Apparent negative volume determination by predicting partial molar volumes of components in hydrocarbon gas mixtures
Hidrokarbon gaz karışımlarında bileşenlerin kısmi molar hacimlerini belirleyerek görünür negatif hacim saptanması
- Tez No: 558811
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ İBRAHİM METİN MIHÇAKAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Petrol ve Doğal Gaz Mühendisliği, Petroleum and Natural Gas Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Petrol ve Doğal Gaz Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 259
Özet
Hidrokarbon karışımları belirli koşullar altında orta ve/veya ağır molekül ağırlıklı bileşenlerce fakirleşme veya zenginleşme geçirdikleri durumlarda farklı hacim veya basınç davranışları gösterebilirler. Özellikle hidrokarbon gaz karışımları bu tür bir fakirleşmeye sabit hacimde uğradıklarında basınçlarında artış olabilmekte, sabit basınçta uğradıklarında ise hacimlerde azalma olabilmektedir. Bir başka deyişle, bir kuru gazın görece ağır moleküllerce zenginleşmesi durumunda karışımın hacminde azalma görülebilmekte, ya da hacim sabit ise basıncında azalma gözlenebilmektedir. Bu tür hacimsel davranışlar özellikle hidrokarbon gaz-yoğuşuk karışımlarında görülmekte ve“görünür negatif hacim”olarak anılmaktadır. Görünür negatif hacim kavramı ilk kez 1945 yılında öne sürülmüş ise de, günümüze dek pek iyi tanıtılamamış ve dolayısı ile ilgili mühendislik uygulamalarında kullanımı söz konusu olmamıştır. Halen yalnızca petrol ve gaz endüstrisi değil, kimya endüstrisi tarafından da bilinmemekte ve uygulama alnı bulamamaktadır. Bu çalışmanın en önemli amacı bu tanımın fiziksel anlamını ortaya koyabilmek, endüstriye ve literatüre katkı sağlayabilmektir. Görece ağır moleküllerce zengin hidrokarbon gaz karışımlarının sıkıştırılabilirlik (gaz sapma) faktörleri kuru veya bu tür moleküllerce fakir gazlara göre daha düşüktür. Hidrokarbon gazların (basınç altında) sıkıştırılabilirlikleri ile sıkıştırılabilirlik (gaz sapma) faktörleri arasında ters bir ilişki vardır. Eğer bir gazın ideal gazdan sapma miktarı yüksek ise o gazın sıkıştırılabilirliği, gaz sapma faktörü düşük olan benzer bir gaza göre daha düşük olur. Bunun sonucu olarak, orta ve/veya ağır moleküler ağırlıklı hidrokarbon bileşenlerce zengin olan hidrokarbon gazlar, fakir olanlara göre basınç altında daha fazla sıkıştırılabilir olmaktadırlar. Bu olgu yeraltı doğal gaz depolama uygulamalarında veya gaz-yoğuşuk haznelerinde (rezervuarlarında) üretim süreci ile birlikte hazne basıncı koruma uygulamalarında hem teknik hem de ekonomik açıdan yarar sağlayabilecek öneme sahip olabilmektedir. Dolayısı ile, özellikle metan gazının egemen olduğu hidrokarbon gaz-yoğuşuk karışımlarının oluşturduğu sistemlerde görünür negatif hacim olgusu büyük önem kazanabilecektir. Bu nedenle bu çalışmada metan gazı egemen gaz karışımlarında görünür negatif hacim oluşumunun niceliği ve koşulları iki ve üç bileşenli sistemler dikkate alınarak incelenmiştir. Belirli bir sıcaklıktaki metan egemen gaz-yoğuşuk karışımında görünür negatif hacim olgusunun varlığını ve bunun oluşum basınç düzeyini belirleyebilmek için, öncelikle arı (saf) metan gaz ile karışım gazının gaz sapma (sıkıştırılabilirlik) faktörünün bilinmesi gerekmektedir. Bunun için kullanılacak en etkin araç, uygun bir durum denklemi kullanmaktır. Bu çalışmada, hem saf (arı) gaz hem de gaz karışımlarının bazı fiziksel ve termodinamik özeliklerini belirlemede en güvenilir olarak görüldüğü için ilgili endüstrilerde yaygın olarak tercih edilen ve Peng-Robinson (PR) durum denklemi kullanılmıştır. PR durum denklemi ile saf metanın ve de öngörülen metan egemen gaz karışımlarının gaz sapma (sıkıştırılabilirlik) faktörleri belirli sıcaklıklarda farklı basınç değerleri için hesaplanmıştır. Böylece arı (saf) metan gazının belirli sıcaklık ve basınç koşullarındaki hacmi, elde edilen sıkıştırılabilirlik faktörü yardımı ile hesaplanmıştır. Bunun yanında, yine PR durum denklemi kullanılarak, gaz karışımları için de gaz sapma (sıkıştırılabilirlik) faktörü hesaplanmış ve benzer yoldan hacim belirlenmesi yapılmıştır. Peng-Robinson (PR) durum denklemi hidrokarbon gaz karışımlarının hacmini belirlemede kullanılırken, sistemi oluşturan moleküller