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

[bajuwar-rus.livejournal.com]

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.

[gascount.livejournal.com]

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?

[bajuwar-rus.livejournal.com]

>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.

[gascount.livejournal.com]

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!!! :)))

[gascount.livejournal.com]

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.