P—R方程在天然气热物性计算中的应用研究.pdf

第 4 2 卷 第 5 期 2 0 1 3年 5月 当 代 化 工 C o n t e mp o r a r y C h e m i c a l I n d u s t r y V o 1 ． 4 2． N o ． 5 M a y，2 0 1 3 P R方程在天然气热物性计算中的应用研究 杨 帆 ，陈保东 ，姜文全 ，石 宇 ，李 理 。 ，刘赫铭 。 1 ． 辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院， 辽宁 抚顺 1 1 3 0 0 1 ； 2 ．中国石油辽宁沈阳东陵油库，辽宁 沈阳 1 1 0 0 0 1 3 ．中国石油辽宁销售仓储分公司， 辽宁 沈阳 1 1 0 0 0 1 摘 要随着液化天然气 L N G产业的兴起，天然气在我国能源结构中占有越来越重要的位置 ，对于天 然气液化流程、 L N G储存运输以及气化流程模拟的要求越来越高， 天然气热物性质计算的精度在流程模拟中至 关重要。采用 P R方程计算了密度和粘度的精度 ，为天然气的流程模拟提供进一步的理论基础。 关键词天然气；热物性质；P R方程；密度；粘度 中图分类号 T E 6 4 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 4 6 0 2 0 1 3 0 5 0 6 4 9 0 3 Appl i c a t i o n Re s e a r c h o f P- R S t a t e Equa t i o n i n Th e r mo dy na mi c Pr o p e r t i e s C a l c ul a t i o n o f Na t ur a l Ga s Y ANG Fa n ， C HE NB a o d o n g ，J I ANG We n q u a n ， S HI Y u ，L I Li ， L I UHe ． mi n g 1 ． S c h o o l o f P e t r o l e u m E n g i n e e r i n g ， Li a o n i n g S h i h u a Un i v e r s i t y , Li a o n i n g F u s h u n 1 1 3 0 0 1 ， Ch i n a 2 ． P e t r o Ch i n a S h e n y a n g Do n g l i n g Oi l De p o t ， Li a o n i n g S h e n y a n g 1 1 0 0 0 1 ， Ch i n a 3 ． P e t r o Ch i n a Li a o n i n g Ma r k e t i n g a n d S t o r a g e Co mp a n y , L i a o n i n g S h e n y a n g 1 1 0 0 0 1 ， Ch i n a Ab s t r a c t Wi t h t h e d e v e l o p me n t o f n e w e n e r g y l i q u e fi e d n a t u r a l g a s L NG i n d u s t r y , n a tur a l g a s p l a y s mo r e a n d mo r e i mp o r t a n t r o l e i n e n e r gy s t r u c tur e i n Ch i n a ． Hi g h a c c u r a c y s i mu l a t i o n o f p r o c e s s fl O W, s u c h a s n a t u r a l g a s l i q u e f a c t i o n ， L NG s t o r a g e a n d t r a n s p o r t a t i o n ， L NG g a s i fic a t i o n ， i s r e q u i r e d ． T h e a c c u r a c y o f n a tur a l g a s t h e r mo d y n a mi c p r o p e r t i e s c a l c u l a t i o n i s a n i mp o r t a n t p a r t o f p r o c e s s flo w s i mu l a