Дросселирование газа. Коэффициент Джоуля-Томсона

Изменение температуры при снижении давления на 1ата называется коэффициентом Джоуля - Томсона. Этот коэффициент изменяется в широких пределах и может быть положительным (охлаждение) или отрицательным (нагревание). Для природных газов коэффициент Джоуля - Томсона определяется из выражения

, (3.17)

где .

Значение функции f можно определить по графику или рассчитать с погрешностью менее 7% по корреляции Гухмана и Нагарёвой

, (3.18)

при 0,82 £ р_пр £ 3,5 и 1,6 £ Т_пр £ 2,1.

Для реальных природных газов коэффициент Джоуля-Томсона, кроме (3.17) можно выразить через коэффициент сверхсжимаемости z:

. (3.19)

Изменение температуры газа в процессе изоэнтальпийного расширения при значительном перепаде давления на дросселе называется интегральным дроссель-эффектом. Это изменение можно определить по соотношению

(3.20)

или по энтальпийным диаграммам

Приближенно конечную температуру газа в процессе дросселирования находят по формуле

, (3.21)

где .

Интегральный коэффициент Джоуля-Томсона для природного газа изменяется от 2 до 4 К/МПа в зависимости от состава газа, падения давления и начальной температуры газа. Для приближенных расчетов среднее значение коэффициента Джоуля-Томсона можно принять равным 3 К/МПа.

Аналитические выражения частных производных от коэффициента сверхсжимаемости позволяют рассчитать изменение температур природных газов при изоэнтальпийном, изоэнтропийном и политропном процессах, т.е. изменение температур природных газов в процессе дросселирования, охлаждения и сжатия в идеальных детандере и компрессоре.

Дифференциальный коэффициент Джоуля-Томсона (i =const)

. (3.22)

Изменение температуры природного газа в идеальном детандере или компрессоре (S=const)

. (3.23)

Изменение температуры в политропном процессе (h=const)

, (3.24)

где h^* - условный к.п.д. процесса (h^*<1 при сжатии газа в компрессоре и h^*>1 при расширении газа в детандере).

Эффективность использования свободного перепада давления для охлаждения газа в детандере по сравнению с дросселированием его в штуцере можно рассчитать по уравнению

. (3.25)

 

Теплопроводность газов

Теплопроводность - физическое свойство вещества, определяющее скорость переноса теплоты и выражаемое уравнением Фурье

, (3.26)

где dQ/dt - перенос теплоты посредством проводимости, Дж/с; l - коэффициент теплопроводности вещества (теплопроводность) Вт/(м К); А - площадь, перпендикулярная направлению потока тепла, м²; х - расстояние, м; Т - температура, К.

Теплопроводность природной газовой смеси можно определить по приведённой плотности r_пр=r/r_кр из зависимостей Стила -Тодоса и Тиракьяна.

Зависимости Стила-Тодоса:

а) r_пр> 2

b) 0,5<r_пр£ 2

(3.27)

c) r_пр£ 0,5

где , l измеряется в 418.68 Вт/(м К).

Коэффициент теплопроводности l₀ при атмосферном давлении имеет следующую зависимость от температуры

, (3.28)

где

Тпр	0,5	1,0	2,0	3,0	5,0	10,0	40,0
f	0,655	0,855	0,97	1,018	1,11	1,192	1,395

 

При Т_пр=0,8 - 8,0

. (3.29)

Зависимость Тиракьяна

(3.30)

где n- число атомов углерода в молекулах; для смеси n=åx_in_i.

 

