1. Определение коэффициента джоуля — томсона

Дросселирование — расширение газа при прохождении через дроссель — местное гидравлическое сопротивление (вентиль, кран, сужение трубопровода и т. д.), сопровождающееся изменением температуры. Дросселирование — термодинамический процесс, характеризующийся постоянством энтальпии (i = соnst)

В процессе дросселирования реального природного газа при его движении через штуцер, задвижку, регулятор давления, клапан-отсекатель, колонны труб в скважине, не плотности в оборудовании промыслов температура газа уменьшается.

Изменение температуры газов и жидкостей при изоэнтальпийном расширении называется эффектом Джоуля— Томсона, а μ_i часто называют коэффициентом Джоуля — Томсона:

(1)

Остаточный объем газа V₀ есть разность между объемами идеального (RТ/P) и реального (V) газов:

(2)

где

Дифференцируя уравнение (2) по Т при P = соnst и подставляя результат дифференцирования и V из (2) в (1), получим:

К/МПа (3)

или

(4)

где обобщенная функция коэффициента Джоуля-Томсона:

(5)

Значение функции f(P_пр,T_пр) можно определить по зависимости f(P_пр,T_пр) от приведенных абсолютных давления P_пр и температуры Т_пр (рис.) или рассчитать с погрешностью менее 7 % по корреляционной зависимости Гухмана и Нагаревой:

(6)

при 1,6<T_пр<2,1 и 0,8<P_пр<3,5.

Для реальных природных газов коэффициент Джоуля—Томсона можно выразить через коэффициент сверхсжимаемости газа z:

(7)

(дz/дТ)_р можно определить из уравнения состояния реальных природных газов, например из уравнения состояния Пенга—Робинсона.

Если (дz/дТ)>0, μ_i >0, то газ в процессе дросселирования охлаждается. При (дz/дТ)_р<0, μ_i <0 газ в процессе расширения нагревается. В случае, если (дz/дТ)_р = 0, μ_i=0, имеем точку инверсии. В большинстве случаев газ в процессе дросселирования охлаждается, а жидкость нагревается.

Определив С_р, можно найти коэффициент адиабаты природных газов k по формуле:

Обработка результатов исследование некоторых газов показала, что вычитаемое в знаменателе можно выразить так:

тогда

(8)

Изменение температуры газа (жидкости) в процессе изоэнтальпийного расширения при значительном перепаде давления на дросселе называется интегральным дроссель эффектом. Он может вычисляться из соотношения

, (9)

или определяться по энтальпийным номограммам (рис.).

Приближенно конечную температуру газа в процессе дросселирования можно определить по формуле

(10)

где

Среднее значение коэффициента Джоуля—Томсона для природного газа изменяется от 2 до 4 К/МПа в зависимости от состава газа, падения давления и начальной температуры газа.

2. Изоэнтропийный процесс

В случае изоэнтропийного процесса газовый поток при своем расширении совершает внешнюю работу в детандере.

Дифференциальный эффект изменения температуры при изоэнтропийном расширении:

т.е. дифференциальный коэффициент изменения температуры при изоэнтропийном расширении газа всегда больше аналогичногокоэффициента при изоэнтальпийном расширении газа.

Следовательно, использование в промысловых условиях изоэнтропийного расширения газа позволяет более эффективно использовать пластовую энергию природного газа.

Изменение температуры газа при адиабатическом изоэнтропийном расширении газа:

(11)

Т_i, Р_i - температуры и давления до и после расширения, К, Па;

k – показатель адиабаты.