ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2004, том 42, № 1, с. 48-57
УДК 536.17:622.276
СООТНОШЕНИЯ р, р, Т, х ДЛЯ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ ВОДА-УГЛЕВОДОРОД В ШИРОКОЙ ОБЛАСТИ ПАРАМЕТРОВ СОСТОЯНИЯ1
© 2004 г. А. Р. Базаев, Э. А. Базаев
Институт проблем геотермии ДНЦРАН, г. Махачкала Поступила в редакцию 21.11.2002 г.
Приведены экспериментальные данные р, р, Т, х-соотношений (газовая фаза) бинарных систем вода-углеводород (СН4-С8Н18, С6Н6, С7Н8) в докритической и сверхкритической областях, включая состояния, близкие к критической области, при температурах 523.15-673.15 К и давлениях до 63 МПа, полученные методом пьезометра при постоянном объеме. Установлены особенности термодинамического поведения данного класса смесей.
ВВЕДЕНИЕ
Исследования термических свойств водных растворов углеводородов в широкой области параметров состояния обусловлены в значительной степени практическими потребностями, такими, как разработка адекватной термодинамической модели уравнения состояния, расчет сверхкритических экстракционных технологических процессов и процессов типа сверхкритического водного окисления, извлечение углеводородного сырья из недр. Вместе с тем исследования термических свойств бинарных систем вода-углеводород в околокритической и сверхкритической областях дают фундаментальную информацию об особенностях взаимодействия полярных и неполярных молекул, отличающихся структурой, размерами, формой и термической стабильностью.
Несмотря на большое число проведенных р, р, Т, х-измерений систем вода-углеводород, например [1-9], в ряде областей параметров состояния, особенно в околокритической, экспериментальный материал является весьма ограниченным [10-12].
В [1, 4-8] различными методами исследованы фазовые равновесия и р, р, Т, х-свойства систем вода-углеводород в областях жидкого и газового состояний при высоких температурах и давлениях. Сосуды равновесия и пьезометры, использованные авторами этих работ, являются оригинальными конструкциями, но имеют балластные объемы, которые вносят в результаты опыта по-
1 Работа была представлена и изложена на X Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ (г. Казань. 2002. Тезисы докладов. С. 15).
грешности, возрастающие при р, р, Т, х-измерени-ях в околокритической и сверхкритической областях [13].
Методика измерений и погрешности. В данной работе приведены обобщенные и уточненные данные, расширяющие область исследований по плотности газовых смесей водяного пара с парами некоторых алифатических и ароматических углеводородов, полученные прямыми р, р, Т, х-измерениями с помощью пьезометра усовершенствованной конструкции без балластного объема [9]. Отсутствие балластных объемов позволяет значительно повысить точность определения объема пьезометра при калибровке и учесть его изменение в зависимости от температуры и под воздействием давления [14], что в целом повышает достоверность результатов измерений.
Температура опыта поддерживалась автоматически фотоэлектронным терморегулятором периодического действия, обеспечивающим постоянство температуры в объеме термостата с точностью ±0.01 К [15], и контролировалась образцовым платиновым термометром сопротивления типа ПТС-10 [9]. Давление измерялось грузопоршневым манометром МП-600 класса 0.02, соединенным с дифференциальным мембранным блоком капиллярной трубкой, заполненной углеводородом. Точность измерения давления составляла ±0.02 МПа. Объем пьезометра определялся калибровкой по водяному пару с использованием уравнений состояния воды, принятых Международной ассоциацией по свойствам воды и водяного пара (IAPWS) в 1995 г. (формуляция 1Б-95). Точность определения объема пьезометра была ±0.02 см3.
г = р\лкт) 1.4 Г
1.2 1.0
0.8 0.6 0.4 0.2
10
20
30
40
50
60 70 р, МПа
Рис. 1. Зависимость фактора сжимаемости 2 от давления системы вода-метан при Т = 653.15 К и различных концентрациях х (мол. доли метана): 1 - х = 0.000, 2 - х = 0.050, 3 - х = 0.174, 4 - х = 0.230, 5 - х = 0.538, 6 -х = 0.656, 7 - х = 1.000.
