RU2768242C1 - Method of determining gas compressibility factor - Google Patents
Method of determining gas compressibility factor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2768242C1 RU2768242C1 RU2021106102A RU2021106102A RU2768242C1 RU 2768242 C1 RU2768242 C1 RU 2768242C1 RU 2021106102 A RU2021106102 A RU 2021106102A RU 2021106102 A RU2021106102 A RU 2021106102A RU 2768242 C1 RU2768242 C1 RU 2768242C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gas
- pressure
- dependence
- compressibility factor
- determining
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
Abstract
Description
Изобретение относится к методам спектроскопии и может быть использовано для определения коэффициента сжимаемости газа.The invention relates to spectroscopy methods and can be used to determine the gas compressibility factor.
Известен способ определения коэффициента сжимаемости газа с помощью газового перепуска (Burnett E.S. J.Appl. Mech. Trans. ASME 1936, 58, A146; Hoover A.E. Determination of Virial Coefficients by the Burnett Method // Journal of Chemical and Engineering Data, Vol. 9, No. 4, 1964, p. 568-573), выбранный в качестве аналога. Задачей способа является определение коэффициента сжимаемости газа Ζ в уравнении, описывающем состояние газа:A known method for determining the coefficient of compressibility of a gas using a gas bypass (Burnett ESJAppl. Mech. Trans. ASME 1936, 58, A146; Hoover AE Determination of Virial Coefficients by the Burnett Method // Journal of Chemical and Engineering Data, Vol. 9, No. 4, 1964, pp. 568-573), selected as an analogue. The objective of the method is to determine the gas compressibility factor Ζ in the equation describing the state of the gas:
где Ρ - давление газа, V - объем газа, n - количество молей газа, R - универсальная газовая постоянна, Τ - температура газа, Ζ - коэффициент сжимаемости газа, зависящий от давления.where Ρ is the pressure of the gas, V is the volume of the gas, n is the number of moles of the gas, R is the universal gas constant, Τ is the temperature of the gas, and Ζ is the pressure-dependent compressibility of the gas.
Способ заключается в выполнении следующих действий (фиг. 1):The method consists in performing the following actions (Fig. 1):
- термостатирование экспериментальной установки при заданной температуре в термостате 1;- temperature control of the experimental setup at a given temperature in
- откачка объемов 6а) и б) вакуумным насосом через вентиль 4;- pumping out
- заполнение объема 6а) исследуемым газом через открытый вентиль 2, фиксация давления в емкости 6 по датчику давления 5;- filling the
- открытие вентиля 3, перепуск газа в объем 6б), фиксация давления в объемах 6а) и б);- opening
- закрытие вентиля 3, откачка объема 6б) вакуумным насосом через вентиль 4;-
- повторение процедуры перепуска газа до достижения минимально измеряемого давления.- repeating the gas bypass procedure until the minimum measured pressure is reached.
При перепуске газа из объема 6а) в заранее отвакуумированный объем 6б), уравнение (1) можно записать как:When gas is bypassed from
до перепуска:before bypass:
после перепуска:after bypass:
Поскольку объем V2 был изначально откачан, то количество газа до перепуска и после перепуска не изменилось, т.е. n1=n2. Разделив уравнение (3) на уравнение (2) получим:Since the volume V 2 was initially pumped out, the amount of gas before the bypass and after the bypass did not change, i.e. n 1 =n 2 . Dividing equation (3) by equation (2) we get:
где величина (V1+V2)/V1 всегда постоянна и называется аппаратной константой N.where the value (V 1 +V 2 )/V 1 is always constant and is called the hardware constant N.
Таким образом, после первого перепуска можно записать:Thus, after the first bypass, we can write:
после второго:after the second:
после третьего:after the third:
Подставляя выражение (7) в (6), а результат в (5), получим:Substituting expression (7) into (6), and the result into (5), we get:
Таким образом, для количества перепусков, равного i, можно записать:Thus, for the number of bypasses equal to i, we can write:
Из выражения (9) можно найти зависимость коэффициента сжимаемости Ζ от давления:From expression (9) one can find the dependence of the compressibility factor Z on pressure:
Недостатком аналога является то, что для определения коэффициента сжимаемости требуется учитывать большое количество измеренных величин: объем (аппаратная константа), начальное давление, коэффициент сжимаемости при начальном давлении. Каждая из этих величин вносит свой вклад в погрешность определения коэффициента Ζ. Кроме того, при использовании данного способа невозможно избавиться от влияния таких процессов как адсорбция и десорбция газа стенками сосуда, что приводит к изменению концентрации газа в объеме при проведении измерений (т.е. предпосылка о равенстве количества газа до перепуска и после перепуска не совсем верна). Влияние адсорбции и десорбции также приводит к увеличению погрешности.The disadvantage of analog is that to determine the compressibility factor, it is necessary to take into account a large number of measured values: volume (hardware constant), initial pressure, compressibility factor at initial pressure. Each of these quantities contributes to the error in determining the coefficient Z. In addition, when using this method, it is impossible to get rid of the influence of such processes as adsorption and desorption of gas by the walls of the vessel, which leads to a change in the gas concentration in the volume during measurements (i.e., the assumption that the amount of gas before bypass and after bypass is not entirely correct ). The influence of adsorption and desorption also leads to an increase in the error.
