1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Теплофизика высоких температур
  4. T. 61, № 3, 2023

Теплофизика высоких температур, 2023, T. 61, № 3, стр. 358-369

Расчет термодинамических свойств метана до 30 МПа по новому малоконстантному уравнению состояния с регулярной и масштабной частями

П. П. Безверхий 1, *, О. С. Дутова 2

1 Институт неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН
г. Новосибирск, Россия

2 Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН
г. Новосибирск, Россия

* E-mail: ppb@niic.nsc.ru

Поступила в редакцию 14.06.2022
После доработки 18.08.2022
Принята к публикации 13.10.2022

Аннотация

Проведен расчет теплоемкостей ${{C}_{v}}$, Cp и скорости звука W метана на основе нового термического уравнения состояния с небольшим числом регулируемых констант. Уравнение включает в себя новую регулярную часть с 13 коэффициентами и масштабную часть с шестью коэффициентами с регулярной переходной функцией, содержащей два подгоночных параметра. Для определения констант уравнения состояния использованы только (p, ρ, T)-данные СH4, данные по ${{C}_{v}}$, Cp и W не привлекались, кроме данных по изохорной теплоемкости ${{C}_{v}}$ в идеально-газовом состоянии и значения ${{C}_{v}}$ при 100 К на ветви для жидкости на кривой равновесия жидкость–пар. Расчетные величины ${{C}_{v}}$, Cp и W близки к экспериментальным и табличным значениям в регулярной области. В критической области при расчете используются универсальные критические показатели α, β, γ в соответствии с трехмерной моделью Изинга. Расхождения с табличными данными в критической области связаны с применением масштабного уравнения состояния. Проведено сравнение с результатами расчетов по известным кроссоверным уравнениям состояния для СH4. Cреднеквадратичная погрешность описания давления СH4 составляет σр = 0.5%, среднее абсолютное отклонение ‒ 0.3%, погрешность в ${{C}_{v}}$ ‒ не более 5%.

Список литературы

  1. Syed T.H., Hughes T.J., Marsh K.N., May E.F. Isobaric Heat Capacity Measurements of Liquid Methane, Ethane, and Propane by Differential Scanning Calorimetry at High Pressures and Low Temperatures // J. Chem. Eng. Data. 2012. V. 57. № 12. P. 3573.

  2. Xiong Xiao, Al Ghafri Saif Z.S., Rowland D., Hughes T.J., Hnedkovsky L., Hefter G., May E.F. Isobaric Heat Capacity Measurements of Natural Gas Model Mixtures (Methane + n-heptane) and (Propane + n-heptane) by Differential Scanning Calorimetry at Temperatures from 313 K to 422 K and Pressures up to 31 MPa // Fuel. 2021. V. 296. 120668.

  3. Ernst G., Keil B., Wirbser H., Jaeschke M. Flow-calorimetric Results for the Massic Heat Capacity cp and the Joule–Thomson Coefficient of CH4, of (0.85 CH4 + + 0.15 C2H6), and of a Mixture Similar to Natural Gas // J. Chem. Thermodyn. 2001. V. 33. P. 601.

  4. Сычев В.В., Вассерман А.А., Загорученко В.А., Козлов А.Д., Спиридонов Г.А., Цымарный В.А. Термодинамические свойства метана. М.: Изд-во стандартов, 1979. 348 с.

  5. Friend D.G., Ely J.F., Ingham H. Thermophysical Properties of Methane // J. Phys. Chem. Ref. Data. 1988. V. 18. № 2. P. 583.

  6. Schmidt R., Wagner W. A New Form of the Equation of State for Pure Substances and Its Application to Oxygen // Fluid Phase Equilib. 1985. V. 19. № 3. P. 175.

  7. Setzmann U., Wagner W. A New Equation of State and Tables of Thermodynamic Properties for Methane Covering the Range from the Melting Line to 625 K at Pressures up to 1000 MPa // J. Phys. Chem. Ref. Data. 1991. V. 20. № 6. P. 1061.

  8. Span R., Wagner W. Equations of State for Technical Applications. II. Results for Nonpolar Fluids // Int. J. Thermophys. 2003. V. 24. № 1. P. 41.

  9. Козлов А.Д., Мамонов Ю.В., Роговин М.Д., Рыбаков С.И., Степанов С.А., Сычев В.В., Дрегуляс Э.К., Ставцев А.Ф. ГСССД 195-01. Таблицы стандартных справочных данных. Метан жидкий и газообразный. Термодинамические свойства, коэффициенты динамической вязкости и теплопроводности при температурах 91–700 К и давлениях 0.1–100 МПа. МТК-180 “ГСССД”, 2002.

