Расчет термодинамических свойств метана до 30 МПа по новому малоконстантному уравнению состояния с регулярной и масштабной частями
- Authors: Безверхий П.1, Дутова О.2
-
Affiliations:
- Институт неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН
- Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН
- Issue: Vol 61, No 3 (2023)
- Pages: 358-369
- Section: Articles
- URL: https://journals.rcsi.science/0040-3644/article/view/232633
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0040364423020035
- ID: 232633
Cite item
Abstract
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%.
About the authors
П. Безверхий
Институт неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН
Author for correspondence.
Email: ppb@niic.nsc.ru
Россия, г. Новосибирск
О. Дутова
Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН
Email: ppb@niic.nsc.ru
Россия, г. Новосибирск
References
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Friend D.G., Ely J.F., Ingham H. Thermophysical Properties of Methane // J. Phys. Chem. Ref. Data. 1988. V. 18. № 2. P. 583.
- 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.
- 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.
- Span R., Wagner W. Equations of State for Technical Applications. II. Results for Nonpolar Fluids // Int. J. Thermophys. 2003. V. 24. № 1. P. 41.
- 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.
- 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.
- 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.
- Григорьев Б.А., Герасимов А.А., Григорьев Е.Б. Фундаментальные уравнения состояния углеводородов в критической области // Химия и химическая промышленность. 2010. № 3. С. 52.
- 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.
- Безверхий П.П., Мартынец В.Г., Матизен Э.В. Непараметрическое масштабное уравнение состояния для жидкостей // ЖФХ. 2007. Т. 81. № 6. С. 978.
- 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.
- 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.
- Безверхий П.П., Мартынец В.Г., Станкус С.В. Описание теплоемкости простых жидкостей с помощью термического уравнения состояния, включающего регулярную и масштабную части // ТВТ. 2015. Т. 53. № 3. С. 356.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Meshalkin A.B., Dutova O.S. Equation of Liquid, Gas, and Fluid State for Methane // J. Phys.: Conf. Ser. 2020. V. 1677. 012171.
- 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.
- 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.
- Kleinrahm R., Duschek W., Wagner W. (Pressure, Density, Temperature) Measurements in the Critical Region of Methane // J. Chem. Thermodyn. 1986. V. 18. P. 1103.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Sengers J.V., Shanks J.G. Experimental Critical Exponent Values for Fluids // J. Stat. Phys. 2009. V. 137. P. 857.
- Градштейн И.С., Рыжик И.М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. М.: Физматгиз, 1962. 1097 с.
- Паташинский А.З., Покровский В.Л. Флуктуационная теория фазовых переходов. М.: Наука, 1982. 382 с.
- Younglove B.A. The Specific Heats Cσ and of Compressed and Liquified Methane // J. Res. NBS (Phys. Chem.). 1974. V. 78A. № 3. P. 401.
- 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.
- Roder H.M. Measurements of the Specific Heats, Cσ and of Dense Gaseous and Liquid Ethane // J. Res. NBS (Phys. Chem.). 1976. V. 80A. № 5–6. P. 739.
- 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.
- 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.
- Sivaraman A., Gammon B.E. Speed-of-sound Measurements in Natural Gas Fluids. Gas Research Institute Report. 1986. № 86-0043.
- Straty G.C. Velocity of Sound in Dense Fluid Methane // Cryogenics. 1974. V. 14. P. 367.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
Supplementary files
![](/img/style/loading.gif)