Известна статья «Количественный анализ газовых сред методом спектроскопии комбинационного рассеяния света» (Аналитика и контроль, №3-4, 1998 г. Бажанов Ю.В. и др), выбранная в качестве прототипа. В данной работе для определения относительной концентрации газов в газовой смеси используется спектроскопия комбинационного рассеяния света. При облучении газовой смеси излучением лазера в спектре рассеянного излучения регистрируются дополнительные пики, соответствующие тому или другому газу. Интенсивность зарегистрированных пиков прямо пропорциональна концентрации газа:Known article "Quantitative analysis of gaseous media by Raman spectroscopy" (Analytics and Control, No. 3-4, 1998 Bazhanov Yu.V. and others), selected as a prototype. In this work, Raman spectroscopy is used to determine the relative concentration of gases in a gas mixture. When a gas mixture is irradiated with laser radiation, additional peaks corresponding to one or another gas are recorded in the spectrum of scattered radiation. The intensity of the recorded peaks is directly proportional to the gas concentration:
где I - интенсивность зарегистрированного пика комбинационного рассеяния, s - коэффициент пропорциональности, n - концентрация молекул газа в фиксированном объеме.where I is the intensity of the registered Raman peak, s is the proportionality factor, n is the concentration of gas molecules in a fixed volume.
Недостатком прототипа является то, что в данном методе требуется определять объем, занимаемый газом, а это влияет на погрешность и точность измерения объема. Также концентрация газа определяется не в абсолютных единицах (моль/м3), а в относительных (определяется мольная доля газов в смеси, выраженная в процентах).The disadvantage of the prototype is that in this method it is required to determine the volume occupied by the gas, and this affects the error and accuracy of volume measurement. Also, the gas concentration is determined not in absolute units (mol / m 3 ), but in relative ones (the mole fraction of gases in the mixture is determined, expressed as a percentage).
Задача предлагаемого способа заключается в повышении точности определении коэффициента сжимаемости газа Ζ с одновременным упрощением способа.The objective of the proposed method is to improve the accuracy of determining the gas compressibility factor Ζ while simplifying the method.
Технический результат, достигаемый при использовании настоящего способа, заключается в следующем:The technical result achieved using the present method is as follows:
- повышение точности измерений за счет исключения операции определения объема, занимаемого газом;- increasing the accuracy of measurements by eliminating the operation of determining the volume occupied by gas;
- упрощение процедуры проведения измерений.- simplification of the measurement procedure.
Для решения указанной задачи и достижения технического результата заявляется способ определения коэффициента сжимаемости газа методом спектроскопии комбинационного рассеяния света. Способ заключается в определении зависимости интенсивности излучения от давления газа. По полученным данным строят графическую зависимость и по линейному участку, соответствующему поведению идеального газа, определяют коэффициент пропорциональности, связывающий интенсивность излучения и плотность газа. Коэффициент пропорциональности используют для определения зависимости коэффициента сжимаемости от давления газа в каждой экспериментальной точке, по которой определяют плотность газа при заданном давлении.To solve this problem and achieve a technical result, a method is claimed for determining the gas compressibility factor by Raman spectroscopy. The method consists in determining the dependence of the radiation intensity on the gas pressure. According to the data obtained, a graphical dependence is built and, according to the linear section corresponding to the behavior of an ideal gas, a proportionality coefficient is determined that relates the radiation intensity and the gas density. The proportionality factor is used to determine the dependence of the compressibility factor on the gas pressure at each experimental point, which determines the density of the gas at a given pressure.
