Диссертация (1172966), страница 19
Текст из файла (страница 19)
Максимумы констант равновесияувеличиваются в большей степени при снижении давления, чем при повышениитемпературы, и составляют увеличение от 9,7 до 92,6 при изменении давления от5 до 0,5 МПа и температуры от 42 до 35 °С.135Рисунок 2.29 – Зависимость констант равновесия азота от температуры приразличных давлениях и содержании азота в смесях азот-пропан:красным маркером отмечены максимумы кривых K(t)(Источник: составлено автором)Для смесей азот-изобутан и азот-н-бутан нами также были проведеныисследования фазового равновесия по уравнению состояния Пенга-Робинсона(2.5). Анализданныхсмесейвыявилобластивзаимнойрастворимостикомпонентов смеси и области существования двух несмешивающихся жидких иодной газовой фаз.На рисунках 2.30 и 2.32 представлены зависимости давления насыщенныхпаров от температуры для смесей азот-изобутан и азот-н-бутан соответственно.Смесьазот-изобутанпроявляетсвойствасмесейвзаимнорастворимыхкомпонентов при содержании азота менее 15,4 %, смесь азот-н-бутан – при136содержании азота менее 12,8 %.
При большем содержании азота кривые кипенияот критических точек отклоняются в область более высоких давлений и низкихтемператур, а критическая линия не соединяет критические точки чистыхкомпонентов и имеет разрыв. Исследования показали, что при содержании азота всмеси с изобутаном более 15,4 %, при давлении выше 2,15 МПа и температуревыше минус 158,5 °С возникают две жидкие фазы с содержанием азота в одной изних от 14,2 до 21,9 % и в другой от 99,4 до 99,9 %. С увеличением давленияинтервал температур, в котором существует двухфазная жидкость, сокращается исводится к точке в области давления 26 МПа (см. рисунок 2.30).Рисунок 2.30 – Р-Т диаграмма фазового равновесия смесей азот-изобутан:сплошные линии – кривые конденсации смесей; точечные линии – кривые кипениясмесей; над кривыми указано молярное содержание азота в смеси; пунктирныелинии – кривые насыщения чистых компонентов; пунктирная линия с маркерами– критическая линия, заштрихованная область – область сосуществования двухнесмешивающихся жидких фаз(Источник: составлено автором)137Зависимость констант равновесия азота от температуры в смесях азотизобутан представлена на рисунке 2.31.
Нами установлено, что кривыеравновесия, как и в смесях азот-этан, при давлениях свыше 0,101 МПа имеютточки максимума в интервале температур от минус 20 °С (при давлении 0,2 МПа,kмакс = 241,8) до минус 25 °С (при давлении 5 МПа, kмакс = 10,36).Рисунок 2.31 – Зависимость констант равновесия азота от температуры приразличных давлениях и содержании азота в смесях азот-изобутан:красным маркером отмечены максимумы кривых K(t)(Источник: составлено автором)При содержании азота в смеси с н-бутаном более 12,8 %, при давлениивыше2,3 МПаитемпературевышеминус159°Свозникаютдвенесмешивающиеся жидкие фазы с содержанием азота в одной из них от 11,6 до13817,6 % и в другой – от 99,7 до 99,9 %. С увеличением давления интервалтемператур, в котором существуют две несмешивающиеся жидкие фазы,сокращается и сводится к точке в области давления 25 МПа (см.
рисунок 2.32).Рисунок 2.32 – Р-Т диаграмма фазового равновесия смесей азот-н-бутан:сплошные линии – кривые конденсации смесей; точечные линии – кривые кипениясмесей; над кривыми указано молярное содержание азота в смеси; пунктирныелинии – кривые насыщения чистых компонентов; пунктирная линия с маркерами– критическая линия, заштрихованная область – область сосуществования двухнесмешивающихся жидких фаз(Источник: составлено автором)139Для смесей азот-н-бутан зависимость констант равновесия азота оттемпературы представлена на рисунке 2.33. Нами установлено, что кривыеравновесия при давлениях свыше 0,101 МПа имеют точки максимума в интервалетемператур от минус 17 °С (при давлении 0,2 МПа, kмакс = 277,7) до минус 25 °С(при давлении 5 МПа, kмакс = 11,97).Рисунок 2.33 – Зависимость констант равновесия азота от температуры приразличных давлениях и содержании азота в смесях азот-н-бутан:красным маркером отмечены максимумы кривых K(t)(Источник: составлено автором)Исследование равновесия трех- и четырехкомпонентных систем, состоящихиз азота, метана, этана и пропана, выявило, что данные смеси также имеютобласти равновесного сосуществования двух жидких и одной паровой фаз.Частичная растворимость компонентов трех- и четырехкомпонентных систем140следует из частичной растворимости пар азот-этан и азот-пропан.
