Магистерская работа: Расчет диффузионных процессов в многокомпонентных углеводородных газовых смесях в воздух

Анализируя результаты, нетрудно обратить внимание на количество коэффициентов диффузии в методе ЭКД и МКМД. Как видно из приведенных данных, диффузионный процесс в газовой смеси можно описать, используя 5 ЭКД или 16 МКМД. Отсюда можно сделать вывод, что диффузию в этой системе по числу необходимых коэффициентов гораздо легче и проще описать, используя ЭКД, чем МКМД. Заметим, что если бы возникла необходимость в экспериментальной проверке данных расчета, то измерение ЭКД реально, а МКМД невозможно по причине отсутствия соответствующей методики. Таким образом, вычисленные коэффициенты диффузии (ЭКД и МКМД) для природных многокомпонентных газовых систем могут служить в качестве, справочной информации при описании массообменных процессов их компонентов в воздух.

.5 Диффузия многокомпонентных углеводородных газовых смесей в воздух при изменении термодинамических параметров

Для некоторых инженерных расчетов газовой и химической промышленности требуются надежные данные о термодинамических свойствах как чистых веществ, так и их бинарных и многокомпонентных смесей. Необходимые интервалы температур и давлений определяются в каждом конкретном случае технологическим процессом. Особенно надежные данные о термодинамических свойствах, в частности, диффузионные характеристики природных газов требуются при проектировании компрессорных станций (КС). Природный газ - смесь газов, образовавшаяся в недрах земли при анаэробном разложении органических веществ. Природный газ в пластовых условиях находится в газообразном состоянии (в стандартных условиях (101,325кПа и 20⁰С) газ находится только в газообразном состоянии). Движение газа в пласте подчиняется законам диффузии. Газ выходит из недр вследствие того, что в пласте он находится под давлением, многократно превышающем атмосферное. Таким образом актуально выявление характеристик процесса диффузии при различных температурах и давлении. Освоение новых месторождений природных газов и необходимость транспортировки газов к промышленным объектам по магистральным газопроводам большой протяженности требуют предоставления как проектным, так и эксплуатационным организациям надежных характеристик природных газов самых различных составов.

Для исследования были взяты системы [37]: 1) С3Н8 + С4Н10 - Air (при нормальных условиях и Т=350К, Р=10МПа); 2) природная газовая смесь Марковского месторождения (Балыхтинский пласт) Air - 0,7240СН4 + 0,0930С2Н6 + 0,0780С3Н8 + 0,0490n - С4Н10 + 0,0305n - С5Н12 + 0,0100СО2 + 0,0155N2 (при нормальных условиях и Т=773К, Р=30МПа).

В результате вычислений были получены: эффективные коэффициенты диффузии (ЭКД), а также МКМД компонентов систем при различных параметрах. В расчетах использовались коэффициенты взаимной диффузии (КВД) пар газов, которые были определены расчетным методом [1]. КВД были определены для системы С3Н8(1) + С4Н10(2) - Air(3) расчетным методом для Т=350К и Р=10МПа: D_Air-C3H8=0,013; D_Air-C4H10=0,007; D_C3H8-C4H10=0,015см²/с. Как видно из расчетов, ЭКД всех газов за интервал времени в 360 минут практически не изменились (в пределах 1-3%), хотя изменение концентраций в колбах достигло значений близких к равновесным. Такое их поведение объяснимо тем, что КВД этих газов в воздух отличаются незначительно. Ниже приведены полученные результаты.

ЭКД компонентов системы С3Н8(1) + С4Н10(2) - Air(3) (при нормальных условиях и Т=350К, Р=10МПа: 1 - 0,108 и 0,013; 2 - 0,098 и 0,007; 3 - 0,104 и 0,008 см²/с.

МКМД системы С3Н8(1) + С4Н10(2) - Air(3) для независимых потоков и градиентов первых двух компонентов (цифры после химического символа газа) (при нормальных условиях и Т=350К, Р=10МПа):

(1,1) = 0,093; D(1,2) = 0,023; D(2,1) = 0,013; D(2,2) = 0,078;(1,1) = 0,014; D(1,2) = -0,00010; D(2,1) = -0,00310; D(2,2) = 0,007 см²/с.

Так как диффузионный процесс в двухколбовом аппарате является нестационарным, то естественно представляет интерес поведение коэффициентов диффузии компонентов в системах с течением времени. При увеличении температуры и давления концентрации компонентов в верхней колбе аппарата и ЭКД с течением времени изменяются в пределах 1-3%. В качестве примера такая зависимость представлена на рисунках 6,7.

