Коэффициент сжимаемости природного газа

[gascount.livejournal.com]

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.

Comments

[stanislav-v-l.livejournal.com]

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 :)

[gascount.livejournal.com]

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.

[glagolev.livejournal.com]

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

[gascount.livejournal.com]

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).