تخمين خواص ترموديناميكي گازهاي سبك فرآيندي در صنعت نفت و گاز با استفاده از يك معادله حالت جديد و كاربردي

Estimation of Light Process Gases Thermodynamic Properties in Oil and Gas Industry Using a New Applicable Equation of State

در اين مطالعه معادلات حالت مختلف تجربي، تيوري و شبه تيوري براي سيالات انتخابي متفاوت مورد بررسي قرار گرفته‌اند و صحت اين معادلات جهت تخمين خواص ترموديناميكي سيالات انتخابي در مقايسه با داده‌هاي تجربي مورد سنجش قرار گرفته‌است. همچنين يك معادله حالت جديد از معادله شبه تيوري محمديخواه- ابوالقاسمي- محبي استخراج و معرفي شده است. اين معادله حالت شبيه معادله حالت ويريال 3 جمله اي بسيار ساده و كاربردي است و مي‌توان روابط ترموديناميكي مورد نظر را از آن به‌صورت تحليلي استخراج نمود. نتايج نشان مي‌دهند كه مي‌توان از معادله حالت جديد تا فشار 300 بار با دقت بالا جهت استخراج خواص ترموديناميكي گازهاي سبك استفاده نمود. همچنين دقت معادله حالت جديد در نزديكي نقطه بحراني از ديگر مزيت‌هاي اين معادله است. معادله پيشنهادي خواصي نظير ضريب تراكم‌پذيري، آنتالپي، آنتروپي و ضريب فوگاسيته گاز‌هاي سبك را با دقت مناسبي پيش‌بيني مي‌كند كه از آن مي‌توان در طراحي‌هاي عرصه نفت و گاز به‌راحتي استفاده كرد؛ زيرا يك رابطه تحليلي ساده و چند جمله‌اي را براي بيان اين خواص معرفي مي‌كند. نتايج اين تحقيق نشان داده است كه معادلات حالت مفروض دقت خوبي در پيش‌بيني آنتالپي و آنتروپي سيالات خالص در فشار‌هاي اتمسفري و بالاتر دارند؛ بجز براي نرمال بوتان كه مقدار خطا زياد بوده است ولي اين معادلات در نزديكي نقطه بحراني در فشار‌هاي پايين و بالا دقت كافي را ندارند. همچنين نتايج اين مطالعه توافق خوب داده‌هاي محاسباتي توسط اين معادلات را جهت تخمين ضريب تراكم پذيري سيالات انتخابي با داده‌هاي تجربي نشان داده‌اند و استفاده از معادله حالت لي- كسلر را جهت تخمين ضريب تراكم‌پذيري سيالات خالص پيشنهاد مي‌كند؛ ضمن اين‌كه ضرورت ارايه معادله حالت دقيق‌تر، جامع‌تر و ساده‌تري را بيان مي‌كند كه منجر به معرفي معادله جديد شده است. همچنين جهت محاسبه خواص ترموديناميكي آنتالپي و آنتروپي در فشارهاي كم معادله حالت سوآ – ردليچ - كوانگ پيشنهاد شده است؛ زيرا كم‌ترين خطا را از خود نشان داده است.

In this study various empirical, theoretical and semi-theoretical equations of state are investigated and the accuracy of these equations for predicting thermodynamic properties of simple fluids is evaluated in comparison to experimental data. Moreover, a new equation of state is derived from Mohammadikhah-Abolqasemi-Mohebbi semi-theoretical equation. Similar to trinomial virial equation of state, this equation is very simple and applicable and can analytically be used for derivation of thermodynamic relationships like fugacity coefficient, compressibility factor, residual enthalpy and entropy. Results show that the new equation is practical to predict thermodynamic properties of simple gases for pressures below 300 bars. Furthermore, the equation is applicable near the critical point, as an advantage. Advantageously, the equation gives us some analytical relations (polynomial form versus M) for predicting compressibility factor, fugacity coefficient, residual enthalpy and entropy with high accuracy to be used in every process design involving simple gases. The results of this research show that typical equations of state have good accuracy for predicting enthalpy and entropy of pure simple fluids under atmospheric pressure and slightly higher pressures, except for n-butane with considerable error, but they do not have enough accuracy near the critical point. The results show there is good agreement between calculated compressibility factors of simple fluids with experimental data. Finally, the Lee-Kesler equation of state is proposed for compressibility factor prediction of pure fluids under high pressures. This study represents the need for derivation of a new accurate and comprehensive equation of state, which would be simpler and analytically applicable over wide range of pressures. The Soave-Redlich-Kwong equation of state is recommended for calculating thermodynamic properties including enthalpy and entropy in low to moderate pressures.