Таблицы термофизических свойств

Табл. 1 Физико-термодинамические свойства компонент природного газа

Параметры	Компоненты
Формула	СН4	С2 Н6	С3 Н8	n – С4 Н10	i-С4 Н10	n- С5 Н12	i-С5 Н12
Молекулярная масса, М	16,04	30,07	44,1	58,12	58,12	72,15	72,15
Газовая постоянная R, м/^оС	52,95	28,19	19,23	14,95	14,95	11,75	11,75
Относит. плотн. по воздуху	0,555	1,049	1,562	2,091	2,067	2,674	2,49
Температура кипения при 0,1МПа, К	111,7	184,6	231,1	272,7	261,5	309,3	301,0
Критическая температура, К	190,5	305,4	369,8	425,2	408,1	469,6	460,4
Критическое давление, кгс/см^2	46,95	49,76	43,33	38,71	37,19	34,35	34,48
Критический уд. объём,м^3/кг	0,0062	0,0047	0,0044	0,0044	0,0043	0,0043	--
Теплоёмкость при 0 С и 1ата,ккал/кг*^оС Ср / Сv	0,5712 0,3936	0,3934 0,3273	0,3701 0,3252	0,3802 0,3466	0,3802 0,3466	0,3805 0,3533	0,3805 0,3533
Коэффициент динамич. вязкости, мкПа с(20^ОС;1ата)	10,5	8,72	7,65	6,96	7,03	6,35	6,51
Критический коэффициент сжимаемости zкр	0,29	0,285	0,277	0,283	0,274	0,269	0,264
Ацентрический фактор w	0,0104	0,0986	0,1524	0,201	0,1849	0,2539	0,2223
Теплопроводность (273 К; 1ата), ккал/м*ч*^оС	0,026	0,016	0,013	0,011	0,01	0,0106	0,0106

 

Параметры	Компоненты
Формула	С6Н14	С7 Н16	С8 Н18	N2	H2O (пар)	H2S	CO2
Молекулярная масса, М	86,18	100,2	114,22	28,02	18,02	34,08	44,01
Газовая постоянная R, м/^оС	9,84	8,46	7,42	30,26	37,06	24,89	19,27
Относит. плотн. по воздуху	2,974	3,45	3,82	0,967	0,624	1,19	1,529
Температура кипения при 0,1МПа, К	341,9	371,6	398,9	77,3		211,4	194,7
Критическая температура, К	507,4	540,2	568,8	126,26	647,15	373,6	304,2
Критическое давление, кгс/см^2	30,72	27,9	25,35	34,65	225,4	91,85	75,27
Теплоёмкость при 0 С и 1ата,ккал/кг*^оС Ср / Сv	0,3827 0,36	0,3846 0,3652	0,3856 0,3686	0,2482 0,177	0,4441 0,4369	0,253 0,192	0,1946 0,1496
Коэффициент динамич. вязкости, мкПа с(20^ОС;1ата)	0,6169	0,55	0,503	1,698	0,901	1,202	1,394
Критический коэффициент сжимаемости zкр	0,264			0,291	0,23	0,268	0,274
Ацентрический фактор w	0,301	0,35	0,402	0,04	0,348	0,1	0,231
Теплопроводность (273 К; 1ата), ккал/м*ч*^оС	0,0097	0,0092	0,0084	0,02	0,015	0,011	0,012

Табл. 2 Единицы измерения

 

Параметры	Единицы измерения
	СИ	СГС	Смешанная
Теплоёмкость	Дж/ град	эрг/ град= 10^-7 Дж/ град	кал/град= 4,1868 Дж/ град
Газовая постоянная R	Дж/(кг град)	эрг/(г град)	м/град= 9,81Дж/(кг К) кал/ (г град)= 4,1868 Дж/(кг град)
Температура	К=273 +^оС	К	^оС
Сила	ньютон(н)= кг*м/с^2=10^5дн= 0,1013кгс	дина(дин)= г*м/с^2=10^-5н	кгс=9,81н
Давление	паскаль(Па) =н/м^2 =10дин (1МПа=10^6Па)	дин/см^2=0,1Па= мкбар	ата=кгс/см^2= 9,81*10^4Па» 0,1МПа=1бар
Коэффициент динамич. вязкости	Па*с=н с/м^2= кг/(м с) (1мкПа*с=10^-6Па*с)	пуаз(Пз)= дин*с/см^2= 0,1Па*с	кгс с/м^2=9,81 Па*с= 90,81Пз
Теплопроводность	вт/(м град)	эрг/(см град)= 10^-5 вт/(м град)	ккал/(м*ч*град)= 1,163вт/(м град) кал/(см с град)=418,68 вт/(м град)
Энергия	Дж	эрг=10^-7Дж	кал=4,1868Дж