Уравнение состояния биогаза (метан-диоксид углерода) для различных составов компонент

Предложено уравнение состояния биогаза (смесь метана и диоксида углерода). Обосновано применение уравнения Бенедикта-Уэбба-Рубина (БУР) для смеси СН₄+СО₂ в интервале температур 10…250 °С и давлений до 100 атм. Построены изотермы, изохоры и изоплеты биогаза с концентрациями 20, 40, 60 и 80% в указанн...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Published in:Вопросы атомной науки и техники
Date:2007
Main Authors: Лепин, И.В., Колобродов, В.Г., Винокуров, Э.И.
Format: Article
Language:Russian
Published: Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2007
Subjects:
Online Access:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/110730
Tags: Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:The equation of a state of biogas (mixture CH₄ and CO₂) for the different compositions components / И.В. Лепин, В.Г. Колобродов, Э.И. Винокуров // Вопросы атомной науки и техники. — 2007. — № 4. — С. 49-52. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1859654767468347392
author Лепин, И.В.
Колобродов, В.Г.
Винокуров, Э.И.
author_facet Лепин, И.В.
Колобродов, В.Г.
Винокуров, Э.И.
citation_txt The equation of a state of biogas (mixture CH₄ and CO₂) for the different compositions components / И.В. Лепин, В.Г. Колобродов, Э.И. Винокуров // Вопросы атомной науки и техники. — 2007. — № 4. — С. 49-52. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.
collection DSpace DC
container_title Вопросы атомной науки и техники
description Предложено уравнение состояния биогаза (смесь метана и диоксида углерода). Обосновано применение уравнения Бенедикта-Уэбба-Рубина (БУР) для смеси СН₄+СО₂ в интервале температур 10…250 °С и давлений до 100 атм. Построены изотермы, изохоры и изоплеты биогаза с концентрациями 20, 40, 60 и 80% в указанном интервале давлений и температур. Отклонение давления от давления идеальной смеси ΔР(Т,V)=Р-Рид имеет отрицательное значение, что свидетельствует о преимущественном притяжении между молекулами в указанном интервале температур. Полученные результаты могут быть использованы при разработке таблиц справочных данных термодинамических величин для смеси различных составов. Запропоновано рівняння стану біогазу (суміш метану і діоксида вуглецю). Обґрунтовано застосування рівняння Бенедікта-Уебба-Рубіна (БУР) для суміші СН₄+СО₂ в інтервалі температур 10…250 °С і тисків до 100 атм. Побудовано ізотерми, ізохори та ізоплети біогазу з концентраціями 20, 40, 60 і 80% у зазначеному інтервалі тисків і температур. Відхилення тиску від тиску ідеальної суміші ΔР(Т,V)=Р-Рід має негативне значення, що свідчить про переважне притягання між молекулами в зазначеному інтервалі температур. Отримані результати можуть бути використані при розробці таблиць довідкових даних термодинамічних величин для суміші різних складів. The equation of a state of biogas (mixture СН₄ and СО₂) is offered. The application of the equation Benedict-Webb-Rubin (BWR) for a mixture СН₄+СО₂ in an interval of temperatures 10…250 °С and pressure up to 100 аtm is proved. For the concentration 20, 40, 60 and 80 % in the specified interval of pressure and temperatures are constructed isoterms, isohors and isoplets of biogas. A rejection of pressure from pressure of an ideal mixture ∆Р (Т, V) =Р-Рid has negative value, that testifies to a primary attraction between molecules in the specified interval of temperatures. The received results can be used for construction of the tables of help given thermodynamic values for a mixture of various compositions.
