, в "моих" учебниках только мечталось об этом.

>Если в компримированном природном газе будут иметь место неоднородности распределения, то в силу слабости межмолекулярных взаимодействий дополнительные "полосочки" разместятся между пиком теплового излучения и началом видимого диапазона.

Что меньше катэ, того нет и не будет на спектрах и вообще.

>То, что я пытаюсь описать - уже не физика. Можно ли предполагаемые очень слабые взаимодействия молекул считать химией? Или это "серая" зона?

Обычная работа: есть аномалии -- ищем химические причины разными своими способами. Что находится, то проявляется одновременно вот так и еще эдак. Димеров метана совсем не бывает, а разные хитрые фазы-интерметаллиды в сплавах -- очень увлекательно.

Спасибо, четко по полочкам!
Ну, димеры я и не подразумевал даже, имел в виду что-нибудь несимметричную связь типа "один ко многим" - несколько молекул метана в приложении к чему-либо.
Диапазон между ИК и СВЧ явно слишком "холодно" в рамках именно этой задачи, но технические возможности оборудования на самом деле поразительные!
В общем, буду "копать" дальше, теперь (после "сбрызгивания" в комментах) проще будет отсеивать шелуху и искать косвенные подтверждения предположения. Жаль, на такую скользкую тему НИОКР никак не светит пробить.
Пасиба!!! :)))

Приношу извинения за назойливость, но еще один вопрос: что-нибудь радиопрозрачное, включая световой диапазон (сосуд, емкость) под рабочее давление до 250 атмосфер (примерно 25 МПа) - это экзотика или рутинное лабораторное оборудование? Это применительно к спектрографу.

Flat | Top-Level Comments Only

Коэффициент сжимаемости природного газа

no subject

no subject

no subject

no subject

no subject

no subject

no subject

no subject

no subject

no subject

no subject

no subject

no subject

no subject

no subject

no subject

no subject

no subject

no subject

no subject

no subject

no subject

no subject

no subject

no subject

no subject

no subject

no subject

no subject

no subject

no subject

no subject

no subject

no subject

no subject

no subject

no subject

no subject