t i o n． I t i s n e c e s s a ry t o p r o v e i t s a c c u r a c y i n o r d e r t o p r o v i d e t h e o r e t i c a l f o u n d a t i o n s f o r p r o c e s s fl o w s i mu l a t i o n ． I n t h i s a r t i c l e ， d e n s i t y a n d v i s c o s i t y we r e c a l c u l a t e d b y P - R s t a t e e q u a t i o n， wh i c h c a n p r o v i d e a t h e o r e t i c a l b a s i s for L NG p r o c e s s flo w s i mu l a t i o n ． Ke y wo r ds Na t u r a l g a s ； Th e r mo d y n a mi c p r o p e rti e s ； P R s t a t e e q u a t i o n ； De n s i t y ； v i s c o s i t y 液化天然气 L N G是世界上增长最快的清} 吉 能源之一 ， 随着 L N G的进 口意味着我国越来越多的 城市将能够使用上这种清洁能源。天然气在开采、 储存 、管输 、液化 ，液化天然气在储存 、输送 、气 化、冷能利用，以及其泄露扩散等各环节的流程模 拟以及动态分析都以精确的热物性质计算结果为基 础 。目前 ，很少有一个状态方程能够对天然气的 各个相态下 ，如液相 、气相 、气液共存以及超临界 状态的热物性质都有较好的精度 ，在天然气的流程 模拟中，P e n g R o b i n s o n状态方程 以下简称 P R 方程 被广泛采用 ， 对于不同相态下计算结果的精 度进行进一步分析。 1 P R方程理论基础 P - R方程形式如下 RT a P 一 ‘ 一 b 2 b -b 其 中 6 ∑ b i b i 0 ．0 7 7 8 R T cf ／ p 。f 口 ∑∑ 0 一 万 0 ．4 5 7 2 4 R 巧／ p 。 [1 0 ．3 7 4 6 4 1 ．5 4 2 2 6 0 ．2 6 9 9 2 万 『 式 中，a a 、a 、反 是与气体种类有关 的常数。 P R 方程用压缩因子表示如下 z3 一 1 8 z 3 B 一2 B Z一 A BB 2一B3 0 其 中Z p V ／ R T a c tp ／ R T B b p ／ R T P R 方程的逸度系数的表达式如下 r ] - Z-1 -l n Z-B 2 ．82 8 B1L B Z - o -2 ． 4 1 4 B 计算液相逸度系数 时， Z i为 ， 计算液相逸度 系数 ， v 时，z 为 。 基金项目辽宁省教育厅重点实验室项 目L S 2 0 1 0 0 9 7 收稿 日期 2 0 1 3 - 0 3 1 2 作者简 介 趣 ． i 9 8 ．1 ． _ ． 女 ． 辽宁 锦州 人， 讲师， 中 国石 油 大学 华 东 在 读博士 生， 2 0 0 3 年硕士 毕业 于 辽宁 石 油化 工大 学储 运工 程专业， 主 要 从事 天然 气 储运 技术 研究 。E -m a i l ya n g f a n f a n 0 9 0 2 12 6 ． c o m。 6 5 0 2 相平衡计算 当 代 化 工 2 0 1 3 年5 月 P R 方程在计算天然气相平衡时具有较好的精 度，以某液化天然气公司的L N G 为例 组分如表1 所示 ， 采用P R 方程进行了气液相平衡的计算 ， 并 绘制成相图。 对于纯物质， 其相图 图1 应是平滑 曲线 ，而对于L N G 混合工质 ，其相图 图2 转变为 泡点、露点之间的区域 。该组分下的L N G II 界压 力 5 ． 1 6 4 MP a 、临界温度忙一 7 6 ． 1 0 ℃。 表1 天然气 组分 T a b l e l Co mp o s i tio n o f n a t ur e g a s 组分 甲烷 乙烷 丙烷 丁烷 氮气 摩 尔 成分0 ． 9 6 6 4 0 ． 0 1 9 7 0 ． 0 0 3 4 0 ． 0 0 1 5 0 ． 0 0 9 0 I J ／ ／ 卜 峭eD 0 ／ 2 № I mI D i e l t L 日 2 ／ J ／ ， 一 ，l 一一一一一 1 7 0 O ． 