г = рУтКЯТ) 1.6
1.2
0.8
0.4
/ 9
/ ,8
- / /
/ / у' 6
- -1 -----<5
______ 4
\ __и3 „
___1 | 1
15
30
45
р, МПа
Рис. 2. Зависимость фактора сжимаемости 2 от давления системы вода-н-октан при Т = 647.10 К и различных концентрациях х (мол. доли н-октана): 1 -х = 0.000, 2 - х = 0.031, 3 - х = 0.048, 4 - х = 0.078, 5 -х = 0.263, 6 - х = 0.425, 7 - х = 0.614, 8 - х = 0.794, 9 -х = 1.000.
6
0
0
Количество вещества в пьезометре определялось отбором его в охлаждаемые жидким азотом специальные ампулы из титанового сплава и взвешиванием их на аналитических весах. Плотность исследуемого вещества определялась по известному количеству вещества и объему пьезометра при температуре и давлении опыта. Погрешность определения плотности оценена в 0.1% (для больших значений плотности) и 0.3% (для малых). Состав смеси определялся с погрешностью ±0.001 (мол. доли).
Для исследований использовалась деаэрированная вода двойной дистилляции, метан марки ВЧ (99.95%) и жидкие углеводороды марки ХЧ и ЭТ.
Подробное описание экспериментальной установки и методики измерений дано в [9, 10, 15].
Результаты измерений. В таблице приведены экспериментальные данные по плотности газовых смесей воды с метаном, н-пентаном, н-гекса-ном, н-гептаном, н-октаном, бензолом и толуолом в широкой области параметров состояния, в том числе (в основном) в околокритической области со стороны газовой фазы для малых значений концентрации углеводорода.
[рУт№ТТ1
рт, кмоль/м3 Рис. 3. Зависимость избыточного значения фактора сжимаемости (2 - 1) от молярной плотности рт смеси вода-н-гексан при Т = 647.10 К и различных концентрациях х (мол. доли н-гексана): 1 - х = 0.000, 2 - х = 0.002, 3 - х = 0.005, 4 - х = 0.009, 5 - х = 0.014, 6 - х = 0.027, 7 - х = 0.039, 8 - х = 0.057, 9 - х = 0.117, 10 - х = 0.274, 11 - х = 0.518, 12 - х = 0.701, 13 - х = 1.000.
Экспериментальныер, р, Т, х-соотношения систем вода-углеводород (х - концентрация углеводорода в мольных долях)
вода-метан
р, МПа
р, кг/м3
р, МПа
р, кг/м3
р, МПа
р, кг/м3
р, МПа
р, кг/м3
р, МПа
р, кг/м3
Т = 523.15 К х = 0.210
2.63 4.94
х
2.64 5.69
11.43
23.18 0.322 25.97 25.97
х = 0.464
2.64 6.54
10.02 29.46
Т = 573.15 К х = 0.184
2.24 4.69 8.10
х
2.25
8.64 19.04 35.47 0.344
8.35
4.69 8.33
х 2.26
4.70 8.43
х
5.16 10.00 15.19 19.78
25.10
30.11 х
2.24 4.89 8.38
18.00 33.37 0.543
8.02 17.08 31.14 0.567 18.14 35.88
55.70
73.71 94.84
119.07 0.770
7.74 16.14 28.97
Т = 623.15 К х = 0.188
4.14 8.02 10.50 13.85
х
7.48 10.48 13.80
14.60 29.90 40.90 57.10 0.441 25.50 36.20 48.60
7.95 11.07 15.12
24.80 34.10 46.60
Т = 653.15 К х = 0.050
х = 0.624
4.05 7.50 10.93 14.11
х
4.07
13.20 24.40 35.70 46.30 0.847 12.60
20.35 25.83 32.13 59.67
х
3.26 6.58 10.86 18.09 40.54 59.58
104.60 176.10 309.00 538.90 0.174 10.96 22.95 39.81 73.88 236.00 355.30
х = 0.230
20.86 31.55 40.19 50.17 59.57 х = 8.31 11.43 21.71 41.01 60.39 х
7.64 12.31 23.08 43.27 63.21
83.60 144.30 199.30 258.20 304.90 0.538 26.10 36.00 69.80 133.50 188.90 0.656 22.40 37.00 69.60 127.00 177.20
