首页 > 资讯 > 物理 > 正文
2024-01-07 21:30

天然气粘度测量:重新评价


下载原文档:

摘要。

先前由Schley等人(Int J thermoophys 25:1623, 2004)发表的天然气粘度实验数据,最初是在260 K到320 K的温度范围内使用振动丝粘度计获得的,经过改进的重新校准后重新评估。为此,采用了Vogel等人(Mol Phys 108:3335, 2010)提出的298.15 K和零密度下氩气粘度的新参考值,并由Hellmann(私人通信,汉堡联邦武装部队大学,汉堡,2020)进一步更新。此外,根据测量的温度和压力计算出的密度是使用Kunz和Wagner (J Chem Eng Data 57:3032, 2012)的状态方程来确定的,而不是根据现已过时的国际标准ISO 12213进行计算。

1 介绍

我们非常感谢斯潘教授的合作,特别是我们在乙烷粘度相关性方面的合作[1]。斯潘教授的小组对氮-二氧化碳[2]和甲烷-乙烷混合物[3]的粘度进行了测量和建模,我们用这些粘度来推导扩散系数。先前由Schley等人[4]对两种不同成分的天然气样品的粘度进行了测量,使用的是带有自由悬浮重量的振动丝粘度计,并使用国际标准ISO 12213[5]对温度T和压力p进行了额外测量,以计算所需的密度。重新评估涉及通过改进的校准和密度计算来确定导线半径。在这项工作中,密度是使用Kunz和Wagner[6]的状态方程计算的。

在Schley等人[4]的研究期间和之后,Nabizadeh和Mayinger[7]、Assael等人[8]、Langelandsvik等人[9]、Atilhan等人[10]、Kashefi等人[11]、Jarrahian等人[12]、Nazeri等人[13]和al Ghafri等人[14、15、16]对天然气或至少含有三种天然气组分的混合物进行了粘度测量。该工作的重评价数据作为数值报告,可与其他数据一起用于更新天然气数据库。此外,文献中也讨论了使用当前天然气数据库的混合模型,例如Chichester和Huber[17]、Heidaryan和Jarrahian[18]、Yang等人[19]、Theran-Becerra等人[20]或Xiong等人[21],这些模型应该能够生成天然气的未来粘度相关性。

2 Re-e数据估值

对所应用的振动丝粘度计进行了重新校准,以便使用先前对氩气的测量结果重新确定丝的半径[22]。最初的校准采用了Kestin和Leidenfrost[23]的基于实验的参考值,现在被认为是过时的。为了重新校准,我们采用了Vogel等人[24]根据稀气体动力学理论从从头算势推导出的氩的零密度粘度系数,并由Hellmann[25]升级为η0,Ar,298.15K = 22.5534 μPa·s,标准不确定度为0.07%。导线半径等于采用新的氩气参考值。

Schley等[4]的上一篇论文的表III和表IV所报道的结果仅限于沿测得的等温线的三组。在这项工作中,我们包含了更多的细节,以便使信息与最近的粘度测量相比较。在等温线的标称温度下,不精确地测量单个点,但保持在每个标称温度的小偏差内。实验粘度数据调整为标称温度下的值,采用泰勒级数展开,限制在温度的一次方。为此,采用温度和密度双多项式拟合计算得到的温度系数μPa·s·K−1的实验测定值与重新评估的实验天然气粘度数据。此外,假设Kunz和Wagner[6]在REFPROP (Lemmon et al.[26])中实现状态方程,由测量数据计算出的p和T的密度值与等温线的密度值相同。因此,标称温度下的压力发生了变化,并根据密度重新计算。此外,必须说明的是,本研究使用了Schley等人在其论文表1中给出的两种样品天然气H和L的原始成分,包括下垫气分析的不确定性,但使用了一些成分组合,以产生20种成分作为REFPROP混合物的输入参数。表1显示了两种天然气样品H和L组分的摩尔分数,这意味着Schley等人所述的成分,并用于本工作中密度和粘度数据的重新评估。

