Эффект Джоуля – Томсона

Расширение газа при прохождении через так называемый дроссель – местное гидравлическое сопротивление (вентиль, кран, сужение трубопровода и т.п.), сопровождающееся изменением температуры носит название – дросселирование. Этот термодинамический процесс характеризуется постоянством энтальпии (Н = const).

Если во время расширения газа не совершается работа и не подводится и не отводится тепло, то этот процесс происходит при постоянной энтальпии. Однако изменение потенциальной энергии взаимодействия молекул реального газа с изменением расстояний между ними приводит к изменению кинетической энергии хаотического теплового движения молекул, т. е. к изменению температуры газа. Расширение газа без изменения количества теплоты происходит при постоянной энтальпии Н.

В частности, при движении флюидов через пористую среду из-за их адиабатического расширения и влияния дроссельного процесса возникают различного рода термические эффекты. Например, адиабатическое расширение флюидов ( жидкость, газ) сопровождающееся понижением температуры в меньшей степени оказывает влияние на температурные изменения в пласте и на забое работающей скважины ввиду большой теплоёмкости С_ргорных пород, а дроссельный процесс вызывает значительные температурные изменения на забое работающей скважины.

Эффектом Джоуля - Томсона называется изменение температуры реального газа в процессе его расширения. При охлаждении газа эффект считается положительным, при нагревании его - отрицательным.

Изменение температуры при снижении давления на 0,1 МПа (1 кгс/см²) называется коэффициентом Джоуля - Томсона. Этот коэффициент изменяется в широких пределах и может иметь положительный или отрицательный знак.

Различают дифференциальный и интегральный коэффициент Джоуля Томсона.

Дифференциальный эффект коэффициента Джоуля - Томсона, выражающийся через абсолютные параметры состояния газа

(15)

т. е. коэффициент Джоуля - Томсона равен частной производной от температуры по объёму при постоянной внутренней энергии.

Из уравнения (15) видно, что коэффициент Джоуля-Томсона состоит из двух слагаемых:

- охлаждение за счёт адиабатического расширения;

- нагревание вещества при движении за счёт сил трения.

Изменение температуры газа в процессе изоэнтальпийного расширения при значительном перепаде давления на дросселе называется интегральным дроссель эффектом. Это изменение определяется из соотношения следующего вида:

(16)

или из энтальпийных диаграмм.

Приближённо конечную температуру природного газа в процессе дросселирования можно рассчитать по выражению следующего вида

(17)

где

Для реальных газов коэффициент Джоуля Томсона получается из уравнения (14) и уравнения состояния

(18)

где - показатель адиабаты.

Как видно из уравнения (18) что если:

- положительно то< 0 и газ при дросселировании охлаждается;

- отрицательно, то> 0 и газ при дросселировании нагревается;

=0 то= 0 и газ имеет инверсии и кривая точек инверсии соответствует линии поворота сетки графиковкоэффициента сверхсжимаемости углеводородных газов (см. нижнюю часть линий на рис.2 , лекция 5).

Фрагмент графической зависимости приведен на рисунке 6.

Рисунок 6 Фрагмент графической зависимости коэффициента сверхсжимаемости Z природных газов от приведенных давления и температуры.

Как видно из рисунка 6, значения температуры и давления инверсии высокие, что в большинстве случаев вызывает эффект охлаждения газа при его движении из пласта в скважину.

Следует заметить, что зависимость изменения температур от перепада давления для конкретного дроссельного процесса можно определить графическим способом из энтальпийной диаграммы (см. рис. 5).

Дифференциальные коэффициента Джоуля Томсона определяются при различных значениях давления Р как производные функции Т = f (Р) для данного значения давления и они обычно возрастают по мере падения давления.

Интегральный коэффициент Джоуля-Томсона для природного газа изменяется в пределах от 2 до 4 К/МПа в зависимости от состава газа, падения давления и начальной температуры газа. Для приближенных расчётов среднее значение коэффициента Джоуля - Томсона принимают равным 3 К/МПа. Для жидкостей справедливо следующее соотношение

и поэтому при дросселировании они нагреваются. Для наибольшего снижения температуры газа в штуцере необходимо производить удаление жидкости из газового потока до его поступления в штуцер. Интегральный коэффициент Джоуля – Томсона для нефти изменяется в пределах от 0,4 до 0,6 К/МПа а для воды он составляет 0,235 К/МПа.