1 ∞0 - 1 5 0 0 ． 1 4 0 0 - 1 3 00 ． 1 2 0O 1 1 0 0 1 0 0 O _舶 ∞ 瑚 0 o 2 e m p e r a t u r e ／ 图 1 纯物质 甲烷的相图 P T图 Fi g． 1 The pha s e di a gr a m o f pu r e s ubs t a nc e m e t ha ne 一 十2 ， P l 聃 ／ ， ／ i ／ ／ ． ／』 ／ ／ ／ ／ T e m p e r a t u r e ／ 图 2 L N G的 P T图 Fi g ． 2 Th e p h a s e d i a g r a m o f LNG 3 热物性质的计算 下面将采用P R 方程分别对L N G 的密度和粘度 进行计算， 得到密度一 温度变化 曲线见 图3 ，粘度一 温 度变化曲线见图4 。 4 结果分析 密度与粘度的计算数值与国外实验数据进行 比较 ，见表 2 。 表2 计算结果与国外实验数据 比较 T a b l e 2 Th e c o m p a r i s o n o f c a l c u l a ti o n r e s u l t s a n d e xpe r i me nt a l da t aI 7 l c 6 | } ∞ ∞ j ＼ ＼ ≮ 75ao 、 、 ＼ 、 、 ＼ 、 、 、 、 、 研 ＼ ’l＼ d ～～ ～ k ～ ～一 一 *～ ～ 一 r - 2 T mr a t u r e ／ ℃ 图 3 不同压力下温度变化对密度的影响情况 F i g ．3 Effe c t o f t e m p e r a t u r e o n d e n s i t y u n d e r d i ffe r e n t pr e s s ur e 2 5 。 o l { 曼 、 ＼ ， ～ 一～一 尊 一 匆 - 图 4 不 同压力下温度变化对粘度的影响情况 Fi g ． 4 Ef f e c t o f t e mp e r a t u r e O U v i s c o s i ty u n d e r d i ffe r e n t p r e s s u r e 5 结 论 将计算结果与实验数据对 比以及 图3 和4 的热物 性质变化情况 ，可得到结论如下 1 在密度计算的结果上看， 在低温区 在一 6 0 ℃时为一 4 ． 2 ％、在一 8 0 ℃时为一 3 ． 3 ％，而L K P 方程在 一 6 O 时为2 ． 1 ％、一 8 0℃为一 4 ． 6 ％，说明P R 方程 在密度计算时具有较好的精度。 f 2 从粘度的计算结果上看， 粘度在低温区 一 6 0 ℃到一 8 0 c C 受压力影响变化较小，随温度的升高 A ， 粘度受压力的影响增大； 粘度 i在一 6 0℃时为 4 ． 2 ％、在一 8 0 ℃时为2 ． 7 ％，而采用L u c a s 法在一 6 0℃ 时为4 ． 7 ％、 一 8 0 ％为3 ． 4 ％， 说明P R 方程在计算天然 气粘度时具有较好 的精度。 下转第6 5 6 页 6 5 6 当 代 化 工 2 0 1 3年 5 月 和流体介质之间形成有效隔离层， 不使腐蚀f生 物质与 金属壁面直接接触 ， 达到减缓管道内腐蚀的目的。其 中，环氧粉末 、聚氨酯等是典型的代表性材料。 2 添加化学药剂。在流体介质中添加少量能够 阻止或减缓金属腐蚀的化学药剂， 如缓蚀剂、杀菌 剂和阻垢剂等，以减少流体介质对金属的腐蚀。其 中，缓蚀剂减缓管道腐蚀的机理在于缓蚀剂能够通 过其分子上极性基团的物理 、化学吸附作用 ，吸附 在金属表面上以形成保护膜 ，从而减小腐蚀速率 。 4 结束语 我国每年因天然气管道腐蚀造成的经济损失 和人员伤亡事故报导屡见不鲜 ，在我国油气管道事 业蓬勃发展 的同时 ，必须充分认识到腐蚀问题的严 重性。 分析了天然气管道内、外壁腐蚀原因与机理， 天然气管道腐蚀受到诸多内、外环境因素的影响， 是一个错综复杂的过程。其中，内腐蚀失效是造成 管道失效的主要形式 。提出了具体的管道内、外壁 防腐保护措施。为实际中的管道规划设计和防腐工 作提供了一定的理论依据与参考。 参考文献 [ I ]Mi a o C h e n g w u ， L u Q i mi n ．