Экспериментальное исследование термодинамических свойств водных растворов углеводородов в околокритической и сверхкритической областях

• Автор: Саидахмедова, Марида Бугаудиновна
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Махачкала
• Количество страниц: 176 с. : ил.

1. Общая характеристика работы
2. Анализ работ по исследованию термодинамических свойств воды, углеводородов и их смесей и постановка задач исследования
2Л. Термодинамические свойства чистых компонентов
2.2. Термодинамические свойства смесей вода-углеводороды (метан, н-пен-тан, н-гексан, н-гептан, н-октан, бензол)
3. Экспериментальное исследование термодинамических свойств водных растворов углеводородов в околокритической и сверхкритической областях
3.1. Экспериментальная установка для измерений параметров р, V, Т, х водных растворов углеводородов
3.2. Методика проведения измерений в околокритической и сверхкритической областях свойств растворов
3.3. Оценка погрешностей измерений
4. Анализ результатов экспериментальных исследований
4.1. Фактор сжимаемости смесей
4.1.1. Избыточный молярный объем
4.1.2. Парциальный молярный объем
4.1.3. Кажущийся молярный объем
4.2. Параметр Кричевского для смесей вода-углеводород и его связь
с термодинамическими и структурными свойствами
5. Исследование уравнений состояния по данным р, у, Т, х-измерений и расчет термодинамических функций
5.1. Уравнения состояния Ван-дер-Ваальсовского типа
5.2. Вириалыюе уравнение состояния
5.3. Уравнение состояния на основе теории возмущений жестких цепей
(БРНСТ-модели)
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Экспериментальные р, V, Т, х -соотношения
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Программа для расчета коэффициентов уравнения состояния Редлиха-Квонга по методу наименьших квадратов
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Фотографии экспериментальной установки

При проектировании геотермальных электростанций (ГеоЭС) и циркуляционных систем (ГеоЦС) [1, 2], для расчетов процессов тепломассо-переноса в естественных породных коллекторах, в скважине и в наземных коммуникациях, экстракционных и новых технологий типа сверхкритического водного окисления (СКВО) [3] необходимо знать термодинамические свойства (давление, плотность, энтальпия и др.) водных флюидов - многокомпонентных и многофазных систем [1, 4, 5]. Температура и давление этих флюидов в районах термоаномалий иногда достигают значений критических параметров чистой воды (Тк=647.09б К, рк=22.064 МПа) и выше [6].
Не существует физически обоснованных уравнений состояния для описания термодинамических свойств таких сложных систем, какими являются водные флюиды. Для инженерных расчетов подобные уравнения могут быть получены на основе экспериментальных исследований термических и калорических свойств модельных систем, например, вода-соль, вода-углеводород, вода-соль-углеводород.
Теплофизические измерения многокомпонентных водоуглеводородных систем при высоких значениях температуры и давления чрезвычайно сложны и трудоемки [7]. Поэтому разумно начать исследования с упрощенных моделей -двухкомпонентных систем [8]. Система вода-углеводород является одной из простейших моделей природных флюидов. Как правило, форма и размеры молекул углеводородов (неполярные компоненты) сильно отличаются от молекул воды (полярный компонент), и при нормальных температуре и давлении практически не растворимы друг в друге. При комнатной температуре и высоких давлениях эти вещества могут образовывать растворы в узкой области концентраций (разбавленные растворы). Только значительное повышение температуры увеличивает взаимную растворимость воды и

углеводородов и способствует образованию концентрированных жидких и газообразных растворов [9].
Околокритические и сверхкритические газообразные растворы (смеси) воды с неполярными компонентами относятся к одним из наименее изученных классов растворов. Объемное поведение водных растворов углеводородов вблизи критической точки воды практически не исследовано.
Необходимая информация о термодинамических свойствах водоуглеводородных систем может быть получена путем р, V, Т ,х-измерений в сочетании с известной теплоемкостью вещества в состоянии идеального газа как функции температуры. Исследование р, V, Т, х-свойств водных растворов углеводородов дает также фундаментальную информацию о межмолекулярных силах полярных и неполярных компонентов [10], необходимую для разработки реалистических моделей потенциалов взаимодействия.
Данная диссертационная работа посвящена экспериментальному исследованию зависимостей между давлением, объемом, температурой и составом (р, V, Т, х-измерениям) систем вода-углеводород в однофазном газообразном состоянии, включающем сверхкритическую область и области, близкие к критической точке воды (со стороны газовой фазы), и исследованию на их основе некоторых кубических уравнений состояния Ван-дер-Ваальсовского типа для описания объемных свойств этих газовых смесей и расчетов их термодинамических свойств.
Работа выполнялась в лаборатории теплофизики Института проблем геотермии Дагестанского НЦ РАН.
Автор выражает признательность научному руководителю Абдулагатову Ильмутдину Магомедовичу за научное сотрудничество, сотрудникам лаборатории Базаеву Ахмеду Рамазановичу и Базаеву Эмилю Ахмедовичу за обсуждение основных аспектов работы, участникам конференций, проявившим интерес к представленным на них результатам автора.

показать, что парциальная молярная энтальпия БРР Н2? определяется параметром Кричевского [92, 93]:
ЩЧар/а^д оуадт. (32)
Важность параметра Кричевского в том, что он связан со структурными характеристиками смеси. В частности, с прямым корреляционным интегралом Су (ПКИ) [95-98]:
(ар/5х)5>т=КТр{(1-х)(С„-С|2)-х(С,2-С22)}, (33)

где Су= /су(г)(1г, (34)

су (г) - прямая корреляционная функция, г - радиус корреляции
Параметр Кричевского дает также прямую информацию о микроструктуре сверхкритического БРР вблизи КТ чистого растворителя. Так, например, избыточное число молекул растворителя, окружающих молекулы растворяемого вещества, по сравнению со средней концентрацией молекул растворителя в объеме определяется соотношением [99]:
Мехе(11)=47фу }[§иу(г)-8уу(г)]г2аг. (35)

где £иу(г) - радиальная функция распределения молекул растворитель-растворяемое вещество, gvv(r) - радиальная функция распределения молекул растворителя. Величина и знак 1Мех<г связан с парциальным молярным объемом
растворяемого вещества БРР и параметром Кричевского соотношением [99101]:
Ыме"Кт(ф/&с)уд=1-Р2 У“г (36)