Метан образуетвзаимно растворимые бинарные смеси как с азотом, так и с этаном и пропаном.Экспериментальныеданные,доказывающиесуществованиедвухнесмешивающихся слоев жидкости в трехкомпонентных смесях азота с метаном иэтаном приведены в работе [79].Для исследования фазового равновесия в трехкомпонентных системах былавыбрана смесь азот-метан-пропан. Исследованные комбинации составов смесейпредставлены в таблице 2.2 Изменения в составе компонентов смесипроизводились с шагом 0,1.Таблица 2.2 – Исследованные молярные составы смесей азот-метан-пропанСодержание азота0,10,20,30,40,50,60,70,8Содержание метана (С1) и пропана (С3)С1С3 С1 С 3 С1 С3 С1 С3 С1 С3 С1 С3 С1 С3 С1 С30,1 0,8 0,1 0,7 0,1 0,6 0,1 0,5 0,1 0,4 0,1 0,3 0,1 0,2 0,1 0,10,2 0,7 0,2 0,6 0,2 0,5 0,2 0,4 0,2 0,3 0,2 0,2 0,2 0,10,3 0,6 0,3 0,5 0,3 0,4 0,3 0,3 0,3 0,2 0,3 0,10,4 0,5 0,4 0,4 0,4 0,3 0,4 0,2 0,4 0,10,5 0,4 0,5 0,3 0,5 0,2 0,5 0,10,6 0,3 0,6 0,2 0,6 0,10,7 0,2 0,7 0,10,8 0,1Источник: составлено авторомПри расчетах фазового равновесия по уравнению состояния (2.5) быливыявлены такие составы смесей, для которых при определенных термобарическихусловиях наблюдается расслоение жидкой фазы.
Об этом также свидетельствуютперегибы на кривых кипения в области критической точки азота. На рисунке 2.34141представлены кривые фазового равновесия для трехкомпонентной смеси азотметан-пропан с фиксированным мольным содержанием азота 0,2 и различнымисочетаниями долей метана и пропана. Из диаграммы видно, что кривые кипениясмеси с содержанием азота 0,2, метана 0,1 и пропана 0,7 (смесь 0,2:0,1:0,7); смеси0,2:0,2:0,6 и смеси 0,2:0,3:0,5 имеют точки перегиба в интервале температур отминус 130 °С до минус 150 °С. Как показали исследования бинарных смесей азотэтан и азот-пропан, перегибы на кривых кипения вблизи критической точки азотасвидетельствуютоналичиитрехфазнойсистемы,состоящейиздвухнесмешивающихся жидких фаз и газовой фазы.
Составы смесей, для которыхопределяется трехфазная область, выделены в таблице 2.2 красным цветом.Анализ таблицы 2.2 позволяет сделать вывод о том, что увеличение доли азота всмеси ведет к расслоению жидкой фазы. Аналогичное явление можно наблюдатьпри содержании азота 0,2 и 0,3, но при увеличении доли пропана свыше 0,5 и 0,2соответственно. При содержании азота в смеси на уровне 10 % мол. для любыхсочетаний долей метана и пропана расслоение жидкой фазы не наблюдается.142Рисунок 2.34 – Р-Т диаграмма фазового равновесия смесей азот-метан-пропан:сплошные линии – кривые конденсации смесей; точечные линии – кривые кипениясмесей; над кривыми указан молярный состав смеси азот:метан:пропан;пунктирные линии – кривые насыщения чистых компонентов; пунктирная линияс маркерами – критическая линия(Источник: составлено автором)На рисунках 2.35 и 2.36 представлены полученные нами зависимостикоэффициентовфазовогоравновесиякомпонентовоттемпературывтрехкомпонентных смесях.
Для исследования были выбраны две смеси, одна изкоторых при определенных термобарических условиях может образовывать двежидких фазы, а другая – нет. На рисунке 2.35 представлены коэффициенты143фазового равновесия для смеси, содержащей 0,2 мольных доли азота, 0,2 метана и0,6 пропана (состав 0,2:0,2:0,6) для трех значений давления – 3, 5 и 7 МПа.Данные значения давлений широко используются при производстве СПГ.Рисунок 2.35 – Зависимость коэффициентов фазового равновесия азота, метана ипропана от температуры для смеси состава 0,2:0,2:0,6 и давлений 3 МПа(сплошные линии), 5 МПа (пунктирные линии) и 7 МПа (точечные линии)(Источник: составлено автором)На рисунке 2.36 представлена зависимость коэффициентов фазовогоравновесия компонентов от температуры для смеси, содержащей 0,6 мольныхдолей метана и по 0,2 мольных доли азота и пропана (состав 0,2:0,6:0,2), такжедля трех значений давления – 3, 5 и 7 МПа.144Рисунок 2.36 – Зависимость коэффициентов фазового равновесия азота, метана ипропана от температуры для смеси состава 0,2:0,6:0,2 и давлений 3 МПа(сплошные линии), 5 МПа (пунктирные линии) и 7 МПа (точечные линии)(Источник: составлено автором)Полученные нами результаты исследований показывают следующее.Распределение компонентов азота, метана и пропана между фазами взначительной мере зависит одновременно от состава трехкомпонентной смеси,давления и температуры.
