Способ определения плотности гидратов Российский патент 2023 года по МПК G01N9/36 

Изобретение относится к способам определения плотности гидратов, необходимой при расчетах и проектировании технологий и техники нефтяной, газовой и химической промышленности.

Известен способ определения плотности гидратов, включающий установление молекулярных масс газов-гидратообразователей, их компонентного состава и молекулярных долей в гидрате, удельных объемов воды в гидратном состоянии, отношения числа молекул воды к числу молекул газа-гидратообразователя и расчет плотности по формуле [Макогон Ю.Ф. Гидраты природных газов. М.: Недра, 1974, 208 с.]:

где – молекулярная доля i-го газа-гидратообразователя в гидрате, – молекулярная масса газа-гидратообразователя; – удельный объем воды в гидратном состоянии, – отношение числа молекул воды к числу молекул i-го газа-гидратообразователя; – молекулярная масса воды.

К недостаткам известного способа необходимо отнести сложность установления молекулярных долей компонентов газов-гидратообразователей, вошедших в гидрат, а также удельного объема воды в гидратном состоянии. Для этого необходимо использовать прецизионную измерительную технику и высококвалифицированный персонал для ее обслуживания, что на практике весьма проблематично или невозможно.

Известен способ определения плотности гидратов, включающий установление молекулярной массы газа-гидратообразователя, степеней заполнения полостей кристаллических решеток гидратов структур КС-I и КС-II, характерного геометрического параметра элементарной ячейки гидрата, и расчет плотностей гидратов структур КС-I и КС-II, соответственно, по формулам [Saito S., Sadanaga K. On the nucleation of hydrate // Bulletin of Society of Sea Water Science, Japan. Vol. 20, 1966, P. 146-161]:

где ρ_I и ρ_II - плотности гидратов структур КС-I и КС-II, и M - молекулярные массы воды и газа-гидратообразователя; Q₁, Q₂ - степени заполнения газом полостей кристаллических решеток гидратов структур КС-I и КС-II; N - число Авогадро; h - характерный геометрический параметр элементарной ячейки кристаллической решетки гидрата.

К недостаткам известного способа необходимо отнести то, что определение по нему плотности гидратов дает расхождения ±10% для равновесного давления при температуре 273,16 K, при более высоких давлениях и температурах величины расхождений увеличиваются. Как следствие, это приводит к существенным неточностям в расчетах технологических процессов и конструкций аппаратов нефтяной, газовой и химической промышленности.

Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности и достигаемому результату является способ определения плотности гидратов, включающий установление молекулярной массы воды и газа-гидратообразователя, количества молекул водяного пара и i-ых компонентов газов-гидратообразователей, поглощенных большими и малыми полостями кристаллических решеток гидратных структур КС-I и КС-II, степеней заполнения полостей кристаллических решеток гидратов структур КС-I и КС-II, характерного геометрического параметра элементарной ячейки и расчет плотностей гидратов структур КС-I и КС-II по формулам [Запорожец Е.П., Шостак Н.А. Метод расчета параметров образования гидратов из многокомпонентных газов // Журнал физической химии. 2016. Т. 90. № 9. С. 1389-1395]:

где – молекулярные массы воды и i-го компонента газа-гидратообразователя; – количество молекул воды в кристаллических решетках гидратных структур КС-I и КС-II; , и , – соответственно, количество молекул водяного пара и i-го компонента газа, поглощенных большими и малыми полостями кристаллических решеток гидратных структур КС-I и КС-II; N – число Авогадро; k_I и k_II – число компонентов, заполняющих малые и большие полости кластеров кристаллических решеток гидратных структур КС-I и КС-II; h_I и h_II – характерные размеры ячеек кристаллических решеток гидратов структур КС-I и КС-II.

К недостаткам известного способа необходимо отнести то, что необходимо с высокой точностью определять величины характерного геометрического параметра элементарной ячейки кристаллических решеток гидратов структур КС-I и КС-II, входящего в расчетные формулы. От точности определения этого параметра зависит точность нахождения плотности гидратов и, соответственно, точность расчетов и качество проектирования технологий и техники нефтяной, газовой и химической промышленности.

Задачей предлагаемого изобретения является усовершенствование способа определения плотности гидратов.

Техническим результатом является повышение точности определения плотности гидратов.

