摘 要

由于天然气作为化石能源的清洁属性，以及全世界致力于环境保护和降低二氧化碳等温室气体排放的现状下，对天然气的研究已经十分重要，而研究天然气最基础的一环，就是要计算其热物性。本文介绍了计算天然气热物性的RKS方程，并详细说明了其形式和计算方法，然后利用RKS方程，使用Visual Basic软件编制出一个用于计算天然气热物性的软件，该软件可以用来计算天然气的定压比热容、密度、导热系数和动力粘度系数这四个热物性参数，编制完成后，选取不同温度和压力进行计算，并在不同温度和压力下将计算数据与已有天然气热物性数据库NIST库的准确实验数据进行对比，分析验证软件计算的精确度和可靠性，并对未来的天然气计算软件的发展进行展望。

关键词：RKS方程，程序编制，误差分析

Abstract

Because natural gas is a clean property of fossil energy, and the world is committed to environmental protection and reducing greenhouse gas emissions such as carbon dioxide, research on natural gas is very important, and the most basic part of researching natural gas is to calculate its thermal properties. . This paper introduces the RKS equation for calculating the thermal properties of natural gas, and explains its form and calculation method in detail. Then, using RKS equation, using Visual Basic software to compile a software for calculating the thermal properties of natural gas, the software can be used to calculate natural gas. The four thermophysical parameters of constant pressure specific heat capacity, density, thermal conductivity and dynamic viscosity coefficient are calculated. After the completion of the preparation, different temperatures and pressures are selected for calculation, and the calculated data and the existing natural gas thermal property database NIST library are calculated under different temperatures and pressures. The accurate experimental data is compared, the accuracy and reliability of the software calculation are verified, and the future development of natural gas calculation software is prospected.

Key words：RKS equation, programming, error analysis

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.3本文主要研究内容 3

1.4软件介绍 3

第2章 RKS方程中各参数求法 4

2.1 RKS方程介绍 4

2.2物性参数求解 5

2.3小结 7

第3章 软件编制及使用说明 8

3.1软件界面设计 8

3.2程序框图设计 8

3.3程序编制 9

3.4小结 11

第4章 数据对比与误差分析 13

4.1数值的选取 13

4.2数据整理与分析 13

4.3数据分析总结 27

第5章 结论与展望 29

5.1结论 29

5.2展望 29

参考文献 30

致谢 31

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

现代社会，天然气的发展速度越来越快，走进了家家户户，所以，对天然气的研究，已经迫在眉睫。而对天然气的热力学参数的计算，则是研究天然气最基础也是最重要的第一步。由于天然气输送时的压力是很高的高压，因此，计算天然气的热物性时如果按理想气体处理误差会很大，故科学家们提出了很多用于在不同状态下计算天然气物性的方法，如RKS方程、PR方程、LKP方程、BWRS方程等。在这么多种天然气热物性的计算方法中，由于RKS方程形式简单、修正系数较少、计算精度较高，故采用RKS方程来对天然气热物性进行求解颇受青睐。RKS方程式是由Soave基于RK方程进行修正完善后提出的。RKS方程非常适合于计算烃类气体混合物,特别是在计算纯烃和烃类混合物体系时具有非常高的精度。在使用RKS方程计算时，需要知道气体在某个温度或压力下的热物性参数的话，传统方法是査询表格，其优点是能够提供给定工况点的精确的数据，但同时也存在两个问题：一是效率低，因为需要査找专门的计算图表，并且查找效率不高、费时；二是图表中的数据是离散的，当采用估算的方法得到需要的数据时存在一定的误差。当然我们也可以手工计算来获得数据，但是对于工程中的实际计算均是不可取的方法。虽然国外已有很多商业软件可以计算其物性，但一般价格比较昂贵且操作很复杂。本次毕业设计将在理论基础和实际应用出发，以ＶＢ为平台开发，基于RKS状态方程及热力学普遍关系，编制一种热物性计算软件，在验证RKS方程计算精度的基础上，使其满足实际工程的计算范围和精度要求，且操作也要方便。