Повышение точности измерений достигается за счет того, что для определения коэффициента сжимаемости не требуется определять объем, занимаемый газом. Соответственно погрешность измерения объема не влияет на конечный результат. Кроме того, поскольку плотность газа определяется непосредственно по интенсивности пика в спектре комбинационного рассеяния света, то на результат измерений не влияют такие факторы как адсорбция и десорбция газа стенками сосуда, что также приводит к повышению точности выполняемых измерений.An increase in measurement accuracy is achieved due to the fact that in order to determine the compressibility factor, it is not necessary to determine the volume occupied by the gas. Accordingly, the volume measurement error does not affect the final result. In addition, since the gas density is determined directly from the intensity of the peak in the Raman spectrum, the measurement result is not affected by such factors as gas adsorption and desorption by the walls of the vessel, which also leads to an increase in the measurement accuracy.
Наличие только одного объема с газом, а также то, что при реализации данного способа присутствует только одна операция - увеличение давления газа в емкости, приводит к значительному упрощению процедуры проведения измерений.The presence of only one volume with gas, as well as the fact that when implementing this method there is only one operation - increasing the gas pressure in the tank, leads to a significant simplification of the measurement procedure.
На фиг. 1 представлена схема установки для определения коэффициента сжимаемости методом газового перепуска.In FIG. 1 shows a diagram of the installation for determining the compressibility factor by the gas bypass method.
На фиг. 2 представлена схема установки для определения коэффициента сжимаемости газа с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния света.In FIG. 2 is a diagram of a setup for determining the compressibility factor of a gas using Raman spectroscopy.
На фиг. 3 представлена полученная зависимость интенсивности пика Q1(1) в спектре водорода от давления.In FIG. Figure 3 shows the dependence of the intensity of the peak Q 1 (1) in the hydrogen spectrum on pressure.
На фиг. 4 представлен начальный линейный участок зависимости, по которому определяется коэффициент пропорциональности.In FIG. 4 shows the initial linear section of the dependence, which is used to determine the proportionality coefficient.
На фиг. 5 представлена линейная зависимость плотности газа от интенсивности пика в спектре,In FIG. 5 shows the linear dependence of the gas density on the intensity of the peak in the spectrum,
На фиг. 6 представлена зависимость коэффициента сжимаемости водорода от давления, определенная по (14)In FIG. 6 shows the dependence of the hydrogen compressibility factor on pressure, determined by (14)
На фиг. 1 и 2 приняты следующие обозначения: 1 - термостат, 2-4 - вентиль ручной, 5 - датчик давления, 6 (а, б) - емкости с известными объемами (фиг. 1), 6 - емкость (фиг. 2), 7 - оптический зонд, 8 - оптическое волокно для передачи излучения.In FIG. 1 and 2, the following designations are accepted: 1 - thermostat, 2-4 - manual valve, 5 - pressure sensor, 6 (a, b) - containers with known volumes (Fig. 1), 6 - container (Fig. 2), 7 - optical probe, 8 - optical fiber for radiation transmission.
Заявляемый способ (фиг. 2) включает проведение следующих операций:The inventive method (Fig. 2) includes the following operations:
- термостатирование емкости 6 при заданной температуре в термостате 1 и ее откачка через вентиль 3;- temperature control of
- заполнение емкости 6 исследуемым газом через вентиль 2, закрытие вентиля 4;- filling the
- регистрация спектра комбинационного рассеяния света при заданном давлении с помощью установленного в емкости оптического зонда 7 и оптических волокон 8;- registration of the spectrum of Raman scattering of light at a given pressure with the help of an
- открытие вентиля 4, увеличение давления в емкости 6;- opening the
- повторная регистрация спектра при фиксированном давлении до достижения максимально возможного давления.- re-registration of the spectrum at a fixed pressure until the maximum possible pressure is reached.
При давлении газа до 5 МПа коэффициент сжимаемости ≈1, таким образом, состояние газа можно описать уравнением состояния идеального газа:At gas pressures up to 5 MPa, the compressibility coefficient is ≈1, so the state of the gas can be described by the equation of state for an ideal gas:
где Ρ - давление газа, ρ - плотность газа (ρ=n/V), R - постоянная Больцмана, Τ - температура газа.where Ρ is the gas pressure, ρ is the gas density (ρ=n/V), R is the Boltzmann constant, Τ is the gas temperature.