Технический результат достигается тем, что в способе определения плотности гидратов, включающем установление количества поглощенных полостями гидратных структур КС-I и КС-II молекул водяного пара и газов-гидратообразователей, их молярных масс, характерного геометрического параметра элементарных ячеек этих структур и расчет величин плотностей гидратов по соответствующим формулам

где – плотности гидратов структур КС-I и КС-II, – молярные массы воды и газов-гидратообразователей; , и , – соответственно, количество поглощенных молекул водяного пара и i-ых компонентов газов-гидратообразователей гидратными структурами КС-I и КС-II; k_I и k_II – число газовых компонентов в гидратных структурах КС-I и КС-II; h_I и h_II – характерные размеры ячеек кристаллических решеток гидратов структур КС-I и КС-II; N – число Авогадро,

новым является то, что характерные размеры ячеек кристаллических решеток гидратов структур КС-I и КС-II, рассчитывают по зависимостям:

где X_i – мольная доля i-го компонента газа в гидрате; – коэффициенты, определяемые опытным путем, для газовых компонентов в кристаллических решетках гидратов структуры КС-I и КС-II; T – температура гидратообразования, K.

Кроме того, новым является то, что коэффициенты определены для следующих газов

Технический прием, заключающийся в том, что характерные размеры ячеек кристаллических решеток гидратов структур КС-I и КС-II, рассчитывают по зависимостям:

позволяет определять характерный размер ячеек кристаллических решеток гидратов структур КС-I и КС-II в зависимости от компонентного состава газов-гидратообразователей и температуры системы.

Численные значения коэффициентов определены для следующих компонентов газов-гидратообразователей

Авторам не известны способы определения плотности гидратов подобным образом.

Практическая реализация предлагаемого способа представлена примерами.

ПРИМЕР 1

Определяют плотность гидрата структуры КС-I следующим образом. Устанавливают количество поглощенных полостями молекул водяного пара

В гидрате содержатся газы-гидратообразователи в следующем соотношении:

Температура гидратообразования 273 K.

Производят расчет характерного геометрического параметра элементарных ячеек структуры:

Расчет величины плотности гидрата структуры КС-I осуществляют по соответствующей формуле:

ПРИМЕР 2

Определяют плотность гидрата структуры КС-II следующим образом. Устанавливают количество поглощенных полостями молекул водяного пара

Производят расчет характерного геометрического параметра элементарных ячеек структуры:

Расчет величины плотности гидрата структуры КС-I осуществляют по соответствующей формуле:

Изобретение относится к способам определения плотности гидратов, используемой для расчетов и проектирования технологий и техники нефтяной, газовой и химической промышленности. Способ определения плотности гидратов включает установление количества поглощенных полостями гидратных структур КС-I и КС-II молекул водяного пара и газов-гидратообразователей, их молярных масс, характерного геометрического параметра элементарных ячеек этих структур и расчет величин плотностей гидратов по формулам с учетом плотности гидратов структур КС-I и КС-II, молярных масс воды и газов-гидратообразователей, количества поглощенных молекул водяного пара и компонентов газов-гидратообразователей гидратными структурами КС-I и КС-II, числа газовых компонентов в гидратных структурах КС-I и КС-II, характерных размеров ячеек кристаллических решеток гидратов структур КС-I и КС-II. Характерные размеры ячеек кристаллических решеток гидратов структур КС-I и КС-II рассчитывают по зависимостям с учетом мольных долей каждого компонента газа в гидрате и коэффициентов, определяемых опытным путем, для газовых компонентов в кристаллических решетках гидратов структуры КС-I и КС-II, а также температуры гидратообразования. Техническим результатом является повышение точности определения плотности гидратов. 1 з.п. ф-лы, 2 табл., 2 пр.

1. Способ определения плотности гидратов, включающий установление количества поглощенных полостями гидратных структур КС-I и КС-II молекул водяного пара и газов-гидратообразователей, их молярных масс, характерного геометрического параметра элементарных ячеек этих структур и расчет величин плотностей гидратов по соответствующим формулам:

где и – плотности гидратов структур КС-I и КС-II, M_H2O и M_Gi – молярные массы воды и газов-гидратообразователей; , и , – соответственно, количество поглощенных молекул водяного пара и i-ых компонентов газов-гидратообразователей гидратными структурами КС-I и КС-II; k_I и k_II – число газовых компонентов в гидратных структурах КС-I и КС-II; h_I и h_II – характерные размеры ячеек кристаллических решеток гидратов структур КС-I и КС-II; N – число Авогадро,

отличающийся тем, что характерные размеры ячеек кристаллических решеток гидратов структур КС-I и КС-II рассчитывают по зависимостям:

где X_i – мольная доля i-го компонента газа в гидрате; , и – коэффициенты, определяемые опытным путем, для газовых компонентов в кристаллических решетках гидратов структуры КС-I и КС-II; T – температура гидратообразования, К.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что коэффициенты , и определены для следующих газов

Газ CH₄ 10^-6 2∙10^-4 11,817 C₂H₆ 5∙10^-7 5∙10^-4 11,856 CO₂ 2∙10^-6 2∙10^-4 11,811 Xe 2∙10^-6 10^-4 11,833 C₃H₈ 2∙10^-6 8∙10^-5 17,084 N₂ 2∙10^-6 8∙10^-5 17,075