Анализ влагонасыщенности и растворимости азота в воде при высоких термобарических параметрах.
Россия, г. Ставрополь, Государственное образовательное учреждение дополнительного образования детей «Центр творческого развития и гуманитарного образования для одаренных детей «Поиск»»
Измерение энтальпии растворения газа при высоких термобарических параметрах является трудной экспериментальной задачей. Это значит, что необходимы теоретическое вычисление энтальпии из данных по растворимости газа с помощью известной формулы
(1)
где R – универсальная газовая постоянная, X – растворимость газа в мольных долях, T – температура, PГ – парциальное давление газа. Этот путь можно реализовать, поскольку растворимость газов измерена в широком интервале температур и давлений. Практически его нельзя реализовать, поскольку растворимость газа измерена при общем (манометрическом) давлении, а формула (1) требует, чтобы растворимость была измерена при постоянном парциальном давлении растворённого газа. Таким образом, реализация метода вычисления энтальпии растворения требует предварительного создания двумерных матриц – сначала матрицы влагонасыщенности газа W, а затем матрицы его растворимости X. Ниже нами дано описание алгоритма создания таких матриц на примере азота.
 |
Для создания первой матрицы необходимо экспериментальные данные W из справочника аппроксимировать какой-либо функцией. В области температур 0-140 оС содержание водяных паров в парогазовой смеси обычно описывают формулой Бюкачека
где A и B – константы, зависящие от природы газа и температуры пластовой смеси, P – давление. Численные значения этих констант табулированы для условного газа с относительной плотностью 0,6. Для индивидуальных газов константы A и B необходимо вычислить из эксперимента. Из справочника по влагонасыщенности газов мы взяли измеренные значения W для азота и с помощью пакета прикладных программ Mathcad аппроксимировали W по 1/P. Вместо ожидаемой линейной зависимости получили кривую, на которой измеренные значения W имеют систематическое отклонение от прямой. До 200 оС наблюдается отрицательное отклонение, а выше – положительное. Наше исследование показало, что измеренным значениям W при аргументе 1/P наилучшим образом удовлетворяют кубические параболы. При 50, 75, 100, 150, 200, 240, 270, 300, 330 и 350 оС методом нелинейной регрессии нами были найдены константы кубических парабол. Они позволили составить матрицу влагонасыщенностей при этих же температурах и давлениях, заданных нами с шагом от 5 до 20 МПа с шагом 1 МПа и до 50 МПа с шагом 5 МПа. Составленная нами двумерная матрица позволяет быстро находить влагонасыщенность азота по заданным температуре и давлению.
Для создания второй матрицы были использованы данные первой матрицы и экспериментальные данные по растворимости V, взятые из справочника.
Вторая матрица показывает зависимость Х моль доля от Ргг и Т.
Параметры – Pгг, V, W, X определяются при одних и тех же значениях Т и Рпгс.
Для определения Ргг использовались данные W первой матрицы.
V определялось путём аппроксимации экспериментальных данных при заданной температуре для заданных давлений. Для вычисления стандартной энтальпии по формуле (1) необходима растворимость азота в мольных долях. Для этого переводим Vсм3/кг в Х моль долю.
По полученным данным Ргг и Х путём аппроксимаци была составлена таблицу зависимости Х моль доля от Ргг и Т с шагом Ргг от 0,1 МПа до 1 МПа. Полученные значения Х были сравнены с экспериментальными данными при 0,1 МПа. Эти сравнения показали, что при температурах до 40 °С имеется хорошее согласие эксперимента с расчётом. При 50, 60 и 70°С имеется отклонение эксперимента от расчёта. Природа этого отклонения требует пояснения. При 60°С упругость водяного пара порядка 0,019 МПа, а p азота равно 0,081 МПа. Поэтому растворимость, соответствующая 0,081 МПа, должна быть равна 7,93 смЗ/кг, т. е. на 1,86 смЗ/кг меньше. Таким образом, вклад водяного пара в создание растворимости азота в воде составляет 23 %. Следовательно, можно сделать вывод о том, что измеренная растворимость создается общим давлением парогазовой смеси, что имеет важное значение для понимания механизма растворения газов в воде. Если наш вывод окажется верным, то сам собой напрашивается и другой вывод – энтальпия растворения азота обязана иметь два вклада. Один обусловлен растворением того азота, который растворён в воде благодаря «задавливанию» его туда газообразным азотом. Другой обусловлен растворением того азота, который растворён в воде благодаря задавливанию его туда водяным паром. Как разделить эти два вклада и следует ли их делить, остаётся не ясным. Необходимо сначала выяснить, имеет ли место подобный эффект при растворении других газов. Эта задача может быть решена, потому что описанный алгоритм вычисления зависимости растворимости азота от давления и температуры применим для любого газа, в том числе и для метана - самого представительного газа газовых и газоконденсатных месторождений.
Основные порталы (построено редакторами)