arası çekme ve itme etkileşimi ile moleküllerin uzamsal geometrilerini de dikkate alındığından dolayı, elde edilen sonuçlar diğer durum denklemlerinin verdiği sonuçlara göre daha güvenilirdir. Yukarıda da belirtildiği gibi, görünür negatif hacim kavramı özellikle metan egemen gaz karışımları için incelenmiştir; çünki gaz rezervuarları çoğunlukla metan egemen gaz karışımlarına sahiptirler. Bu çalışmanın amacı yalnızca görünür negatif hacim kavramını tanıtmak değil, bunun doğal gaz depolama ve gaz rezervuar basıncı koruma uygulamalarına olabilecek olumlu katkılarının koşullarını göstermektir. Bu amaçlara erişme sürecinde, belirli sıcaklıktaki hidrokarbon gaz karışımlarında bileşenlerin kısmî hacimlerinin diğer bileşenlerin varlığı ve etkileri altındaki niceliklerinin saptanması gerekir. PR durum denklemi ile elde edilen hacim“molar hacim”olup, gazın bir (1) molünün hacmidir. Böylece, gaz karışımını oluşturan bileşenlerin her birisinin kısmî molar hacminin hesaplanması da, durum denklemi ile elde edilen sıkıştırılabilirlik (gaz sapma) faktörlerinin karışımı oluşturan bileşenlerin molar kesirlerinin değişimine göre türevinin alınması ve durum denklemi hacimleri ile birlikte değerlendirilmesi yolu ile elde edilmektedir. Sonuçların açıklanması gerektiğinde ilk elde edilen sonuç, metan molekülü kendisine göre daha ağır moleküllerin gaz veya yoğuşuk hallerinin varlığında negatif etkilenir. Hidrokarbon gaz karışımları rezervuar ortamında tek fazlı ve ya çift fazlı bulunabilirler. Bu çalışma kapsamında, çift fazlı bölgeler belirlenmiş ve gaz veya sıvı fazında görünür negatif hacmin nasıl değiştiği dikkate alınmıştır. Ayrıca hidrokarbon gaz karışımlarında hacimsel küçülmeyi etkileyen faktörler, örneğin; basınç, sıcaklık, bileşen miktarı, bileşen içeriği, veya bileşenin şekli (geometrisi) ayrıntılı bir biçimde incelenmiştir. Hidrokarbon gaz karışımlarının görünür negatif hacimleri belirli basınç aralığına kadar artış göstermektedir. Belli basınç değerinden sonra hacimsel olarak gaz karışımı ve saf metan birbirlerine yaklaşmaktadırlar. Sıcaklık etkisi anlatılmak istenirse, gazların hacimleri sıcaklık ile birlikte artar. Durum denkleminin temel yasasına göre hacim sıcaklıkla doğru orantılı basınç ile ters orantılıdır. Bu sebeple, 25 derece sıcaklıktan başlayarak 200 derece sıcaklığa kadar metan ve metan ile birlikte etan bileşeninden oktan bileşenine kadar ikili sistemler incelenmiştir. Sıcaklığın artmasıyla birlikte basınca bağımlı hacim davranış eğrilerinin birbirine yakınsadığı gözlemlenmiş ve 150 dereceden itibaren negatif hacim fazla saptanamamıştır. Bileşen miktarına bakıldığında ise, metan ile ikili karışımların olduğu sistemlerde, metanın yüzdece miktarı (mol oranı) azalması halinde, karışım içindeki diğer bileşenin içeriği artar. Bunun sonucunda ise, karışımın görünür negatif hacminde artış olur. Bir diğer etmen ise, bileşenin sahip olduğu geometrik yapıdır. Bütan ve pentan bileşenlerinin normal ve izomerleri karşılaştırılarak hacimsel küçülmeye olan etkileri incelenmiştir. Bunun sonucunda izomerleşme arttıkça görünür negatif hacmin azaldığı saptanmıştır. Son olarak, metan kendisine göre daha ağır moleküllerce karışım oluşturduğu takdirde negatif hacim artar. Şöyle ki, metanın etan bileşeniyle oluşturduğu karışımın görünür negatif hacmi, oktan ile oluşturduğu karışımın görünür negatif hacmine göre daha azdır. Oktan bileşeni moleküler ağırlıkça diğer bileşenlere göre daha fazladır. Mol oranı sabit tutulup, molekül ağırlıklarına göre karşılaştırma yapılmış ve bu sonuca ulaşılmıştır. Bütün bu etkiler göz önüne alındığında, rezervuar mühendisi için fayda sağlayabilecek önerilerde bulunulabilir. Görünür negatif hacmin rezervuar mühendisliğinin iki alanına etkisi olabilir. Bunlarda ilki olan yeraltı doğal gaz depolamada, moleküler ağırlıkça fazla veya yoğuşuk halde karışım enjekte edildiğinde daha fazla depolama alanı artacaktır. Diğer bir fayda ise, yoğuşuk gaz karışım rezervuarlarından üretim yapılırken, ekonomik değeri olan yoğuşuğun ayrılıp, bir miktar fakirleşmiş ve ya kuru gaz rezervuara geri basıldığında basınç artışı yoğuşuk karışıma göre daha fazla olacaktır. Böylelikle, ekonomik anlamda gelir getirirken, operasyonun sürekliliği içinde faydalı olacaktır.