  10. Kiselev S.B., Ely J.F. Generalized Crossover Description of the Thermodynamic and Transport Properties in Pure Fluids // Fluid Phase Equilib. 2004. V. 222–223. P. 149.

  11. Kiselev S.B., Ely J.F. Generalized Crossover Description of the Thermodynamic and Transport Properties in Pure Fluids. II. Revision and Modifications // Fluid Phase Equilib. 2007. V. 252. P. 57.

  12. Григорьев Б.А., Герасимов А.А., Григорьев Е.Б. Фундаментальные уравнения состояния углеводородов в критической области // Химия и химическая промышленность. 2010. № 3. С. 52.

  13. Chen Z.Y., Abbaci A., Tang S., Sengers J.V. Global Thermodynamic Behavior of Fluids in the Critical Region // Phys. Rev. A. 1990. V. 42. P. 4470.

  14. Безверхий П.П., Мартынец В.Г., Матизен Э.В. Непараметрическое масштабное уравнение состояния для жидкостей // ЖФХ. 2007. Т. 81. № 6. С. 978.

  15. Безверхий П.П., Мартынец В.Г., Матизен Э.В. Непараметрическое масштабное уравнение состояния для флюидов с учетом асимметрии // ЖЭТФ. 2009. Т. 136. Вып. 2 (8). С. 311.

  16. Bezverkhy P.P., Martynets V.G., Matizen E.V. Equation of Fluid and Gas State, Including Classical and Scaling Parts // J. Mol. Liq. 2009. V. 147. № 3. P. 162.

  17. Безверхий П.П., Мартынец В.Г., Станкус С.В. Описание теплоемкости ${{C}_{v}}$ простых жидкостей с помощью термического уравнения состояния, включающего регулярную и масштабную части // ТВТ. 2015. Т. 53. № 3. С. 356.

  18. Bezverkhy P.P., Martynets V.G. Calculation of Thermodynamic Properties of CO2 Using the Combined Thermal Equation of State with a Small Number of Adjustable Parameters // High Temp.–High Press. 2016. V. 45. P. 145.

  19. Безверхий П.П., Мартынец В.Г., Каплун А.Б., Мешалкин А.Б. Расчет термодинамических свойств SF6, включая критическую область. Комбинированное термическое уравнение состояния с малым числом параметров // ТВТ. 2017. Т. 55. № 5. С. 706.

  20. Безверхий П.П., Мартынец В.Г., Каплун А.Б., Мешалкин А.Б. Расчет термодинамических свойств SF6, включая критическую область. Тепловые функции и скорость звука // ТВТ. 2017. Т. 55. № 5. С. 716.

  21. Bezverkhii P.P., Martynets V.G., Kaplun A.B., Meshalkin A.B. The Thermodynamic Properties of CO2 up to 200 MPa Including the Critical Region, Calculated by a New Combined Equation of State with Few Parameters // Int. J. Thermophys. 2020. V. 41 № 2. https://doi.org/10.1007/s10765-019-2576-3

  22. Kaplun A.B., Meshalkin A.B. Phenomenological Method for Construction of the Liquid and Gas Equation of State // J. Chem. Eng. Data. 2010. V. 55. P. 4285.

  23. Kaplun A., Meshalkin A. Simple Self-empirical Equation of State of Liquid and Gas for Engineering Calculation // Chem. Eng. Data. 2011. V. 56. P. 1463.

  24. Lee Y., Shin M.S., Yeo J.K., Kim H. A Crossover Cubic Equation of State Near to and Far from the Critical Region // J. Chem. Thermodyn. 2007. V. 39. № 9. P. 1257.

  25. Рыков А.В., Кудрявцева И.В., Рыков С.В. Непараметрическое масштабное уравнение состояния, не содержащее дифференциальных биномов // Науч. журн. НИУ ИТМО. Сер. Холодильная техника и кондиционирование. 2013. № 2.

  26. Кудрявцева И.В., Рыков А.В., Рыков В.А. Метод расчета равновесных свойств сверхкритических флюидов, используемых в СКФ-технологиях // Науч. журн. НИУ ИТМО. Сер. “Процессы и аппараты пищевых производств”. 2013. № 3. С. 29.

  27. Meshalkin A.B., Dutova O.S. Equation of Liquid, Gas, and Fluid State for Methane // J. Phys.: Conf. Ser. 2020. V. 1677. 012171.

  28. Haendel G., Kleinrahm R., Wagner W. Measurements of the (Pressure, Density, Temperature) Relation of Methane in the Homogeneous Gas and Liquid Regions in the Temperature Range from 100 K to 260 K and at Pressures up to 8 MPa // J. Chem. Thermodyn. 1992. V. 24. P. 685.