T h e p l a n n i n g o f n a t u r a l g a s p i p e l i n e i n d u s t a n d c o r r o s i o n p r o t e c t i o n t e c h n i q u e i n C h i n a [ C ] ． P r o c e e d i n g s o f t h e 2 n d C h i n a I n t e r n a ti o n a l C o r r o s i o n C o n t ml C o n f e r e n c e C I C C ’ 2 0 0 2 1 8 2 6 ． [ 2 ] 袁英 ，高强生 ，刘义． 天然气管道腐蚀分析与对策[ J ]．油气 田地面 工程，2 0 1 1 ，3 O 8 4 5 ． [ 3 ] 杨锦林 ，颜慧敏 ，刘磊 ，等． 天然气管道腐蚀与防护系统 ．油气 田地面工程 ，2 0 1 1 ，3 0 1 2 4 8 5 0 ． [ 4] 刘佳． 天然气管道的腐蚀原因及防治措施[J ] ．内江科技 ， 2 0 1 2 ， 6 1 0 4 1 0 5 ． [ 5]王勇 ，张智亮 ，张红霞，等．天然气管道腐蚀失效分析【 J J ． 化工装 备技术 ，2 0 0 8 ，2 9 5 5 3 5 4 ． [ 6] 岑芳 ，李治平 ，赖枫鹏 ，等．中国含硫天然气资源特点及前景I J ] ． 新疆石油天然气 ，2 0 0 6 ，2 4 1 - 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Li q u i d Eq u i l ib riu m C a l c u l a t i o n s I n fl u e n c e B a s e l o a d L NG P l a n t D e s i g n [ J ] ． C o m p u t e r s C h e m i c a l E n g i n e e r i n g ， 1 9 9 6 ， 2 0 1 1 1 1 ． [ 2 ] J ． K ． J o h n s o n ， R．L ． R o w le y ． A p p l i c a t i o n o f a n E x t e n d e d L e e - K e s l e r C o rre s p o n d i n g - S t a t e T e c h n i q u e t o P r e d i c t i o n o f Va p o r L i q u i d E q u i l i b r ia i n Mu h i c o m p o n e n t M i x t u r e C o n t a i n i n g P o l a r C o m p o n e n t [ J ] ． I n t e rna t i o n a l J o u r n al o f T h e r m o p h y s i c s ， 1 9 8 9 ， 1 0 2 4 7 9 - 4 9 2 ． [ 3 J Z h a n g C h a o ， e t a 1 ． A F o u r - P a r a me t e r E x t e n s i o n o f Mo d i fi e d L E E K E S L E R E q u a t i o n o f S t a t e [J ] ．C h e m i c a l E n g i n e e r i n g C o mm u n i c a t i O I l S ， 1 9 8 5 3 1 ， 1 0 7 1 1 8 ． [ 4]顾安忠， 等． 液化天然气技术[ M1．北京机械工业出版社， 2 0 0 3 ． [ 5 ]赵红玲等译气 液物性估算手册【 M】 ． 北京化学工业出版社， 2 0 0 6 ． [ 6]陈则韶． 高等工程热力学[ M ] ． 北京 高等教育出版社， 2 0 1 0 ． [ 7 ]F l o r i a n D a u b e r ， R o l a n d S p a n ． A c h i e v i n g H i g h e r A c c u r a c i e s for P r o c e s s S i mu l a t i o n s b y I mp l e me n t i n g t h e Ne w R e f e r e n c e Eq u a t i o n f o r N a t u r a l G a s e s [ J ] ． C o mp u t e r s and C h e mic a l E n g in e e r i n g ． 2 0 1 0 ， 3 2 1 0 ． 1 0 1 1 0 7 ．