2.5 Применение уравнения состояния реального (природного) газа

Уравнение состояния идеальных газов. Для определения многих физических свойств природных газов используют уравнение состояния – аналитическую зависимость между основными параметрами состояния газа (объем, давление и температура).

Уравнением состояния идеальных газов называют уравнение Менделеева-Клапейрона или Клапейрона-Менделеева, которое впервые было получено Клапейроном, однако более удобный, усовершенствованный вид ему придал Менделеев, записав его в следующем виде

(2.8)

где Р – абсолютное давление, Па; V – объем занимающий газом, м³; n – число киломолей газа; m – масса вещества; М – молекулярная масса; Т – абсолютная температура, К; R – универсальная газовая постоянная, 8314,3 Дж/(кмоль∙К).

Универсальная газовая постоянная – это работа расширения одного моля газа при нагревании на один градус при постоянном давлении. В системе СИ измеряется Дж/(моль*К) и равняется 8,3143, однако в формуле 2.8 используется значение 8314,3, так как n измеряется в киломолях а не в молях.

Уравнение Менделеева-Клайперона широко используется для решения многих практических задач, несмотря на то, что оно выведено для идеальных газов. Дело в том, что почти все газы при очень низких температурах, далеких от точки конденсации данного газа, и при давлениях, не очень сильно превышающих атмосферное, почти не отличаются от идеального газа.

Уравнение состояния реальных газов и коэффициент сверсжимаемости газа. Для описания поведения природных газов во время добычи, переработки и транспортировки, при давлениях выше атмосферного, наиболее широко в отрасли используется следующее уравнение:

(2.9) откуда

где Z – безразмерный коэффициент сферхсжимаемости газа, который вводится в уравнение состояния идеального газа (уравнение Менделеева-Клапейрона), для того чтобы учитывать отклонение реального газа от законов идеального.

0. 2.5.1 Критические и приведенные параметры газа

Критические параметры газа. Критической называется такая температура, выше которой, при любом давлении, газ не может быть переведен в жидкое состояние. Давление, необходимое для сжижения газа при критической температуре, называется критическим.

В табл. 2.8 приведены критические значения давления Р_кр, температуры Т_кр, удельного объема V_кр и плотности ρ_кр.

П ри известном составе газа, в котором содержание метана более 95 % критические параметры газовой смеси можно определить по правилу аддитивности:

(2.10)

(2.11)

где у₁, y₂, …, у_n – молярные (объемные) доли компонентов, %; Т_крi и Р_крi - крити­ческие температура и давление i – х компонентов смеси.

Таблица 2.8 – Критические параметры углеводородных (алканов) и неуглеводородных компонентов входящих в состав природных газов

Компонент	Формула	Критическая температура		Критическое давление Ркр, МПа	Критическая плотность ρкр, кг/м3	Критический удельный объем Vкр∙105, м3/кг
		Ткр, К	tкр, ºС
Метан	СН4	190,5	-82,65	4,60	164	622
Этан	С2Н6	305,8	32,65	4,88	203	490
Пропан	С3Н8	369,8	96,65	4,25	217	455
n-Бутан	n-С4Н10	425,1	151,95	3,78	228	439
i-Бутан	i-С4Н10	408,1	134,95	3,65	221	451
n-Пентан	n-С5Н12	469,7	196,55	3,36	232	431
i-Пентан	i-С5Н12	460,4	187,25	3,36	236	426
nео-Пентан	neo-С5Н12	433,8	160,65	3,20	238	420
n-Гексан	n-С6Н14	506,4	233,25	3,03	233	429
n-Гептан	n-С7Н16	539,2	266,05	2,74	232	431
Углекислый газ	СО2	304,2	31,05	7,39	468	213
Азот	N2	126,2	-146,95	3,39	313	321
Сероводород	Н2S	373,2	100,05	8,94	346	287
Водяной пар	Н2О	647,1	373,95	22,06	332	315

Также критические параметры газовой смеси называются псевдокритическими или среднекритическими.

Приведенные параметры газа. Приведенными параметрами называют безразмерные величины, показывающие, во сколько раз действительные параметры состояния газа (давление, температура, плотность, удельный объем) больше или меньше критических:

(2.12)