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

[vashu11.livejournal.com]

>> 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

[gascount.livejournal.com]

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.

[vashu11.livejournal.com]

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.

[gascount.livejournal.com]

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.

[vashu11.livejournal.com]

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.

[gascount.livejournal.com]

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 :)

[vashu11.livejournal.com]

>> 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.

[gascount.livejournal.com]

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.

[vashu11.livejournal.com]

>> 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.

[gascount.livejournal.com]

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?