1.2国内外研究现状

国内外都有许多科研人员关于天然气热物性的计算以及软件编制方面做了大量的研究分析工作。

游立新等^[1]系统介绍了液化天然气密度、汽液相平衡常数、内能、熵值、粘度、导热系数等主要热物性参数的计算方法。由于以采用精确的“对应态”方法计算LNG密度作为基础,其它物性的计算精度也得以提高。各种参数的计算结果表明,各物性计算精度较高,可以满足工程应用的实际要求等。倪明龙等^［2］基于RKS方程，采用热力学偏移函数积分的方法，实现了纯工质 R12、R22、R32、R134a 的热力学性质计算，并在此基础上，利用VB6.0编制了一个计算程序，该程序还可以以Excel表格的形式批量输出计算结果。在程序中还对状态方程计算产生的误差进行了修正，且将程序计算的数据与标准数据库进行了比较，再对程序进行一步修正，使得包括液相比容在内的参数的计算误差均在工程设计要求的范围内。该方法需要的计算参数少，具有一定的通用性。庄友明^［4］提出了确定 RKS状态方程中修正系数的新方法, 用此新法计算方程中的一对重要特性系数m、n值,无须象Soave提出的“精确法”那样需繁琐复杂地反复迭代,分别用两种方法对若干种制冷剂进行计算，并将计算结果与美国ASHRAE标准数据进行比对。结果表明 ,两种方法具有相同的准确度,但新法的计算简捷快速,简化了计算步骤，可节省大量的占机时间和用机费用，在工程计算等应用范畴，新算法可取代精确法。王东宇等^［5］探讨了用RKS方程求压缩因子的两种方法及其适用的范围,对比了RKS方程两种形式的特点,对各自的计算精度进行了对比。文中指出，用RKS方程Z迭代式的计算更加适合用计算机编制程序实现,简单方便，精度也较高，求出的解不需要判断是液相或气相根，在亚临界区内的计算精度高于超临界区。该方程也有缺点，它对极性物质的计算精度较低。与RKS方程的状态方程形式相比, 它适用得范围限制更大 ,在亚临界区它仅适用于对气相的求解, 但状态方程形式对液相的计算精度较差, 因此推荐在亚临界区计算气相的压缩因子时,采用Z迭代式计算，在超临界区,由于状态方程形式的适用范围不受限制,推荐采用RKS 状态方程计算压缩因子。赵玉娇^［6］从当前天然气发展现状出发，详细阐述了天然气的密度、粘度等热力学参数的计算和计算软件的编制使用以及对软件计算误差的要求，验证了计算软件在计算液化天然气热物性的简便性和准确性，点出了在液化天然气热物性计算中使用计算软件的必要性,体现出了天然气热物性计算方面的问题在近年来受到的关注程度。田士章等［7］利用ForcecontrolV7.0平台，以BWRS方程为理论基础，设计出了一款操作较为简单，且能够满足LNG接收站计算精度要求的天然气物性计算软件。通过将实际运行数据、AspenPlus计算数据、编制软件的计算数据这三组数据进行对比，得到一些基本的热力学参数的相对误差。同时，通过举例来验证了其精度和方便性都能满足常规工况下物性计算的需求。郝敏等^［8］采用RKS方程求解天然气热物性，并探讨了其求解方法和技巧。计算结果表明, 应用RKS方程计算天然气的热物性参数能较好地满足工程需要。高洪亮等^［9］研究了改进的 RKS方程在流体化工热力学数据方面的应用, 计算了环丙烷-1-丁烯混合物的化工热力学数据。张军等^[10]利用RKS方程和PR方程进行分析后用MATLAB软件编制了一个计算压缩因子的程序，将计算数据与实验数据比较后，得出了RKS方程与PR方程计算压缩因子的最佳适用范围，该范围与偏心因子有关。游立新等^[11]介绍了一种计算液化天然气汽液平衡的改进算法，该算法还是采用RKS方程计算汽相和液相的逸度，但采用对应态法计算液相密度，使得汽液平衡计算的精度大大提高。刘晖等^［12］利用RKS状态方程计算气体压缩因子的方法编制计算软件，因为当所涉及的气体不能按理想气体处理时，气体的压缩因子的计算就成为了一项很重要的计算内容。而用查表的方法来手算显然难以满足快速、准确的要求，故使用计算机编制出一个计算压缩因子的软件十分有必要，不仅可以提高计算的准确性，也提高了计算的速度，文中介绍了RKS方程计算压缩因子的方法，并且给出了用Fortan77语言编写的计算机程序。