Исходя из (12) можно вычислить плотность газа ρ, для каждой экспериментальной точки, полученной при низких давлениях (до 5 МПа). С учетом (11) можно определить коэффициент пропорциональности, который связывает плотность газа и интенсивность пика в спектре комбинационного рассеяния. Такая калибровка позволяет определять по интенсивности пика комбинационного рассеяния непосредственно плотность газа (моль/м3). После этого уравнение (1) можно переписать как:Based on (12), one can calculate the gas density ρ for each experimental point obtained at low pressures (up to 5 MPa). Taking into account (11), one can determine the proportionality coefficient that relates the gas density and the peak intensity in the Raman spectrum. This calibration makes it possible to determine directly the gas density (mol/m 3 ) from the intensity of the Raman peak. After that, equation (1) can be rewritten as:
где Ρ - давление газа; k - коэффициент пропорциональности, связывающий плотность газа и интенсивность пика в спектре комбинационного рассеяния, I - интенсивность зарегистрированного пика в спектре комбинационного рассеяния, R - универсальная газовая постоянная, Τ - температура газа, Ζ - коэффициент сжимаемости газа, зависящий от давления. Таким образом, коэффициент Ζ определяется как:where P is the gas pressure; k is the proportionality coefficient relating the gas density and the intensity of the peak in the Raman spectrum, I is the intensity of the recorded peak in the Raman spectrum, R is the universal gas constant, Τ is the gas temperature, Ζ is the pressure-dependent gas compressibility factor. Thus, the coefficient Ζ is defined as:
Автором разработан и экспериментально проверен способ определения коэффициента сжимаемости газа методом спектроскопии комбинационного рассеяния света. При проверке использовалось следующее оборудование:The author has developed and experimentally tested a method for determining the gas compressibility factor by Raman spectroscopy. The following equipment was used during testing:
- камера тепла и холода с точностью поддержания заданной температуры ±0,1°С;- a heat and cold chamber with an accuracy of maintaining the set temperature of ± 0.1 ° С;
- два датчика давления, один с диапазоном измерений 0-10 МПа (относительная погрешность 0,025%), другой с диапазоном измерений 0-400 МПа (относительная погрешность 0,5%);- two pressure sensors, one with a measurement range of 0-10 MPa (relative error 0.025%), the other with a measurement range of 0-400 MPa (relative error 0.5%);
- твердотельный лазер с длиной волны 532 нм;- solid-state laser with a wavelength of 532 nm;
- монохроматор-спектрограф с охлаждаемой матрицей;- monochromator-spectrograph with a cooled matrix;
- оптический зонд, позволяющий проводить исследования газов при давлениях до 400 МПа.- optical probe, which allows to study gases at pressures up to 400 MPa.
В качестве объекта исследований был выбран водород (чистота 99,99 %).Hydrogen (purity 99.99%) was chosen as the object of research.
Полученная зависимость интенсивности пика Q1(1) в спектре водорода от давления представлена на фиг. 3 (при каждом значении давления регистрировалось 5 спектров комбинационного рассеяния света). Начальный линейный участок этой зависимости, по которому определяется коэффициент пропорциональности, связывающий плотность газа и интенсивность пика в спектре комбинационного рассеяния, представлен на фиг. 4.The dependence of the intensity of the peak Q 1 (1) in the hydrogen spectrum on pressure is shown in Fig. 3 (at each pressure value, 5 Raman spectra were recorded). The initial linear section of this dependence, which is used to determine the proportionality coefficient relating the gas density and the peak intensity in the Raman spectrum, is shown in Fig. 4.
Линейная зависимость плотности газа от интенсивности пика в спектре, угол наклона которой определяется коэффициентом пропорциональности (определенным по графику на фиг. 4), представлена на фиг. 5.The linear dependence of the gas density on the intensity of the peak in the spectrum, the slope of which is determined by the coefficient of proportionality (determined from the graph in Fig. 4), is shown in Fig. five.
