Способ определения плотности гидратов
Владельцы патента RU 2787739:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВО "КубГТУ") (RU)
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.
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 ρI и ρII - 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; kI и kII – число компонентов, заполняющих малые и большие полости кластеров кристаллических решеток гидратных структур КС-I и КС-II; hI и hII – 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; kI и kII – число газовых компонентов в гидратных структурах КС-I и КС-II; hI и hII – 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 Xi – 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:
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, MH2O и MGi – 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; kI и kII – число газовых компонентов в гидратных структурах КС-I и КС-II; hI и hII – 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 Xi – 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 |