При этом следует отметить, что наиболее значительноизменяетсякоэффициентфазовогоравновесияазота(значенияимеютмаксимальные величины), коэффициент фазового равновесия пропана изменяетсянезначительно, а коэффициент фазового равновесия метана, в основном,незначительно увеличивается.Для исследования четырехкомпонентных смесей нами были выбраны смеси,состоящие из азота, метана, этана и пропана. Изменение содержания каждого изкомпонентов производились от 0,1 до 0,7 с шагом 0,1. У части смесей при145определенных термобарических условиях также наблюдалось расслоение жидкойфазы. На рисунке 2.37 представлена часть кривых равновесия смесей сфиксированным содержанием азота 0,2. У смесей с содержанием азота 0,2, метана0,1, этана 0,1 и пропана 0,6 (смесь 0,2:0,1:0,1:0,6), а также смесей 0,2:0,1:0,2:0,5 и0,2:0,2:0,1:0,5 наблюдается перегиб или неопределенность вблизи от критическойточкиазота,свидетельствующийорасслоениижидкойфазы.Анализисследованных смесей показал, что с увеличением доли азота в смеси от 0,2 ивыше имеет место образование трехфазной системы, состоящей из двухнесмешивающихся жидких фаз и газовой фазы.
Увеличение доли этана оказываетменьшее влияние на расслоение жидкой фазы, чем увеличение доли пропана всмеси.Втаблице2.3приведеныисследованныенамисоставычетырехкомпонентных смесей. Рядом с названием компонента через двоеточиеуказано его содержание в смеси. Для этана (С2) и пропана (С3) содержание всмеси указано в столбцах таблицы. Красным цветом выделены составы, укоторых наблюдается образование трехфазной системы, у остальных составовсмесей расслоение жидкой фазы не определяется. Желтым цветом выделеныячейки, составы из которых использованы при построении Р-Т диаграммы нарисунке 2.37.146Таблица 2.3 – Исследованные молярные составы смесей азот-метан-этан-пропанАзот: 0,1Метан: 0,1 Метан: 0,2 Метан: 0,3 Метан: 0,4 Метан: 0,5 Метан: 0,6 Метан: 0,7С20,10,20,30,40,50,60,7С30,70,60,50,40,30,20,1С20,10,20,30,40,50,6С30,60,50,40,30,20,1С20,10,20,30,40,5С30,50,40,30,20,1С20,10,20,30,4С30,40,30,20,1С20,10,20,3С30,30,20,1С20,10,2С30,20,1Азот: 0,2С20,1С30,1Азот: 0,7Метан: 0,1 Метан: 0,2 Метан: 0,3 Метан: 0,4 Метан: 0,5 Метан: 0,6 Метан: 0,1С20,10,20,30,40,50,6С30,60,50,40,30,20,1С20,10,20,30,40,5С30,50,40,30,20,1С20,10,20,30,4С30,40,30,20,1С20,10,20,3С30,30,20,1С20,10,2С30,20,1С20,1Азот: 0,3С30,1С20,1С30,1Азот: 0,6Метан: 0,1 Метан: 0,2 Метан: 0,3 Метан: 0,4 Метан: 0,5 Метан: 0,1 Метан: 0,2С20,10,20,30,40,5С30,50,40,30,20,1С20,10,20,30,4С30,40,30,20,1С20,10,20,3С30,30,20,1С20,10,2С30,20,1С20,1С30,1Азот: 0,4С20,10,2С30,20,1С20,1С30,1Азот: 0,5Метан: 0,1 Метан: 0,2 Метан: 0,3 Метан: 0,4 Метан: 0,1 Метан: 0,2 Метан: 0,3С20,10,20,30,4С30,40,30,20,1С20,10,20,3С30,30,20,1С20,10,2С30,20,1Источник: составлено авторомС20,1С30,1С20,10,20,3С30,30,20,1С20,10,2С30,20,1С20,1С30,1147Рисунок 2.37 – Р-Т диаграмма фазового равновесия смесейазот-метан-этан-пропан: сплошные линии – кривые конденсации смесей; точечныелинии – кривые кипения смесей; над кривыми указан молярный состав смесиазот:метан:этан:пропан; пунктирные линии – кривые насыщения чистыхкомпонентов(Источник: составлено автором)Также нами была исследована зависимость констант фазового равновесиякомпонентов от температуры, давления и состава 4-хкомпонентной смеси.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
