天然气中甲烷及非烃组分混合物的汽液相平衡研究

摘要

天然气主要成分是甲烷，除此之外还含有其他烃类组分（乙烷、丙烷、丁烷等）以及各种非烃组分（氮气、氦气、二氧化碳、硫化氢和水等）。非烃组分是天然气中非常重要的组成部分。实现天然气中非烃组分与甲烷的分离，不仅可以提高天然气的利用效率，还可以产生附加的经济价值，对天然气的开发和利用具有重要的意义。而对天然气中的非烃组分进行分离的过程设计和优化涉及到相平衡的相关知识，因此，开展对天然气中甲烷和非烃组分的相平衡研究对天然气工业的发展具有重要意义。基于以上考虑，本文对甲烷和天然气中常见的非烃组分N2、CO2以及具有珍贵价值的Ar的混合物的汽液相平衡开展研究工作，主要研究内容有以下几部分：
　　(1)基于对现有文献的大量调研，将初期研究到近年来发表的可查阅的所有关于甲烷与非烃组分(N2、CO2、Ar)汽液相平衡研究的实验数据进行了汇总，并对前人的研究范围、实验方法以及理论计算方法等进行了总结，为后续的研究提供有力的指导。
　　(2)基于相平衡理论自行编写程序，采用四种状态方程(SRK,PR,PRSV,NM)和五种混合法则(vdW,HV,MHV1,MHV2,LCVM)建立模型，系统性地对所获取的大量的实验数据进行关联，对比分析了不同计算模型的预测能力。经比较发现：MHV1混合法则和PR状态方程对于天然气中不同类型的混合物在不同温度下的汽液相平衡均具有较高的关联精度，而其他混合法则(vdW，HV，MHV2，LCVM)和状态方程(SRK，PRSV，NM)则具有一定的局限性。与此同时，在相平衡计算的基础上，利用获取的模型参数对甲烷和非烃组分的热力学性质进行深入的分析与讨论。另外还对天然气中混合物的临界点进行了研究，给出了能够精确预测甲烷和非烃组分混合物临界点的经验法，并对不同的混合体系给出了优化的模型参数。
　　(3)本文对原有实验装置存在的问题进行了深入的剖析，在此基础上提出了改进措施：采用自制的循环泵代替原来的液相泵、改进保温方法以及减小排空管路段的死体积，从而提高了实验装置的可靠性和实验效率。用改进后的实验装置获取了甲烷和氩气在95K～135K温度范围内的相平衡实验数据(此温区的相平衡数据对于甲烷和氩气的低温分离操作的设计和优化具有非常重要的作用)，并用相平衡物理模型对其二元混合物的热力性能进行了详细的分析与讨论，为后续的研究提供可靠的基础。

目录

声明

主要符号表

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 甲烷与非烃组分混合物的汽液相平衡研究进展

1.3 本文的主要工作

第2章 汽液相平衡理论及计算模型

2.1 相平衡判据

2.2 状态方程

2.3 活度系数模型

2.4 混合法则

2.5 逸度系数

2.6 本章小结

第3章 甲烷与非烃组分混合物的汽液相平衡计算与分析

3.1 汽液相平衡计算模型比较

3.2 甲烷与非烃组分混合体系热力学性质的计算和分析

3.3 甲烷与非烃组分混合体系临界点的预测

3.4 本章小结

第4章 甲烷与氩气汽液相平衡实验研究

4.1 原有的汽液相平衡实验装置

4.2 实验装置改进部分

4.3 改进后的实验装置

4.4 实验装置不确定度分析

4.5 实验步骤

4.6 实验内容与测量结果

4.7 实验结果分析

4.8 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 主要结论

5.2 研究展望

参考文献

致谢

附录

攻读硕士期间取得的成果