　　国外也有许多学者在这方面做出了自己的许多研究。Naif A.Darwish等^[13]基于RKS和PR方程制作了一个程序用来模拟和计算热力学中的一些问题。Kh. NasrifarR等^[14]介绍了如何使用RKS方程、PR方程、BWRS方程等10个状态方程计算天然气混合物的热力学性质，其中RKS和PR方程在天然气行业常作为预测工具，这里两个状态方程相当准确，还都具有简单明了的优点，它们是可靠的并且可以合理、准确地预测天然气混合物的热力学性质，此外，这两个状态方程还可用于预测含重馏分的天然气混合物的性质。

1.3本文主要研究内容

本文基于RKS方程的计算方法，使用VB编制出一个能够计算天然气中甲烷的密度、导热系数、动力粘度系数、定压比热容的软件，并使用软件计算出一些数据与标准数据进行对比与误差分析，验证使用RKS方程计算天然气热物性的准确性。

1.4软件介绍

随着计算机性能的不断升级，越来越多的计算工作被计算机替代。由于计算机具有高速运算的特点，在计算上编写软件来代替繁琐的计算过程成为了现代研究中的一种十分高效的方法。本次课题就采用Visual Basic语言来设计用于计算天然气热物性参数的软件。

Visual Basic(简称VB)源自于BASIC编程语言，是由微软公司开发的用于软件编制的程序。VB操作简单，且使用的是BASIC语言，简单易懂，特别容易学习和上手^[3]。本文利用VB软件编程的简易性和计算机高速计算的特点，设计编写方便求解RKS方程的程序并验证RKS方程的精度和可靠性。

第2章 RKS方程中各参数求法

2.1 RKS方程介绍

RKS方程的状态方程形式^[6]

(2.1)

(2.2)

(2.3)

(2.4)

(2.5)

P——系统的压力, 单位kPa ;

Pc——气体临界压力,单位 kPa;

T——系统的温度为,单位K ;

Tc——气体临界温度,单位K

Tr——气体对比温度,单位K

v——气体比容, 单位m ³ /kmol;

R——气体常数, R =8 .314 kJ/(kmol·K);

ω——偏心因子

为了方程求解方便，常将状态方程表示为以下多项式

(2.6)

(2.7)

(2.8)

2.2物性参数求解

2.2.1密度及压缩因子求解

真实气体与理想气体PVT特性的差别用；压缩因子Z来表示,其状态方程可写成 :

(2.9)

(2.10)

(2.11)

上式中 气体的密度为ρ , 单位kmol/m³ 。

2.2.2定压比热

(1)理想气体的定压比热

低压下的气体比热的计算是高压下天然气比热计算的基础。气体混合物在低压下的定压比热可用拟合方程式(2.13)求出：

(2.12)

其中=T/1000；=1.2；=3.25；=0.75；=-0.71；甲烷的摩尔质量M=16.0428Kg/Kmol^[15]。

求出低压下也就是理想气体的定压比热后，利用迈耶公式可求出理想气体的定容比热:

(2.13)

(2.14)

(2)真实气体的定压比热

在高压下, 真实气体的定压比热与理想气体相比误差很大, 根据热力学分析 、推导并代入 RKS 方程 ,则实际气体的定容比热^[6]为：

(2.15)

实际气体的定压比热为 :

(2.16)

2.2.3导热系数

导热系数 λ的定义：

温差为1 K 时, 每秒通过面积为1m² 、厚度为1m物料层的热量,单位为W/(m·K)。

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