Рисунок 6. Распределение по концентрациям компонентов в верхней колбе аппарата с течением времени для системы 0.6C3H8 + 0.4C4H10 - Air (Т=298К, Р=0,1МПа и Т=350К, Р=10МПа)

Рисунок 7. Изменение ЭКД компонентов с течением времени в системе 0.6C3H8 + 0.4C4H10 - Air (Т=298К, Р=0,1МПа и Т=350К, Р=10МПа)

При повышении давления ЭКД понижается и доходит до минимального значения, это объясняется тем, что диффузионный процесс протекает и начинается процесс конвекции

Рисунок 8. ЭКД компонентов системы 0,6C3H8 + 0,4C4H10 - Air в зависимости от давления в бинарной смеси (Т=350 К и Р=10 МПа)

Рисунок 9. ЭКД компонентов системы C3H8 + C4H10 - Air в зависимости от концентрации пропана в бинарной смеси (Т=350 К и Р=10 МПа)

В 1930-ых годах благодаря развитию техники бурения скважин и переходу на большие глубины (1500-3000м и более) был открыт новый тип залежи - газоконденсатный; разработка этих залежей потребовала создания новой технологии. В конце 40-ых годов с интенсивным развитием газовой промышленности внедряется в практику научные методы разработки газовых и газоконденсатных месторождений. В 1948 году под руководством Б.Б. Лапука был создан первый научно-обоснованный проект разработки газового месторождения (Султангулово Куйбышевской обл.). В нынешнее время промышленные месторождения разрабатываются по проектам, составленным на основе последних достижений промысловой геологии, гидродинамики. Важным этапом освоения месторождения является его разведка. Детальная разведка газовой залежи, в частности, иметь информации о его химическом составе, физических характеристиках способствует безопасности рабочей области [39]. Промышленные месторождения встречаются в виде обособленных скоплений, не связанных с каким-либо др. полезным ископаемым; в виде газонефтяных месторождений, в которых газообразные углеводороды полностью или частично растворены в нефти или находятся в свободном состоянии и заполняют повышенную часть залежи (газовые шапки) или верхние части сообщающихся между собой горизонтов газонефтяной свиты; в виде газоконденсатных месторождений, в которых газ обогащен жидкими, преимущественно низкокипящими углеводородами. Природные газы состоят из метана, этана, пропана и бутана, иногда содержат примеси легкокипящих жидких углеводородов - пентана, гексана и др.; в них присутствуют также углекислый газ, азот, сероводород и инертные газы [38]. Многие месторождения залегающие на глубине не более 1,5 км, состоят почти из одного метана с небольшими примесями его гомологов (этана, пропана, бутана), азота, аргона, иногда углекислого газа и сероводорода; с глубиной содержание гомологов метана обычно растет. В отдельных газовых месторождениях наблюдается повышенное содержание углекислого газа, сероводорода и азота. Образуются природные газы в основном в результате катагенетического преобразования органического вещества осадочных горных пород. Переход к комплексному проектированию разработки газовых месторождений, интенсификация притока газа к скважинам, автоматизация установок на газовых промыслах позволили значительно увеличить рабочие дебиты скважин, улучшить подготовку газа к транспортировке и снизить себестоимость природного газа. Ниже излагаются результаты вычислительного исследования диффузионного процесса многокомпонентной газовой смеси Марковского месторождения из Балыхтинского пласта при повышении его температуры на 773К и давления на 30МПа.

Коэффициенты взаимной диффузии (КВД) системы Air - 0,7240СН4 + 0,0930С2Н6 + 0,0780С3Н8 + 0,0490n - С4Н10 + 0,0305n - С5Н12 + 0,0100СО2 + 0,0155N2 были вычислены расчетным методом для Т=773К и Р=30МПа: D_Air-CH4=0,045; D_Air-C2H6=0,030; D_CH4-C2H6=0,034; D_Air-C3H8=0,024; D_СН4-C3H8=0,027; D_C2H6-C3H8=0,018; D_Air-C4H10=0,021; D_СН4-C4H10=0,024; D_C2H6-C4H10=0,016; D_С3Н8-C4H10=0,012; D_Air-C5H12=0,018; D_СН4-C5H12=0,021; D_C2H6-C5H12=0,014; D_С3Н8-C5H12=0,011; D_{С4Н10-C5H12}=0,009; D_Air-CО2=0,033; D_СН4-C02=0,036; D_C2H6-C02=0,024; D_C3H8-СО2=0,018; D_С4Н10-CО2=0,016; D_С5Н12-CО2=0,014; D_Air-N2=0,041; D_{СН4- N2}=0,045; D_C2H6-N2=0,030; D_C3H8-N2=0,024; D_С4Н10-N2=0,021; D_С5Н12-N2=0,018; D_СО2-N2=0,032 см²/с.