表1组成由Schley等[4]给出的天然气样品H和L的摩尔分数及其摩尔分数,用于re-e评估了这项工作的粘度测量

Schley等人[4]总结了氧和氩的摩尔分数,而表1显示我们将摩尔分数分成两部分,其值相等,并分别处理这些成分。满足的要求REFPROP(雷蒙et al。[26])限制组件的最大数量20,我们添加了二甲苯的摩尔分数(0.0006摩尔% H天然气和0.0010摩尔%天然气L)的甲苯(一个额外的0.0001 mol %添加甲苯的摩尔分数的天然气H获得统一)和新戊烷的摩尔分数的异戊烷(0.0032摩尔% H天然气和0.0056摩尔%天然气L)。此外,Schley等人给出的天然气样品L的组成不统一。因此,我们将该样本所有组分的摩尔分数归一化,如表1所示。最后,重新计算每个样品的摩尔质量,但与Schley等人给出的数值相比,数字没有变化。

Schley等人[4]对两种天然气样品在四个等温线(260 K、280 K、300 K和320 K)下的测量结果进行了改进,本工作的实验数据总结于表2、3、4和5中天然气H(高热量)和表6、7、8和9中天然气L(低热量),其中数据按原始测量的顺序排列。压力小于0.19 MPa时受滑移效应影响的实验点见表2、3、4、5、6、7、8、9。相对扩大()相结合的不确定性估计为1.0%的260 K等温线和0.8% 280 K, 300 K, 320 K等温线的天然气样品H和l .我们注意到报道的不确定性Schley et al .(0.5%)是一个标准的不确定性()和可能会稍微改进这项工作由于更准确的校准中的应用价值和一种改进的密度计算,除了260 K等温线逆行的影响行为。

天然气样品H和L的每个标称等温线的实验数据通过限制为四次方的幂级数表示作为降低密度的函数进行关联:

(1)

其中为还原密度,为还原温度。临界密度和临界温度的值采用REFPROP (Lemmon et al.[26])测定。在多重线性最小二乘回归中应用加权因子,以最小化加权平方和作为所考虑的等温线表示质量的标准。天然气H的Eq. 1系数及其标准差和各等温线的加权平方和见表10,天然气L的Eq. 1系数见表11。

表2 Re-e260 K时天然气H值的评价实验数据
表3 Re-e天然气H在280k下的评价实验数据
表4 Re-e300 K时天然气H值的评价实验数据
表5 Re-e在320 K下天然气H的评价实验数据
表6 Re-e天然气L在260 K时的评价实验数据
表7 Re-e天然气L在280k下的评价实验数据
表8 Re-e天然气L在300 K下的评价实验数据
表9 Re-e天然气L在320 K下的评价实验数据
表10 re-e的Eq. 1系数对天然气H样品的粘度测量进行了评价
表11 re-e的Eq. 1系数对天然气L样品进行了粘度测量

3 结果讨论

Humberg等人[3]最近指出,由于使用了Kestin和Leidenfrost[23]给出的氩气粘度参考值来校准Schley等人使用的粘度计,因此假定Schley等人[4]发表的甲烷实验值过高约0.15%。本文讨论的两种天然气样品的测量采用了相同的校准值。因此,这项工作中报告的重新评估值预计比旧的值低约0.15%。图1和图2分别显示了Schley等人给出的两种样品天然气H和L的实验粘度数据与本工作报告中重新评估的粘度数据的偏差。

图1
figure 1

将本工作重新评估的样品天然气H粘度数据与4条等温线数据作为密度函数进行比较。数据:260 K;, 280k;, 30万;320 K

图2
figure 2

将本工作中重新评估的样品天然气L粘度数据与4条等温线数据作为密度函数进行比较。数据:260 K;, 280k;, 30万;320 K

结合图1和图2,需要注意的是,重新评估数据的密度值是Kunz和Wagner[6]利用状态方程,通过REFPROP实现(Lemmon et al.[26]),从压力和温度的实验数据中重新计算出来的。图1显示了原始Schley数据与重新评估数据之间的偏差,即天然气样品H的四个等温线的密度函数,由于重新校准了导线半径,因此没有显示出预期的接近- 0.15%的恒定值。260k时的等温线振荡最大,偏差在- 0.15%左右。振荡随温度的升高而减小。最大值和最小值分别出现在kgm和kgm。它们肯定是由密度计算的变化引起的,从ISO 12213[5]到Kunz和Wagner的状态方程。

图2显示了四个等温线的原始Schley数据与天然气样品L重新评估数据之间的对应偏差。如图1所示,偏差也在- 0.15%左右振荡。与天然气h相比,在较低密度(kgm)下,这些振荡较小,而在较高密度(kgm)下,这些振荡又随着温度的升高而减小。