first_indexed 2025-12-07T13:38:43Z
format Article
fulltext УДК 533.2:536.71 УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ БИОГАЗА (МЕТАН-ДИОКСИД УГЛЕРО- ДА) ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ СОСТАВОВ КОМПОНЕНТ И.В. Лепин, В.Г. Колобродов, Э.И. Винокуров ИФТТМТ Национального научного центра «Харьковский физико-технический инсти- тут», г.Харьков, Украина; Е-mail: e.vinokurov@kipt.kharkov.ua; тел. (057)700-24-98 Предложено уравнение состояния биогаза (смесь метана и диоксида углерода). Обосновано применение уравнения Бенедикта-Уэбба-Рубина (БУР) для смеси СН4+СО2 в интервале температур 10…250 °С и давле- ний до 100 атм. Построены изотермы, изохоры и изоплеты биогаза с концентрациями 20, 40, 60 и 80% в ука- занном интервале давлений и температур. Отклонение давления от давления идеальной смеси ΔР(Т,V)=Р-Рид имеет отрицательное значение, что свидетельствует о преимущественном притяжении между молекулами в указанном интервале температур. Полученные результаты могут быть использованы при разработке таблиц справочных данных термодинамических величин для смеси различных составов. ВВЕДЕНИЕ Бинарная система метан-диоксид углерода в по- следнее время привлекает усиленный интерес физи- ков, технологов, энергетиков. Биогаз (смесь СН4+СО2) образуется при анаэробном сбраживании органических отходов в сельском хозяйстве, на свалках бытовых отходов, на коммунальных очисти- тельных сооружениях и предприятиях пищевой про- мышленности. В биогазе содержится 40…70% ме- тана, что обеспечивает горючесть смеси. Поэтому биогаз является одним их видов альтернативных энергетических топлив по сравнению с традицион- ными, невосполнимыми ископаемыми топливами, такими как уголь, природный газ и нефть. Разработка и совершенствование технологии по- лучения, сбора и утилизации биогаза в последнее время получили существенное развитие, основные результаты этих работ представлены в информаци- онно-библиографическом справочнике [1]. Важным моментом являются вопросы очистки биогаза от вредных примесей, его осушки и разделения на основные компоненты СН4 и СО2. Известно много методов разделения компонент биогаза, некоторые из них приведены в работах [2,3]. Разделенный био- газ может использоваться более эффективно, с ми- нимальным отрицательным воздействием на окру- жающую среду, и позволит получать кроме энерге- тического эффекта от использования метана ценное сырье в виде чистого диоксида углерода. Изучение перечисленных выше вопросов в совокупности раз- решит одновременно ряд энергетических и экологи- ческих проблем. Для решения вышеперечисленных задач является целесообразно изучение физико-химических свойств системы СН4+СО2, таких как условия фазо- вых равновесий в этой системе, разделение их в слое твердых адсорбентов за счет лучшей адсорбци- онной способности диоксида углерода, исследова- ния уравнения состояния биогаза для различных со- ставов компонент и других свойств. В этой работе анализируется уравнение состояния биогаза, на основе которого могут быть разработаны таблицы справоч- ных данных по свойствам газовых смесей, таких как энтальпия, энтропия, теплоемкость, сжимаемость и т.д. 1. УРАВНЕНИЕ БЕНЕДИКТА-УЭББА-РУ- БИНА Из всех уравнений состояния, количество кото- рых превышает 100 [4], только восьмиконстантное уравнение Бенедикта-Уэбба-Рубина (БУР) [5] прове- рено для смесей с достаточной полнотой. В [4,6,7] даны константы уравнения БУР для большого числа чистых веществ. Там же представлены комбинаци- онные правила определения констант для смесей. Уравнение БУР с большой точностью используется для смесей легких углеводородов и смесей легких углеводородов с N2, CO2 и SO2. Уравнение БУР яв- ляется обобщением пятипараметрического уравне- ния Битти-Бриджмена, но имеет большую точность и более широкий диапазон применимости по темпе- ратуре. Уравнение БУР имеет следующий вид [4,6,7]: 2 0 0 4 2 02 2 ( ) ( ) 1 . 1 (1 ) V b a aRT B A V V VRTP cV V C e T V V γ α γ −  + − + − −  = +    − +     (1) Размерности величин, входящих в уравнение: [ ] [ ] [ ] 3 3 ; ; ; 0,08207 . дмPатм V Т град К моль дм атмR моль град = = = ⋅ ⋅= ⋅ Постоянные А0, В0, С0, а, b, с, α и γ - безразмерные константы. Эти величины для смесей определяются следующими комбинационными правилами [4]: ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2007. № 4. Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (16), с.49 - 52. 49 mailto:e.vinokurov@kipt.kharkov.ua . , ; , ; , ; , 3 3 13 3 1 2 2 12 2 1 00 3 3 1 00 3 3 12 2 1 00       =      =       =      =       ==       =      = ∑∑ ∑∑ ∑∑ ∑∑ i ii i ii i ii i ii i ii i ii i ii i ii xbxb xCxC cxcBxB axaAxA αα γγ (2) где i-номер компонента смеси; хi - молярные доли различных компонент; А0i, B0i…- величины, относя- щиеся к i чистому компоненту. Для компонентов биогаза (СН4 и СО2) константы, входящие в уравнение БУР имеют различные значе- ния для разных интервалов температур [4]. Величи- ны постоянных для чистых компонентов СН4 и СО2 в интервалах температур 10…150 и 150…250 °С представлены в таблице. Величины постоянных для чистых компонент СН4 и СО2 Посто- янные CH4 CO2 10…150 °C 150…250 °C 10…150 °C 150…250 °C A0 1,855 1,79894 2,7374 2,51604 B0 4,26·10-2 4,54625·10-2 4,9909·10-2 4,48842·10-2 C0 22570 31838,2 138564 147440,5 а 4,94·10-2 4,352·10-2 0,13681 0,13681 b 3,38004·10-3 2,52033·10-3 7,2105·10-3 4,12381·10-3 c 2545 3587,8 14918,3 14918,3 α 1,24359·10-4 3,3·10-4 8,466·10-5 8,4658·10-5 γ 6·10-3 1,05·10-2 5,393·10-3 5,253·10-3 2. РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ Использование математической программы для ЭВМ по формуле (1) с учетом таблицы дало воз- можность найти P-V-T-соотношения для чистых компонент СН4 и СО2. Вычисленные значения P,V,T сравнивались с [8]. Рассчитанные значения P,V,T в интервалах температур, указанных в таблице, и дав- лений до 100 атм согласуются с данными [8] с отно- сительной погрешностью менее 2,5 % для СН4 и ме- нее 2,6 % для СО2. Для смесей с концентрациями компонент 20, 40, 60 и 80 % по комбинационным правилам (2) можно построить изотермы, изохоры и изоплеты (диаграм- мы Р-Т для постоянного состава) в интервале темпе- ратур 10…250 °С. Причем, несмотря на то, что зна- чения коэффициентов, входящих в уравнение состо- яния, в различных температурных интервалах для СН4 и СО2 различны (см. таблицу), погрешность сшивки P,V-данных при Т=150 °С для всех значений составов смеси не более 6 %. Эта погрешность уве- личивается при уменьшении молярного объема V и возрастании давления. Существенный интерес представляет не абсолют- ное значение P(T,V), а отклонение от идеальности газа ΔР=Р-Рид. Причем, для всех составов смеси в рассматриваемом интервале температур ΔР имеет отрицательное значение, что свидетельствует о пре- имущественном притяжении между молекулами. Исключение составляет чистый метан (100 % СН4) при температурах Т≥250 °С, для которого ΔР>0 (от- талкивание при высоких температурах). Изотермы, изохоры и изоплеты в качестве примеров изображе- ны на рис. 1-3. Рис.1. Изотермы: а - (20% СН4): 1 - 10; 2 - 150; 3 – 250 °С; б - (80% СН4): 1 - 10; 2 - 150; 3-250 °С ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2007. № 4. Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (16), с.49 - 52. 50 Рис.2. Изохоры: а - (V=1 дм3/моль): 1 - 100% СО2; 2 - 40%; 3 - 60% СН4; 4 - 100% СН4; б - (V=5 дм3/моль): 1 - 100% СО2; 2 - 20% СН4; 3 - 80% СН4; 4 - 100% СН4 Рис.3. Изоплеты: а - (40% СН4): 1 - V=1; 2 - V=2; 3 - V=5 дм3/моль; б - (80% СН4): 1 - V=1; 2 - V=2 дм3/моль Анализ рис. 1-3 позволяет сделать следующие вы- воды. 1. Отклонение давления от давления идеально- го газа при одинаковых температурах и мо- лярных объемах тем больше, чем больше в составе смеси диоксида углерода. Это можно объяснить тем, что величина глубины потен- циальной ямы, вычисленная по измерению вязкости [7] для диоксида углерода, больше, чем для метана ( К144 k ;К213 k Б СН Б CO 42 = ε = ε ). Это при- водит к тому, что при рассматриваемых тем- пературах эффективное притяжение между молекулами тем больше, чем больше в смеси СО2. 2. Кривые изотерм и изохор для промежуточ- ных концентраций смесей ложатся между со- ответствующими кривыми для чистых компонент, что свидетельствует об отсут- ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2007. № 4. Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (16), с.49 - 52. 