ЭКД компонентов системы Air(1) - 0,7240СН4(2) + 0,0930С2Н6(3) + 0,0780С3Н8(4) + 0,0490n - С4Н10(5) + 0,0305n - С5Н12(6) + 0,0100СО2(7) + 0,0155N2(8) (при Т=298К и Р=0,101МПа, Т=773К и Р=30МПа):

- 0,180 и 0,038; 2 - 0,206 и 0,043;

- 0,138 и 0,029; 4 - 0,107 и 0,023;

- 0,068 и 0,020; 6 - 0,079 и 0,017;

- 0,144 и 0,032; 8 - 0,193 и 0,039 см²/с.

МКМД системы Air(1) - 0,7240СН4(2) + 0,0930С2Н6(3) + 0,0780С3Н8(4) + 0,0490n - С4Н10(5) + 0,0305n - С5Н12(6) + 0,0100СО2(7) + 0,0155N2(8) для независимых потоков и градиентов первых семи компонентов (цифры после химического символа газа) при нормальных условиях:(1,1) = 0,18680; D(1,2) = -0,00664; D(1,3) = 0,02727; D(1,4) = 0,04300; (1,5) = 0,06234; D(1,6) = 0,05697; D(1,7) = 0,02458; D(2,1) = 0,00036; (2,2) = 0,19682; D(2,3) = 0,02093; D(2,4) = 0,02987; D(2,5) = 0,03161;(2,6) = 0,03818; D(2,7) = 0,01638; D(3,1) = 0,00005; D(3,2) = -0,00046; (3,3) = 0,13460; D(3,4) = 0,00418; D(3,5) = 0,00446; D(3,6) = 0,00546;(3,7) = 0,00252; D(4,1) = 0,00010; D(4,2) = -0,00059; D(4,3) = 0,00234;(4,4) = 0,10630; D(4,5) = 0,00392; D(4,6) = 0,00480; D(4,7) = 0,00228; (5,1) = 0,00085; D(5,2) = -0,00041; D(5,3) = 0,00146; D(5,4) = 0,00230;(5,5) = 0,08308; D(5,6) = 0,00309; D(5,7) = 0,00146; D(6,1) = 0,00005; (6,2) = -0,00030; D(6,3) = 0,00092; D(6,4) = 0,00146; D(6,5) = 0,00161; (6,6) = 0,07825; D(6,7) = 0,00092; D(7,1) = 0,00001; D(7,2) = -0,00009;(7,3) = 0,00030; D(7,4) = 0,00047; D(7,5) = 0,00051; D(7,6) = 0,00061; (7,7) = 0,13971 см²/с.

МКМД смеси Air(1) - 0,7240СН4(2) + 0,0930С2Н6(3) + 0,0780С3Н8(4) + 0,0490n - С4Н10(5) + 0,0305n - С5Н12(6) + 0,0100СО2(7) + 0,0155N2(8) для независимых потоков и градиентов первых семи компонентов (цифры после химического символа газа) при Т=773К, Р=30МПа:(1,1) = 0,00129; D(1,2) = -0,00007; D(1,3) = 0,00017; D(1,4) = 0,00027; (1,5) = 0,00032; D(1,6) = 0,00037; D(1,7) = 0,00013; D(2,1) = 0,00000; (2,2) = 0,00138; D(2,3) = 0,00011; D(2,4) = 0,00018; D(2,5) = 0,00021;(2,6) = 0,00024; D(2,7) = 0,00009; D(3,1) = 0,00000; D(3,2) = -0,00001; (3,3) = 0,00098; D(3,4) = 0,00002; D(3,5) = 0,00003; D(3,6) = 0,00003; (3,7) = 0,00001; D(4,1) = 0,00000; D(4,2) = -0,00001; D(4,3) = 0,00001; (4,4) = 0,00078; D(4,5) = 0,00003; D(4,6) = 0,00003; D(4,7) = 0,00001; (5,1) = 0,00000; D(5,2) = 0,00000; D(5,3) = 0,00001; D(5,4) = 0,00001; (5,5) = 0,00069; D(5,6) = 0,00002; D(5,7) = 0,00001; D(6,1) = 0,00000; (6,2) = 0,00000; D(6,3) = 0,00000; D(6,4) = 0,00001; D(6,5) = 0,00001;(6,6) = 0,00059; D(6,7) = 0,00000; D(7,1) = 0,00000; D(7,2) = 0,00000;(7,3) = 0,00000; D(7,4) = 0,00000; D(7,5) = 0,00000; D(7,6) = 0,00000; (7,7) = 0,00103 см²/с.

