对工程设计中气体压缩因子确定方法的讨论

PAGEPAGE1对工程设计中气体压缩因子确定方法的讨论麦瑶娣广东省石油化工设计院广州510130麦瑶娣：助理化学工程师。2001年毕业于华南理工大学化学工程与工艺专业。毕业后从事化工设计工作。联系电话要实际气体仅在压力较低、温度较高的情况下近似满足理想气体状态方程式，当压力很高、温度很低时工程设计中常引入考虑气体压缩性的压缩因子。AbstractRealgaswillsatisfywiththeperfectgasequationonlyinthecasethatthepressureislowandthetemperatureishigh.Whenthepressurebecomesveryhighandthetemperatureisverylow,weshouldconsiderthecompressorfactoroftherealgas.关键字压缩因子压缩因子图理想气体实际气体临界状态Keywordscompressorfactor,drawingofcompressorfactor,perfectgas,realgas,criticalstate1．概述按照理想气体状态方程式，定质量气体等温变化时PV=常数，但实际气体仅在压力较低、温度较高的情况下近似满足此关系。试验证明，压力低于1MPa和温度在10~20°C时，在工程上还可以称为理想气体。当压力很高（如在天然气的长输管线中）、温度很低时，用理想气体状态方程进行计算所引起的误差会很大。实际工程设计中，在理想气体状态方程中引入考虑气体压缩性的压缩因子Z，得到实际气体状态方程为。（式中P为气体绝对压力Pa，为气体的摩尔体积，Z为压缩因子，R为摩尔气体常数8.3145，T为绝对温度K）。对理想气体Z=1,对于实际气体，Z可以大于，小于或等于1，故Z值偏离1的大小可表示它偏离理想气体的程度。2．以下讨论压缩因子的几种确定方法2．1根据临界压缩因子确定Z值根据对应态定律可求得实际气体的压缩因子：……(1)[出自参考文献2]式中为临界压缩因子，为气体在计算状态下的摩尔体积，、、分别为临界压力、临界比体积、临界温度，、、分别为对比压力、对比比体积、对比温度，其中，，。由（1）式可知，实际气体的压缩因子Z是、、、的函数，而这些值均需通过实验测定，因此公式(1)通常应用于有实验条件下需要对压缩因子作比较准确确定的情况。实验证明，实际气体的临界压缩因子Zc，大约在0.23～0.33范围内，而60%以上的烃类气体的Zc都在0.27左右，因而Zc=0.27的通用压缩因子图可用来近似计算大多数常用实际气体的热力性质。对于Zc=0.26～0.28的气体，采用此类图表计算的Z值的误差小于5%，此误差在实际的工程设计中是可允许的。下表为几种气体的临界压缩因子：物质HeH2N2O2CO2NH3H2OCOCH40.30.3040.2970.2920.2740.2380.230.2940.292．2根据气体通用压缩因子图确定Z值由于很难用既合理又简单的方程描述适合各种不同气体和不同凝聚态的P-V-T的关系，而且每一个实际气体的状态方程式都有其一定的应用范围且常常包含与物性有关的常数。由(1)式可知压缩因子同样是状态的函数，也与物性有关，因此在一般的工程设计中，可应用Zc=0.27的通用压缩因子图(图-2.2)提供的数值进行近似的计算。下面通过一个例子说明如何利用通用压缩因子图求压缩因子：【例1】有一天然气输送管道，内径为700mm，长为130km，天然气的平均压力为25绝对大气压，温度为10oC,求此状态下天然气的压缩因子及管道中天然气在标准状态下的体积。天然气的体积组分（％）为甲烷97.6，乙烷0.2，丙烷0.2，氮气1.5，二氧化碳0.5。【解】：a）先求天然气平均临界温度、平均临界压力及平均相对比重名称体积组分临界温度(K)临界压力(绝对大气压)相对比重(S)Tkm平均临界温度(K)Pkm平均临界压力(Mpa)平均相对比重(Sm)甲烷0.976190.745.80.5548190.8945.750.5688乙烷0.002305.448.21.048丙烷0.002369.942.01.554氮气0.015126.233.50.9670二氧化碳0.005304.272.91.5289b)求对比压力与对比温度Tr＝T/Tkm=（273+10）÷190.89＝1.483Pr＝P/Pkm=25÷45.75=0.55c)查图-2.2求压缩系数得：Z＝0.94d)求标准状态下管道中天然气体积，天然气管道本身体积V为：V＝3.14×(0.7÷2)2×130000＝50004.5(m3)标准状态下管道中天然气的体积：若不考虑压缩系数Z，仅按理想气体状态方程计算得出管道中天然气体积为1205939标立方米，比实际少6％。图-2.22．3天然气体压缩因子的确定对于天然气体的压缩因子，还可以根据图-2.3查找。如图所示按此法求压缩因子要求的参数是平均相对比重Sm，起、终点绝对压力P1、P2及天然气平均温度tkm；或者平均相对比重Sm、平均绝对压力Pkm及天然气平均温度tkm。图-2.3又如例1已知平均绝对压力Pkm为25绝对大气压（25kgf/cm2），tkm为10oC，平均相对比重Sm为0.5688，查图-2.3可得压缩因子Z为0.93。对比按2.1方法计算查出的压缩因子值，其误差为1％。2．4燃气输气管道压缩因子的确定对于天然气体长输管道中天然气的压缩因子，还可以按以下公式进行估算：……(2)[出自参考文献1]为输气管道平均压力（kgf/cm2）绝对压力其中：[出自参考文献1]，为输气管道起、终点压力（kgf/cm2）绝对压力对于例1所提供的设计参数（此时Pm＝25kgf/cm2），根据公式(2)求得压缩因子Z为0.92。对比按2.1方法计算查出的压缩因子值，其误差为2％。4.结语由于一般的工程设计允许一定范围的误差，因此当涉及到压缩因子取值的计算时，可利用2.2～2.4提供的方法进行估算，而没有必要按照2.1的方法计算取值。而由例1所提供的设计参数，经过计算比较可知，此三种方法所得的计算值在误差允许范围内是一致的。并且选用其中的任何一种计算方法所得的计算值，在工程应用中都是合理、可靠的。参考文献《煤气设计手册》编写组.煤气设计手册(上).中国建筑工业出版社，1986天津大学物理化学教研室编.物理化学(上册第三版).高等教育出版社，1992化工装置工艺系