什么是氣體的壓縮系數?
氣體壓縮系數Compressibility coefficient,也稱壓縮因子Compressibility factor。是實際氣體性質與理想氣體性質偏差的修正值。通常用Z表示,Z=Pv/RT=Pvm/RuT;Z也可以認為是實際氣體比容v(vactual)對理想氣體比容videal的比值;Z=vactual/videal;videal=RT/P 。其中,P是氣體的絕對壓力;vm是摩爾體積;Ru是通用氣體常數;R=Ru/M;R是氣體的摩爾氣體常數;T是熱力學溫度。Z偏離1越遠,氣體性質偏離理想氣體性質越遠。Z在實際氣體狀態方程中出現。凡在氣體流量的計算中必然要考慮壓縮系數。在壓力不太高、溫度較高、密度較小的參數范圍內,按理想氣體計算能滿足一般工程計算精度的需要,使用理想氣體狀態方程就可以了,此時壓縮系數等于1。但是在較高壓力、較低溫度或者要求高準確度計算,需要使用實際氣體狀態方程,在計量氣體流量時由于要求計算準確度較高,通常需要考慮壓縮系數。隨著對氣體狀態方程準確度要求提高,在百余年來實際氣體狀態方程出現了許多不同形式,對壓縮系數也有不同的表述。比較有名的是范德瓦爾狀態方程和維里狀態方程。 求得壓縮系數的方法: 1) 查表法,對比態參數在圖表上查得。已有的圖表是通過試驗對不同氣體測得P、v、T(分別是壓力、比容、溫度)數據和相應的臨界參數Pc、vc、Tc、計算得到對比參數Pr、vr、Tr繪制的Z--Pr、vr圖。Zc是固定的,如圖1,ZC固定為0.27。 圖 1 通用氣體壓縮系數,縱坐標Z,橫坐標是Pr¬ Pc是臨界壓力,Tc是臨界溫度,隨物質不同而不同;對比壓力Pr、對比溫度Tr根據測量的壓力、溫度和臨界壓力、溫度計算;Pr=P/Pc ;Tr=T/Tc;zc為臨界點處實際氣體的壓縮因子,稱為臨界壓縮因子。實驗表明,臨界壓縮因子zc數值相近的各種氣體,可以認為具有相似的熱力學性質,即在相同的對比壓力pr及對比溫度Tr下,它們的對比比體積vr的數值基本相同,都可以表示為vr=f(pr,Tr)。 對于臨界壓縮因子zc有相同數值的氣體,當它們的對比參數pr及Tr相同,即處于對應狀態時,它們壓縮因子z具有相同的數值。于是,如果把壓縮因子z隨狀態變化的實驗關系整理成z與對比參數pr及Tr的關系,并表示成如圖1所示的圖線,就可以用于所有具有相同臨界壓縮因子zc的氣體,直接按其狀態所對應的pr、Tr的值,由圖上查取該狀態下壓縮因子z的數值。因而這種表示z與pr、Tr關系的線圖稱為通用壓縮因子圖。 各種氣體臨界壓縮因子的數值大致在0.23~0.31的范圍內,而60%的烴類氣體的zc在0.27左右,故最常見的通用壓縮因子圖為zc=0.27的線圖。該圖也常用于zc不等于0.27的氣體的近似計算,當用于zc=0.26~0.28的各種氣體時,除臨界點附近的狀態外,所得z的數值的誤差小于5%。此外,對于一些沒有詳細物性數據的氣體,采用通用壓縮因子圖估算其狀態變化關系有很大的實用價值。如果在氣體的狀態變化范圍內,壓縮因子z的數值在0.95~1.05的范圍內,則可當作理想氣體處理。 在臨界壓縮因子zc數值相同的條件下,如果已知Tr及Pr,就可應用通用熱力性質圖查出相應的偏差來。在應用通用熱力性質圖時,應注意該圖的臨界壓縮因子zc的數值。顯然,使用非同組的壓縮因子圖,會帶來較大的誤差。 2) 計算法 根據維里狀態方程 其中,ω是對比密度,ω=ρ/ρc; τ是對比溫度,τ=T/Tc ;bi,j是維里系數, 對于空氣,bi,j使用下表,bi,j是維里系數 對于天然氣,按照 AGA8/1992 and ISO-12213-2/1997 ,天然氣的z系數計算
其中,ρm是天然氣的莫爾密度, ρr是對比密度, B是第二維里系數,Cn*是溫度從屬系數(emperature dependent coefficients),bn, cn 和kn是 ISO-12213-2/1997.給的狀態方程的參數,ρm是莫爾密度,ρr是對比密度;有關參數的計算比較復雜,請參閱 ISO-12213-2/1997. 3) 試驗法,按照實際使用的氣體,根據需要的誤差,選擇合適的狀態方程,進行試驗,得到自己需要的壓縮系數,是最準確的方法。 如果要求不太高,用查表法;如果要求高,用計算法或者查專門文獻及標準資料。
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