Анализируя результаты нетрудно обратить внимание на количество коэффициентов диффузии в методе ЭКД и МКМД. Как видно из приведенных данных диффузию в системах по числу необходимых коэффициентов гораздо легче и проще описать используя метод ЭКД, чем МКМД. Также при возникновении надобности экспериментальной проверки данных расчета, измерение ЭКД реально, а МКМД невозможно по причине отсутствия соответствующей методики..

Как видно из расчетов, ЭКД всех газов за интервал времени в 360 минут практически не изменились (в пределах 1-3%), хотя изменение концентраций в колбах достигло значений близких к равновесным. Такое их поведение объяснимо тем, что КВД этих газов в воздух отличаются незначительно.

.6 Выводы по разделу 2

Предложена методика расчета диффузионного процесса в многокомпонентных газовых смесях в двухколбовом аппарате на языке программирования Borland Delphі. Методика прошла апробацию и может с успехом применяться на практике при описании многокомпонентного массопереноса.

Проведен расчет диффузионного процесса в двухколбовом аппарате для тройной системы Air - CH4 - C2H6 в зависимости от концентрации и для смеси С3Н8 + С4Н10 - Air с изменением температуры и давления. Определены ЭКД и МКМД компонентов в зависимости от концентрации. Исследования позволяют дать оценку поведению газов при малых концентрациях того или иного компонента в бинарной смеси. При увеличении термодинамических параметров расчет показал изменение данных в интервале 1-3%.

Проведен вычислительный эксперимент для многокомпонентной системы: 1. Air - 0,936CH4 + 0,032C2H6 + 0,028C3H8 + 0,004C4H10; 2. Air-0,8531CH4 + 0,0581C2H6 + 0,0536C3H8 + 0,0200n-C4H10 + 0,0018n-C5H12 + 0,0044CO2 + 0,0090N2; 3. Air - 0,7240СН4 + 0,0930С2Н6 + 0,0780С3Н8 + 0,0490n-С4Н10 + 0,0305n-С5Н12 + 0,0100СО2 + 0,0155N2 (при нормальных условиях и Т=773К, Р=30МПа). Вычисленные с помощью программы Stef.exe значения ЭКД хорошо описывают эксперимент и согласуются с рассчитанными ранее по методике, описанной в работе [14] (среднее отклонение составляет 4-5%). Совпадение нашего расчета с другими методиками, в основном, в пределах погрешности измерений свидетельствует, что методика определения диффузионных характеристик, предложенная нами, может с успехом применяться к различным массообменным процессам.

Определены ЭКД и МКМД компонентов в зависимости от концентрации, также при измененных параметрах. Анализ полученных результатов показал, что расчет диффузии упрощается, если воспользоваться методом ЭКД.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

. Освоена методика расчета по разработанной программе на языке Borland Delphi диффузионного процесса в двухколбовом аппарате и апробирована на ряде хорошо изученных многокомпонентных системах.

. Проведен вычислительный эксперимент для технически важных многокомпонентных газовых смесей, содержащих углеводороды.

. Определены ЭКД и МКМД исследуемых многокомпонентных систем. Необходимо отметить, что точность наших вычислительных данных находится в пределах точности экспериментов (4-9 %). Совпадение нашего расчета с другими методиками, свидетельствует, что предложенная программа, может с успехом применяться к различным массообменным технологическим процессам.

Результаты работы могут найти применение при расчетах диффузионных процессов в многокомпонентных системах и будут полезны при изучении особенностей многокомпонентного массопереноса.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1.      Гиршфельдер Д., Кертисс Ч., Берд. Молекулярная теория газов и жидкостей: Пер. с анг.- М.: ИЛ, 1961. - С.932

.        Wang - Chang C.S. Uhlenbeck G/F/ Transport Phenomena in Polyatomik Molecules, University of Michigan Publication, CM, 1985. - С.681

.        Toor H.L. Diffusion in three component gas mixture // A. I. Ch. E. Journal.- 1957.- V.3. - Р.38-41