51 ствии каких-либо аномалий термодинамиче- ских функций смесей. 3. Увеличение │ΔР│при уменьшении удельно- го объема и температуры связано с тенден- цией к конденсации смеси. 4. Повышение температуры приводит к умень- шению │ΔР│, так как все более существен- ную роль начинают играть силы отталкива- ния. Полученные результаты могут быть использова- ны при разработке таблиц справочных данных тер- модинамических величин (энтальпия, теплоемкость, сжимаемость и т.д.) для смесей разных составов. ЛИТЕРАТУРА 1. Л.В. Карнацевич, М.А. Хажмурадов, Т.К. Григо- рова и др. Информационно-библиографический справочник. Анаэробная переработка органиче- ских отходов. Получение и утилизация биогаза. Харьков: ННЦ ХФТИ, 2000, с.156. 2. В.Г. Колобродов, Л.В. Карнацевич, Т.К. Григо- ро-ва и др. Разделение компонент биогаза мето- дами физической адсорбции // Экотехнологии и ресурсосбережение. 2001, № 4, с.29-35. 3. В.Г. Ковальчук, А.И. Пятниченко, Т.К. Крушне- вич. Биогаз: разделение и использование компо- нентов // Экотехнологии и ресурсосбережение. 1998, № 1, с.8-11. 4. С. Уэйлес. Фазовые равновесия в химической технологии. М.: "Мир", 1989, 663 с. 5. M. Benedict, G.B. Webb, L.C. Rubin. Thermody- namic and Transport Properties of Gases // Chem. Eng. Progr. 1951, № 47, p.419. 6. Р. Рид, Т. Шервуд. Свойства газов и жидко- стей. М.: Изд. "Химия", 1971, 702 с. 7. Дж. Гиршфельдер, Ч. Кертис, Р. Берд. Молеку- лярная теория газов и жидкостей. М.: Изд. иностранной литературы, 1961, 929 с. 8. Н.Б. Варгафтик. Справочник по теплофизиче- ским свойствам газов и жидкостей. М.: "Нау- ка", 1972, 720 с. РІВНЯННЯ СТАНУ БІОГАЗУ (МЕТАН-ДІОКСИД ВУГЛЕЦЮ) ДЛЯ РІЗНИХ СКЛАДІВ КОМПОНЕНТ І.В. Лєпін, В.Г. Колобродов, Е.І. Винокуров Запропоновано рівняння стану біогазу (суміш метану і діоксида вуглецю). Обґрунтовано застосування рівняння Бенедікта-Уебба-Рубіна (БУР) для суміші СН4 + СО2 в інтервалі температур 10…250 °С і тисків до 100 атм. Побудовано ізотерми, ізохори та ізоплети біогазу з концентраціями 20, 40, 60 і 80% у зазначеному інтервалі тисків і температур. Відхилення тиску від тиску ідеальної суміші ΔР(Т,V)=Р-Рід має негативне значення, що свідчить про переважне притягання між молекулами в зазначеному інтервалі температур. Отримані результати можуть бути використані при розробці таблиць довідкових даних термодинамічних величин для суміші різних складів. THE EQUATION OF A STATE OF BIOGAS (MIXTURE CH4 AND CO2) FOR THE DIFFERENT COMPOSITIONS COMPONENTS I.V. Lepin, V.G. Kolobrodov, E.I. Vinokurov The equation of a state of biogas (mixture CH4 and CO2) is offered. The application of the equation Benedict-Webb-Rubin (BWR) for a mixture СН4+СО2 in an interval of temperatures 10…250 °С and pressure up to 100 аtm is proved. For the concen- tration 20, 40, 60 and 80 % in the specified interval of pressure and temperatures are constructed isoterms, isohors and isoplets of biogas. A rejection of pressure from pressure of an ideal mixture ∆Р (Т, V) =Р-Рid has negative value, that testifies to a primary attraction between molecules in the specified interval of temperatures. The received results can be used for construction of the tables of help given thermodynamic values for a mixture of various compositions. ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2007. № 4. Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (16), с.49 - 52. 52 ВВЕДЕНИЕ 2. РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ І.В. Лєпін, В.Г. Колобродов, Е.І. Винокуров I.V. Lepin, V.G. Kolobrodov, E.I. Vinokurov
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-110730
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 1562-6016
language Russian
last_indexed 2025-12-07T13:38:43Z
publishDate 2007
publisher Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
record_format dspace
spelling Лепин, И.В.
Колобродов, В.Г.
Винокуров, Э.И.
2017-01-06T09:21:05Z
2017-01-06T09:21:05Z
2007
The equation of a state of biogas (mixture CH₄ and CO₂) for the different compositions components / И.В. Лепин, В.Г. Колобродов, Э.И. Винокуров // Вопросы атомной науки и техники. — 2007. — № 4. — С. 49-52. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.
