2.5.3 Свойства газов при высоких давлениях

В некоторых технологических процессах используются сжатие газов до очень высоких давлений (порядка нескольких сотен атмосфер, до например для сайклинг-процесса добычи нефти и газового конденсата) и даже сверхвысоких давлений (до  в производствах полиэтилена высокой плотности).

При таких давлениях газы ведут себя как бы не подчиняясь классическим законам для газов, они даже приобретают некоторые свойства, характерные для жидкостей:

 – плотность газа становится соизмеримой с жидкостями;

 – скорость распространения звука как в жидкости (тысячи м/с);

 – зависимость изменения вязкости от температуры не подчиняется   закону Сатерленда для газов

 

где константа, для воздуха

Коэффициент адиабаты  распадается на две величины – (температурный) и  (объёмный):

,

 

В качестве иллюстрации в таблице 2.2 приведены некоторые свойства этилена при высоких и сверхвысоких давлениях.

Таблица 2.2 - Свойства этилена при различных давлениях.

Газовая постоянная  R=296,4 Дж/(кг∙град.),

критические параметры ркр=4,92; Ткр=289,9 оК.

Параметры         P=0,1МПа

t=20oC  25МПа  80МПа  250МПа

                               40о         100о      35о         100о      35о         100о

Плотность ρ, кг/м3           1,155     392         294         500         445         600         570

Коэффициент

сжимаемости  z  0,98        0,675     0,785     1,715     1,595     4,45        3,90

Коэффициент кинетической вязкости ν·106 , м2/с 0,75        0,138     0,117     0,226     0,176     0,405     0,356

Скорость звука а, м/с      324         730         835         1080      1130      1790      1750

Коэффициент адиабаты k             1,24        1,225     1,192     1,23        1,192     1,23        1,192

Все эти факторы очень затрудняют расчёты свойств при проектировании технических устройств. Поэтому пользовались или экспериментально полученными диаграммами состояния газов, что неудобно для автоматизированных расчётов, или приближёнными методиками [4].

Для высоких давлений рекомендуется пользоваться уравнением Беатти-Бриджмена

 

Значения коэффициентов  находятся по таблицам.

Существуют достаточно точные диаграммы и таблицы термодинамических свойств для однокомпонентных газов. Но технические газы – обычно смеси.

Все известные виды уравнений для описания свойств газовых смесей при р < 20-30МПа далее дают большую погрешность.

Наиболее продуктивным оказался метод Загорученко. Его уравнение справедливо до 70 МПа и 500 оК. Это уравнение состояния, приведенное к универсальному виду, имеет вид

,

где α, β, γ – определяются суммированием по n- компонентам с использованием ряда экспериментальных  коэффициентов, учитывающих парные взаимодействия между молекулами различных составляющих газов.

Расчеты свойств и процессов выполняются на ЭВМ.

Одна из надёжных методик принадлежит Леониду Серовскому, бывшему сотруднику ВНИИкомпрессормаша, и СумГУ. Методика основана на использовании критических параметров.

Следует отметить, что для описания процессов при высоких давлениях используется их приближенное описание политропой с постоянным показателем n. На самом деле и к, и n являются функциями состояния. Поэтому расчет иттеративный.

Методика Серовского основана на методе т.н. идеальных кривых для газов и однопараметрическом законе соответственных состояний, обеспечивающих возможность связать макроскопические свойства вещества с их фундаментальными характеристиками на молекулярном уровне. Используется молекулярно-кинетическая теория газов в сочетании с некоторыми империческими обобщениями.

Методика применима для широкого класса газов и газовых смесей при

Т/Ткр=1,25-25;

ρ/ρкр=1,6-2,

т.е. вполне пригодна для компрессоров, где обычно 200≤Т<700 и давление до 50Мпа и более.

Интересным для практики является процесс дросселирования газа, который происходит в соплах, отверстиях, в рабочих органах регулирующих клапанов, дроссельных устройствах.

Дросселирование идеальных газов происходит при неизменной температуре, т. к.  не зависит от

В классической физике и в практике при не очень высоких давлениях процессы дросселирования реальных газов идут с понижением температуры (рис. 2.6), т.к.  (если не совершается внешняя работа), например, при прохождении газа через редукционный вентиль.

 

 

 

При больших степенях редуцирования, например с 300 атм до 1 атм, температура сильно падает, происходит даже обмерзание вентиля и трубы после него. Поэтому иногда  вентили даже обогревают, чтобы не нарушалась работа их механизмов – подвижность рабочего органа, не происходило охрупчивание уплотнительных материалов.

При дросселировании изменение температуры с уменьшением давления можно выразить в дифференциальной форме

,

при этом может быть j > 0 или j < 0, т.е. процесс дросселирования может сопровождаться как повышением, так и понижением температуры. Это называется эффектом Джоуля-Томпсона, который является важной экспериментально определяемой характеристикой реального газа. Для идеального газа  Обычно, при умеренных значениях давления,  т.е. при дросселировании температура понижается. Однако существуют области параметров газов, где  т. е. температура при дросселировании повышается. Это имеет место для газов при высоких и сверхвысоких давлениях.

В некотором состоянии для каждого реального газа происходит изменение знака  Этому состоянию соответствует температура инверсии  Температура инверсии является функцией давления (рис.2.7).

Температура инверсии для воздуха очень высока и равна  Выше этой температуры при дросселировании воздух нагревается.

Для водорода, наоборот, температура инверсии очень низкая  Если нужно вызвать охлаждение водорода путем дросселирования, то предварительно его нужно охладить каким-то другим образом до температуры ниже  и лишь после этого дросселировать. Дросселирование водорода с начальной температурой выше  будет сопровождаться его нагревом.

 

 

 

Большинство технических газов имеют отрицательный дроссель-эффект в области высоких и сверхвысоких давлений, что должно учитываться при проектировании компрессорных установок.

Впервые в практике компрессоростроения с этим явлением столкнулись во ВНИИкомпрессормаше при  разработке этиленовых компрессоров сверхвысокого давления.

Еще одна важная особенность газов при высоких давлениях – значительное возрастание  растворимости газов в минеральных маслах, используемых для смазки и уплотнения валов и штоков ЦК и ПК. Это очень существенно, так как масла разжижаются, уменьшается их плотность, вязкость, срок службы. Иногда из-за этого приходится применять дорогостоящие синтетические масла.

Во ВНИИкомпрессормаше были поставлены специальные опыты по установлению влияния растворимости азота в минеральном масле ,,Турбинное-22’’.

Схема экспериментальной установки приведена на рис. 2.8.

 

 

Напорную ёмкость 1 через клапан 5 заполняли маслом до уровня Н, контролируя с помощью стеклянной мерной трубки 3, которую затем перекрывали клапаном 4. Затем подавали азот из баллона 5 с высоким давлением. Дальнейшее повышение давления обеспечивали насосом 6 с расширительной ёмкостью 7.

Суть эксперимента состояла в том, что если газ растворяется в масле, то плотность масла уменьшается, уменьшается соответственно и гидростатический напор столба масла, что фиксируется дифманометром.

Результаты опытов показаны на рис. 2.9.

 

Процесс удаления растворенного газа из масла осуществляется в специальных аппаратах – дегазаторах, в которых поддерживается давление равное атмосферному, для чего масло из полостей высокого давления дросселируется в ёмкость дегазатора. Специальный нагревательный элемент подогревает масло, что способствует удалению пузырьков газа из масла. Пары газа либо выбрасываются в атмосферу, либо отсасываются в ёмкости.