Özet (Çeviri)
In general, hydrocarbon gas mixtures exhibit smaller volume than its pure components at constant pressure. If such a gas mixture becomes leaner in heavier molecular weight components, it becomes less compressible or conversely, when it is richer in those components it becomes more compressible. In other words, denuding of a gas mixture of condensates its pressure increases, or adding condensates into a lean gas decreases its pressure. Such unusual behavior is the phenomenon of apparent negative volume (ANV) of condensates in hydrocarbon gas mixtures. This phenomenon is not widely known in industry. The pVT behavior of hydrocarbon gas mixtures differ depending on their composition. Partial molar properties of components may provide an insight into such behavior, even when various constituents are added into the mixture. Partial molar volume is a partial molar property and may lead to estimate the apparent volume of components and the single-phase mixture. The purpose of this study is to re-visit and re-evaluate the ANV (apparent negative volume) of condensates, particularly in methane-based binary gas mixtures. The first step for determining ANV is using Peng-Robinson EOS (equation of state) in order to calculate gas deviation (z) factor of pure components of binary methane mixtures. Afterwards, the derivatives of calculated z-factors are taken with respect to the mole fraction of each component in hydrocarbon gas mixtures. The partial derivatives are used to obtain the derivation of partial molar volumes of components in the presence of other constituent in a mixture. Several factors that affect the ANV of hydrocarbon gas mixtures are the pressure, temperature, molecular geometry, molecular weight of components, and mole fraction of components. Here in this study, the pressure dependent volumetric behavior of pure methane and binary methane mixtures are compared and shown that ANV increases with increasing pressure, only within limits. Additionally, the higher the mole fraction and molecular weight of components, the higher the ANV in binary gas mixture. On the contrary, ANV decreases with increasing system temperature. As expected, it is found that ANV can be observed in single-phase gas mixtures and in the vapor phase of two-phase mixtures. Note that the phenomenon of apparent negative volume (ANV) of condensates in gas mixtures might be useful in increasing the storage capacity of underground gas storage reservoirs and in maintaining the pressure during gas-condensate reservoir depletion.
Benzer Tezler
- Polistiren ve poli(stiren-ko-izopren-ko-stiren)'in uyuşabilirliğinin ters gaz kromatografi yöntemi ile incelenmesi ve etkileşim parametrelerinin belirlenmesi
Study of compatibility and determination of interaction parameters of polystyrene and poly(styrene-co-isoprene-co-styrene) blends using inverse gas chromatography
NEVİN EKİN
- Kısa vadeli sermaye hareketleri ile faiz arasındaki ilişki
Relationship between short term capital movement and interest
HAKAN KARA
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Ekonomiİstanbul Teknik Üniversitesiİktisat Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SAİME S. SUNA KAYAM
- Aerobik membran biyoreaktörlerde farklı karbon/azot oranına sahip atıksuların arıtımı ve aktif çamur özelliklerinin değişimi
Treatment of wastewater having different carbon to nitrogen ratio and activated sludge properties in aerobic membrane bioreactors
HANİFE SARI ERKAN
Doktora
Türkçe
2017
Çevre MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜLEDA ENGİN
- AA206 alüminyum döküm alaşımında empürite demirin mekanik özelliklere etkilerinin incelenmesi
Effects of impurity iron on the mechanical properties of AA206 aluminium casting alloy
MELTEM AK
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. M. KELAMİ ŞEŞEN