1562-6016
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/110730
533.2:536.71
Предложено уравнение состояния биогаза (смесь метана и диоксида углерода). Обосновано применение уравнения Бенедикта-Уэбба-Рубина (БУР) для смеси СН₄+СО₂ в интервале температур 10…250 °С и давлений до 100 атм. Построены изотермы, изохоры и изоплеты биогаза с концентрациями 20, 40, 60 и 80% в указанном интервале давлений и температур. Отклонение давления от давления идеальной смеси ΔР(Т,V)=Р-Рид имеет отрицательное значение, что свидетельствует о преимущественном притяжении между молекулами в указанном интервале температур. Полученные результаты могут быть использованы при разработке таблиц справочных данных термодинамических величин для смеси различных составов.
Запропоновано рівняння стану біогазу (суміш метану і діоксида вуглецю). Обґрунтовано застосування рівняння Бенедікта-Уебба-Рубіна (БУР) для суміші СН₄+СО₂ в інтервалі температур 10…250 °С і тисків до 100 атм. Побудовано ізотерми, ізохори та ізоплети біогазу з концентраціями 20, 40, 60 і 80% у зазначеному інтервалі тисків і температур. Відхилення тиску від тиску ідеальної суміші ΔР(Т,V)=Р-Рід має негативне значення, що свідчить про переважне притягання між молекулами в зазначеному інтервалі температур. Отримані результати можуть бути використані при розробці таблиць довідкових даних термодинамічних величин для суміші різних складів.
The equation of a state of biogas (mixture СН₄ and СО₂) is offered. The application of the equation Benedict-Webb-Rubin (BWR) for a mixture СН₄+СО₂ in an interval of temperatures 10…250 °С and pressure up to 100 аtm is proved. For the concentration 20, 40, 60 and 80 % in the specified interval of pressure and temperatures are constructed isoterms, isohors and isoplets of biogas. A rejection of pressure from pressure of an ideal mixture ∆Р (Т, V) =Р-Рid has negative value, that testifies to a primary attraction between molecules in the specified interval of temperatures. The received results can be used for construction of the tables of help given thermodynamic values for a mixture of various compositions.
ru
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
Вопросы атомной науки и техники
Чистые материалы и вакуумные технологии
Уравнение состояния биогаза (метан-диоксид углерода) для различных составов компонент
Рівняння стану біогазу (метан-діоксид вуглецю) для різних складів компонент
The equation of a state of biogas (mixture CH₄ and CO₂) for the different compositions components
Article
published earlier
spellingShingle Уравнение состояния биогаза (метан-диоксид углерода) для различных составов компонент
Лепин, И.В.
Колобродов, В.Г.
Винокуров, Э.И.
Чистые материалы и вакуумные технологии
title Уравнение состояния биогаза (метан-диоксид углерода) для различных составов компонент
title_alt Рівняння стану біогазу (метан-діоксид вуглецю) для різних складів компонент
The equation of a state of biogas (mixture CH₄ and CO₂) for the different compositions components
title_full Уравнение состояния биогаза (метан-диоксид углерода) для различных составов компонент
title_fullStr Уравнение состояния биогаза (метан-диоксид углерода) для различных составов компонент
title_full_unstemmed Уравнение состояния биогаза (метан-диоксид углерода) для различных составов компонент
title_short Уравнение состояния биогаза (метан-диоксид углерода) для различных составов компонент
title_sort уравнение состояния биогаза (метан-диоксид углерода) для различных составов компонент
topic Чистые материалы и вакуумные технологии
topic_facet Чистые материалы и вакуумные технологии
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/110730
work_keys_str_mv AT lepiniv uravneniesostoâniâbiogazametandioksiduglerodadlârazličnyhsostavovkomponent
AT kolobrodovvg uravneniesostoâniâbiogazametandioksiduglerodadlârazličnyhsostavovkomponent
AT vinokurovéi uravneniesostoâniâbiogazametandioksiduglerodadlârazličnyhsostavovkomponent
AT lepiniv rívnânnâstanubíogazumetandíoksidvuglecûdlâríznihskladívkomponent
AT kolobrodovvg rívnânnâstanubíogazumetandíoksidvuglecûdlâríznihskladívkomponent
AT vinokurovéi rívnânnâstanubíogazumetandíoksidvuglecûdlâríznihskladívkomponent
AT lepiniv theequationofastateofbiogasmixturech4andco2forthedifferentcompositionscomponents
AT kolobrodovvg theequationofastateofbiogasmixturech4andco2forthedifferentcompositionscomponents
AT vinokurovéi theequationofastateofbiogasmixturech4andco2forthedifferentcompositionscomponents