Зависимость коэффициента сжимаемости водорода от давления, определенная по (14), представлена на фиг. 6. Относительная погрешность определения коэффициента сжимаемости не превышает 2 %.The dependence of the hydrogen compressibility factor on pressure, determined by (14), is shown in Fig. 6. The relative error in determining the compressibility coefficient does not exceed 2%.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2021106102A RU2768242C1 (en) | 2021-03-09 | 2021-03-09 | Method of determining gas compressibility factor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2021106102A RU2768242C1 (en) | 2021-03-09 | 2021-03-09 | Method of determining gas compressibility factor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2768242C1 true RU2768242C1 (en) | 2022-03-23 |
Family
ID=80819702
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2021106102A RU2768242C1 (en) | 2021-03-09 | 2021-03-09 | Method of determining gas compressibility factor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2768242C1 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20050061060A1 (en) * | 2003-07-15 | 2005-03-24 | Gysling Daniel L. | Apparatus and method for providing a density measurement augmented for entrained gas |
RU2478195C1 (en) * | 2011-09-16 | 2013-03-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие федеральный научно-производственный центр "Научно-исследовательский институт измерительных систем им. Ю.Е. Седакова" | Method of prompt determination of compressibility coefficient of gases and their mixtures |
RU2544264C1 (en) * | 2013-09-19 | 2015-03-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук (ИМКЭС СО РАН) | Method of gas analysis of natural gas |
RU2688886C1 (en) * | 2018-06-05 | 2019-05-22 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук | Method for gas analysis of natural gas |
-
2021
- 2021-03-09 RU RU2021106102A patent/RU2768242C1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20050061060A1 (en) * | 2003-07-15 | 2005-03-24 | Gysling Daniel L. | Apparatus and method for providing a density measurement augmented for entrained gas |
RU2478195C1 (en) * | 2011-09-16 | 2013-03-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие федеральный научно-производственный центр "Научно-исследовательский институт измерительных систем им. Ю.Е. Седакова" | Method of prompt determination of compressibility coefficient of gases and their mixtures |
RU2544264C1 (en) * | 2013-09-19 | 2015-03-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук (ИМКЭС СО РАН) | Method of gas analysis of natural gas |
RU2688886C1 (en) * | 2018-06-05 | 2019-05-22 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук | Method for gas analysis of natural gas |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
"Количественный анализ газовых сред методом спектроскопии комбинационного рассеяния света". Аналитика и контроль. Номер 3-4, 1998 г. Бажанов Ю.В. и др.. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8139222B2 (en) | Pressure controlled spectroscopic heating value sensor | |
Herzig et al. | An experimental set-up to analyse the oxygen consumption of elastomers during ageing by using a differential oxygen analyser | |
CN105765381B (en) | For the method and system for the gas concentration for measuring the gas of dissolving in a liquid | |
Avdeev et al. | The fibre optic reflectometer: A new and simple probe for refractive index and phase separation measurements in gases, liquids and supercritical fluids | |
US7996159B2 (en) | Gas detector system and method | |
JP2014527172A (en) | Apparatus and method for identifying refrigerant | |
RU2768242C1 (en) | Method of determining gas compressibility factor | |
RU2396540C2 (en) | Method of determining durability of construction materials under effect of aggressive factors and device for realising said method | |
Hagiwara et al. | Pressure measurement and detection of small H2O amounts in high‐pressure H2O–CO2 fluid up to 141 MPa using Fermi diad splits and bandwidths of CO2 | |
Prokopová et al. | Comments on temperature calibration and uncertainty estimate of the vibrating tube densimeter operated at atmospheric pressure | |
US8538717B2 (en) | Method of absorbance correction in a spectroscopic heating value sensor | |
Balabas et al. | Temperature dependence of the kinetics of irreversible escape of cesium atoms from a vapor phase into an antirelaxation coating | |
Al-Ghouti et al. | Determination of hydrogen content, gross heat of combustion, and net heat of combustion of diesel fuel using FTIR spectroscopy and multivariate calibration | |
Daudé et al. | On the gas dependence of thermal transpiration and a critical appraisal of correction methods for capacitive diaphragm gauges | |
RU2707986C2 (en) | Apparatus and method of investigating kinetics of chemical reactions and determining thermophysical properties of different compounds using gasometric method | |
US20150036715A1 (en) | Method for Determining A Volume Thermal Expansion Coefficient of A Liquid | |
Novitskiy et al. | A modified golden gate attenuated total reflection (ATR) cell for monitoring phase transitions in multicomponent fluids at high temperatures | |
Schlüter et al. | Gas sensor for volatile anesthetic agents based on Raman scattering | |
Zhuravleva et al. | Study of thermal aging of mixture of transformer insulating liquids | |
Ninenko et al. | Setup for precision optical studies of supercritical fluids in a wide temperature range at high pressures up to 1 GPa | |
Barber et al. | A study of the volumetric and phase behavior of binary systems. Part I. Critical properties of propane‐perfluorocyclobutane mixtures | |
Schieferstein et al. | Sensor system for long-term analysis of fuel vapour restraint systems | |
Carroll et al. | Pressure Sensitive Paint response to a step pressure change | |
US3022422A (en) | Continuously operating analytical instruments | |
Filippas et al. | Precision measurements of gas refractivity by means of a Fabry–Perot interferometer illustrated by the monitoring of radiator refractivity in the DELPHI RICH detectors |