两个图都表明,由于依赖于密度本身的密度计算改变,原始Schley数据与重新评估数据的差异为±0.2%。图1和图2显示,重新校准振动丝的半径导致粘度降低- 0.15%,特别是在低密度下。

此外,对图1和图2中的异常值也有一些评论。造成这些偏差的原因是Schley等人[4]的表III和表IV中的输入错误。在表III(天然气H)中,等温线为260 K时,ρ = 4.3077 mol·L−1 (ρ = 77.4 kg·m−3)时的粘度值应为12.315 μPa·s,而不是12.335 μPa·s;在表IV(天然气L)中,等温线为320 K时,ρ = 5.3865 mol·L−1 (ρ = 99.3 kg·m−3)时的粘度值应为15.910 μPa·s,而不是15.900 μPa·s。

此外,我们将重新评估的数据与REFPROP[26]中实现的扩展对应状态(ECS)模型[27]进行了比较。图3和图4显示了天然气H和L两个样本的重新评估数据与ECS模型计算值之间的偏差。零线对应于Ely和Hanley开发的ECS模型。ECS值的计算来源于实验温度和压力数据。我们注意到,对于天然气样品H和样品L,应用ECS模型可以在260 K低密度范围内计算无粘度值,样品H在kg·m−3 < 84,样品L在kg·m−3 < 103。这是由于样品在低温下的逆行行为。

图3
figure 3

将本研究中重新评估的样品天然气粘度数据H与Ely和Hanley[27]采用REFPROP[26]开发的ECS模型方法计算的4条等温线H值作为密度函数进行比较。数据:260 K;, 280k;, 30万;320 K

图4
figure 4

将本研究中重新评估的样品天然气L粘度数据与Ely和Hanley[27]采用REFPROP[26]开发的ECS模型方法计算的4条等温线作为密度函数的值进行比较。数据:260 K;, 280k;, 30万;320 K

图3显示了天然气样品H的重新评估数据与ECS模型计算值的偏差[27]。图3表明,对于280k、300k和320k等温线,最低密度时的偏差在0.09%之间,最高密度时的偏差在- 0.45%之间。对于260k等温线,在kgm处偏差最大,达0.84%。该等温线的偏差随着密度的增加而减小,通过零,在kgm时最小为- 0.45%。在kgm处的偏差平均减少到- 0.15%,对应于电线的重新校准。

图4显示了天然气样品L的重新评估数据与ECS模型计算值的偏差[27],与天然气样品h相比,出现了更大的偏差。对于280 K、300 K和320 K等温线,最低密度的偏差分别为0.80%、1.23%和1.44%。随着密度的增加,它们分别下降到0.60% (280 K)和% (300 K和320 K),然后在最高密度分别下降到0.67% (320 K)和0.33% (300 K)。260k等温线在kgm处的偏差为0.63%,而随着密度的增加,进一步的偏差与280k等温线的偏差相似。它们在kgm时穿过零并变为负值(在最高密度下,280 K时为- 0.13%,260 K时为- 0.18%)。

4 结论

由Vogel等人[24]推导并由Hellmann[25]进一步更新的298.15 K和零密度氩气的新参考值用于重新评估Schley等人[4]对两个天然气样品H(高热量)和L(低热量)的四个等温线的粘度测量。Schley等人使用振动丝粘度计进行了相对测量,并使用如今已经过时的Kestin和Leidenfrost参考值校准了他们的测量装置[23]。

此外,Schley等[4]采用国际标准ISO 12213[5]从实验压力和温度数据计算密度。本研究采用Kunz和Wagner[6]的状态方程,根据Schley等人报道的压力和温度数据计算密度。

两种天然气样品H和L的每条标称等温线的重新评估的实验数据通过限制为四次方的幂级数表示作为降低密度的函数进行关联。最后,将重新评估的粘度数据与Ely和Hanley[27]通过在REFPROP[26]中实现的ECS模型方法计算的值进行比较。作为数据报告的这项工作的重新评价数据应用于更新天然气数据库。


目录

摘要。
1 介绍
2 Re-e 数据估值
3 结果讨论
4 结论
参考文献。

作者信息
道德声明



相关的内容



#####