вода-н-пентан
Т =
х
4.70 10.39 14.92 18.69 22.13 24.82 27.15 30.17 38.49 х
4.64
647.10 К = 0.028 18.91 46.70 76.70 114.49 177.72 298.10 388.04 447.27 521.15 0.042 18.98
10.32 14.85 18.48 21.80 25.01 27.00 30.90 38.98 х
4.69 10.37 14.83 18.53
47.16 76.96 111.56 163.02 255.71 326.13 410.58 492.58 0.061 20.10 49.93 80.40 114.75
21.41 23.82 27.22 30.46 39.61 х
4.63 10.39
14.87 18.67
21.88 25.16 30.03
153.14 200.23 289.96
360.84 462.95
0.088 21.09 52.14 83.28 118.71 159.32
215.85 312.59
39.99
х
4.62 10.48 14.77 18.76 21.97 25.02 30.86 40.88 х
4.34
9.81
428.54 0.184 25.37 63.97 98.03 134.41 169.95 208.03 281.77 376.17 0.391 36.51 86.56
16.26 22.33 29.83 40.38
х
4.63 9.45 14.90 22.44 29.94 37.89
147.04 211.24 283.36 356.59 0.694 50.49 109.91 180.42 264.06 323.20 367.13
вода-н-гексан
Т = 523.15 К х = 0.277
2.10 4.19
19.60 42.20
х = 0.560
2.10 30.70
3.02 46.20
4.05 66.00
х = 0.807
2.10 3.05
43.60 70.10
3.54 4.04
х
2.13 3.00
3.59 4.11
4.60 5.08 6.10 7.06
86.90 107.20 0.940 54.50 90.80 131.00 190.20 259.30 304.50 350.30 374.40
Т = 573.15 К
х = 0.844
х = 0.300 2.12 39.00
2.16 18.20 4.05 86.10
4.01 35.30 6.04 152.10
6.05 56.60 6.96 187.70
8.25 83.70 7.97 226.10
х = 0.590
х = 0.919
2.12 28.50 2.10 42.40
4.08 58.50 4.05 97.90
6.05 94.30 5.04 136.30
8.07 137.90 6.04 181.80
7.04 7.96
227.90 264.10
Т = 623.15 К х = 0.197
3.13 6.02 8.96 11.94 15.04 х
3.10
20.00 40.20 63.70 91.40 126.00 0.483 32.30
вода-н-гексан
р, МПа р, кг/м3 р, МПа р, кг/м3 р, МПа р, кг/м3 р, МПа р, кг/м3 р, МПа р, кг/м3
6.03 66.69 18.27 112.41 7.47 144.59 26.73 466.43 х = 0.027
11.97 149.41 21.45 326.39 10.00 203.78 30.03 513.51 4.76 19.42
15.11 196.62 22.29 401.91 15.17 294.74 Т = 647.10 К 10.13 46.39
х = 0.738 24.13 467.23 20.57 351.07 х = 0.002 19.13 122.62
3.08 45.22 27.02 516.31 Т = 64 5.15 К 11.43 49.11 21.08 155.00
6.02 98.23 29.76 544.62 х = 0.002 14.90 72.23 24.05 271.01
8.98 159.70 х = 0 .014 11.36 49.11 17.49 96.04 26.70 378.77
10.97 201.71 8.64 36.20 14.79 72.19 20.27 139.11 30.31 450.57
12.92 239.12 13.72 66.89 17.33 96.02 21.36 172.10 37.20 516.33
15.01 273.63 17.55 103.29 20.02 139.12 22.31 384.39 х = 0 .039
х = С .892 19.54 135.71 21.05 172.19 23.94 468.38 4.74 19.94
3.11 55.29 20.92 171.32 21.85 394.48 26.59 520.31 10.09 47.54
6.03 125.19 23.18 391.83 23.06 476.37 29.12 544.22 15.20 84.05
8.98 206.38 25.77 466.54 25.54 520.56 х = 0.005 20.22 141.10
10.85 251.31 28.90 513.62 27.94 545.32 8.16 33.07 24.11 234.17
12.94 290.32 х = 0 .187 х = 0 .005 11.57 50.25 26.06 305.03
14.84 317.80 3.05 22.73 8.07 33.04 14.56 70.12 29.25 395.65
Т = 643.15 К 6.68 42.67 11.47 50.21 18.04 103.71 38.29 496.25
х = 0.002 10.06 67.97 14.45 70.13 20.62 146.93 х = 0 .057
11.30 49.11 15.24 114.69 17.87 103.71 21.35 169.34 4.67 20.69
14.69 72.21 20.42 174.78 20.36 146.92 22.53 360.53 9.83 48.53
17.18 96.05 х = 0 .367 21.04 169.34 24.66 457.42 14.05 77.93
19.76 138.52 3.06 25.92 21.94 37
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.