.        Селезнев В.Д., Смирнов В.Г. Диффузия трехкомпонентной смеси газов в системе двух колб // ЖТФ.- 1981.- Т.51, №4. - С.975 - 980

.        Andrew S.P. A simple method of measurements gaseous diffusion coefficients // Chem.Eng.Sci. -1955. - V.4. - Р.269-272

.        Kramers H.A., Kistemaker J. On the slip of diffusion gas mixture along a wall\\phys.-1943.-V. № 8. - Р.699-713

.        Суетин П.Е. Бароэффект при взаимной диффузии газов// ЖТФ.-1964.- Т34, №6. - С.1107-1114

.        Адибаев Б.М, Косов Н.Д., Новосад З.И. Бароэффект при взаимной диффузии в некоторых четырехкомпонентных газовых смесях // Диффузия в газах и жидкостях.- Алма-Ата, 1974. - С.36-40

.        Жаврин Ю.И., Косов Н.Д., Белов С.М., Семидоцкая Н.И. О применении метода эффективных коэффициентов к диффузии в многокомпонентных газовых смесях при повышенных давлениях Тепломассоперенос в жидкостях и газах.- Алма-Ата, 1982. - С.3-12

.        Жаврин Ю.И., Косов Н.Д. и др. Расчет диффузионного процесса в двухколбовом аппарате для случая многокомпонентной газовой смеси// Каз.у-т, НИИЭТФ.- Алматы, 1995. - С.26

.        Нoвoсaд З.И., Косов Н.Д. Истинные коэффициенты диффузии трехкомпонентных газовых смесей//Физика.- Алма-Ата,1970. - Вып.1. - С.130

.        Косов Н.Д., Жаврин Ю.И., Новосад З.И. Диффузия в многокомпонентных газовых смесях // Теплофизические свойства веществ и материалов. - М.: Изд-во Стандартов, 1982. - Вып.17. - С.86-112

.        Новосад З.И., Косов Н.Д. Эффективные коэффициенты диффузии трехкомпонентных газовых смесей гелия, аргона, и углекислого газа // ЖТФ.- 1970. - Т. 40, №11. - С.2368-2375

.        Жаврин Ю.И., Косов В.Н. Некоторые особенности динамики неустойчивого диффузионного массопереноса в изотермических трехкомпонентных газовых смесях // Теплофизика и аэромеханика. - 1995. - Т.2, № 2. - С.145-151

.        Жаврин Ю.И., Косов Н.Д., Новосад З.И. Расчет эквимолярной диффузии в многокомпонентных газовых смесях методом эффективных коэффициентов// Диффузия в газах и жидкостях. - Алма-Ата, 1974. - С.12-19

.        Айткожаев А.З., Жаврин Ю.И., Косов Н.Д., Курмакаев Ф.З. Таблицы рекомендуемых справочных данных // (Водород +аммиак) - азот. Эффективные коэффициенты диффузии компонентов при температуре 298,0 К в области давлений от 1,0 до 5,0 МПа и концентраций газов в исходных бинарных смесях от 0,1 до 0,9 мольных долей. - Москва, 1989. - С.26-34

.        Айткожаев А.З., Болотов И.В., Жаврин Ю.И., Косов Н.Д., Курмакаев Ф.З. Таблицы рекомендуемых справочных данных // Система водород - азот - аргон. Эффективные коэффициенты диффузии компонентов при температуре 298,0 К в области давлений от 1,0 до 5,0 МПа и концентраций газов в исходных бинарных смесях от 0,1 до 0,9 мольных долей. - Москва, 1989. - С.26-34

.        Жаврин Ю.И., Косов Н.Д., Косов В.Н., Красиков С.А., Бычков А.Г. Расчет диффузионного процесса в двухколбовом аппарате для случая многокомпонентной газовой смеси / Каз. ун-т., НИИ ЭТФ. - Алматы, 1995. - С.26 - Деп. в КазГосИНТИ 05.07.95, №6239. Ка-95.

.        Теплотехнические расчеты процессов транспорта и регазификации природных газов (Справочное пособие). - М.:«Недра», 1980. - С.125

.        Dunkan J.B., Toor H.L. An experіmental study of three component gas dіffusіon // A.І. Chem. E. Journal. - 1962. - V.8, № 1. - P.38-41

.        Жаврин Ю.И., Жаврин В.Ю., Косов В.Н., Поярков И.В. Расчет многокомпонентного массопереноса в двухколбовом аппарате с применением языка программирования Delphi // Вестник КазНУ, серия физическая. - Алматы, 2006. - №2(22). - С.72-79