  29. Klimeck J., Kleinrahm R., Wagner W. Measurements of the (p; ρ; T) Relation of Methane and Carbon Dioxide in the Temperature Range 240 K to 520 K at Pressures up to 30 MPa Using a New Accurate Single-sinker Densimeter // J. Chem. Thermodyn. 2001. V. 33. P. 251.

  30. Kleinrahm R., Duschek W., Wagner W. (Pressure, Density, Temperature) Measurements in the Critical Region of Methane // J. Chem. Thermodyn. 1986. V. 18. P. 1103.

  31. Kleinrahm R., Wagner W. Measurement and Correlation of the Equilibrium Liquid and Vapour Densities and the Vapour Pressure Along the Coexistence Curve of Methane // J. Chem. Thermodyn. 1986. V. 18. P. 739.

  32. Woolley H.W. A Switch Function Applied to the Thermodynamic Properties of Steam near and not near the Critical Point // Int. J. Thermophys. 1983. V. 4. № 1. P. 51.

  33. Каплун А.Б., Мешалкин А.Б. Простое фундаментальное уравнение состояния жидкости, газа и флюида для аргона, азота и диоксида углерода // Теплофизика и аэромеханика. 2017. Т. 24. № 4. С. 529.

  34. Agayan V.A., Anisimov M.A., Sengers J.V. Crossover Parametric Equation of State for Ising-like Systems // Phys. Rev. E. 2001. V. 64. 026125.

  35. Sengers J.V., Shanks J.G. Experimental Critical Exponent Values for Fluids // J. Stat. Phys. 2009. V. 137. P. 857.

  36. Градштейн И.С., Рыжик И.М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. М.: Физматгиз, 1962. 1097 с.

  37. Паташинский А.З., Покровский В.Л. Флуктуационная теория фазовых переходов. М.: Наука, 1982. 382 с.

  38. Younglove B.A. The Specific Heats Cσ and ${{C}_{v}}$ of Compressed and Liquified Methane // J. Res. NBS (Phys. Chem.). 1974. V. 78A. № 3. P. 401.

  39. Jones M.L., Mage D.T., Faulkner R.C., Katz D.L. Measurement of the Thermodynamic Properties of Gases at Low Temperature and High Pressure – Methane // Chem. Eng. Prog. Symp. Ser. 1963. V. 59. № 44. P. 52.

  40. Roder H.M. Measurements of the Specific Heats, Cσ and ${{C}_{v}}$ of Dense Gaseous and Liquid Ethane // J. Res. NBS (Phys. Chem.). 1976. V. 80A. № 5–6. P. 739.

  41. Анисимов М.А., Бекетов В.Г., Воронов В.П., Нагаев В.Б., Смирнов В.А. Экспериментальное исследование Т, ρ-зависимости вдоль кривой сосуществования и изохорной теплоемкости метана // Теплофизические свойства веществ и материалов. М: Изд-во стандартов, 1982. Вып. 16. С. 124.

  42. Kasteren H.G., Zeldenrust H. A Flow Calorimeter for Condensable Gases at Low Temperatures and High Pressures. 2. Compilation of Experimental Results and Comparison with Predictions Based on a Modified Redlich‒Kwong Equation of State // Ind. Eng. Chem. Fundam. 1979. V. 18. № 4. P. 339.

  43. Sivaraman A., Gammon B.E. Speed-of-sound Measurements in Natural Gas Fluids. Gas Research Institute Report. 1986. № 86-0043.

  44. Straty G.C. Velocity of Sound in Dense Fluid Methane // Cryogenics. 1974. V. 14. P. 367.

  45. Ewing M.B., Goodwin A.R.H. Speed of Sound, Perfect-gas Heat Capacities, and Acoustic Virial Coefficients for Methane Determined Using Spherical Resonator at Temperatures between 255 K and 300 K and Pressures in the Range 171 kPa to 7.1 MPa // J. Chem. Thermodyn. 1992. V. 24. P. 1257.

  46. Gammon B.E., Douslin D.R. The Velocity of Sound and Heat Capacity in Methane from Near-critical to Subcritical Conditions and Equation-of-state Implications // J. Chem. Phys. 1976. V. 64. P. 203.

  47. Trusler J.P.M., Zarari M. The Speed of Sound and Derived Thermodynamic Properties of Methane at Temperatures between 275 K and 375 K and Pressures up to 10 MPa // J. Chem. Thermodyn. 1992. V. 24. № 9. P. 973.

  48. Kurumov D.S., Olchowy G.A., Sengers J.V. Thermodynamic Properties of Methane in the Critical Region // Int. J. Thermophys. 1988. V. 9. № 1. P. 73.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Теплофизика высоких температур

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал