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炭化水素露点

炭化水素の露点は、天然ガスなどの炭化水素に富むガス混合物の炭化水素成分が気相から凝縮し始める温度(所定の圧力で)です。また、しばしばHDPまたはHCDPと呼ばれます 。そのような凝縮が起こる最高温度はクリコンデンサームと呼ばれます。炭化水素の露点は、ガス組成と圧力の関数です。

炭化水素露点は、天然ガス産業で重要な品質パラメーターとして広く使用されており、契約上の仕様で規定され、生産者から加工、送電、流通会社、最終エンドユーザーに至るまで、天然ガスのサプライチェーン全体に適用されます。

ガスの炭化水素露点は、水露点とは異なる概念です。後者は、ガス混合物に存在する水蒸気がガスから凝縮する温度(所定の圧力)です。

用語GPMとの関係

米国では、処理され、パイプライン化された天然ガスの炭化水素露点は、規定の温度と圧力で1,000立方フィート(28 m3)の天然ガスに含まれる液化可能な炭化水素のガロンであるGPMという用語に関連し、特徴付けられています。液化可能な炭化水素がヘキサンまたは高分子量成分として特徴付けられる場合、それらはGPM(C6 +)として報告されます。

しかし、生の天然ガスの品質は、多くの場合GPMという用語によっても特徴付けられます。これは、1,000立方フィート(28 m3)の天然ガスに含まれる液化可能な炭化水素のガロンを意味します。このような場合、未加工の天然ガス中の液化可能な炭化水素がエタンまたは高分子量成分として特徴付けられる場合、それらはGPM(C2 +)として報告されます。同様に、プロパンまたは高分子量成分として特徴付けられる場合、それらはGPM(C3 +)として報告されます。

GPMという用語の2つの異なる定義を混同しないように注意する必要があります。

GPMは付加価値のあるパラメーターですが、ほとんどのパイプラインオペレーターや天然ガスを処理、輸送、流通、使用するその他の人々は、GPMではなく実際のHCDPに主に関心を持っています。さらに、GPMとHCDPは互換性がなく、それぞれが正確に何を意味するかを混同しないように注意する必要があります。

HCDPの決定方法

HCDPの決定には、主に2つのカテゴリがあります。 1つのカテゴリには「理論的」メソッドが含まれ、もう1つのカテゴリには「実験的」メソッドが含まれます。

理論的方法

理論的な方法では、ガス混合物の成分分析(通常はガスクロマトグラフィー、GC)を使用し、状態方程式(EOS)を使用して、特定の圧力での混合物の露点を計算します。 Peng–RobinsonおよびKwong–Redlich–Soaveの状態方程式は、天然ガス産業でHCDPを決定するために最も一般的に使用されています。

GC分析を使用する理論的な方法には、4つのエラーの原因があります。

  • エラーの最初の原因はサンプリングエラーです。パイプラインは高圧で作動します。フィールドGCを使用して分析を行うには、圧力を大気圧近くまで調整する必要があります。圧力を低下させるプロセスでは、特に圧力低下が逆行性領域で行われる場合、より重いコンポーネントの一部が脱落する可能性があります。そのため、GCに到達するガスは、パイプライン内の実際のガスとは根本的に異なります(通常、重いコンポーネントではより希薄です)。または、分析のために研究室に送るためにサンプルボトルを収集する場合、サンプルに汚染物質が混入しないよう、サンプルボトルがパイプライン内の実際のガスを表していることを確認し、完全な実験室GCに正しくサンプリングします。
  • 2番目の原因は、ガス混合成分の分析に関するエラーです。一般的なフィールドGCでは、分析される各ガスの量にせいぜい(理想的な条件と頻繁なキャリブレーションで)〜2%(範囲の)エラーがあります。 C6成分のほとんどのフィールドGCの範囲は0-1 mol%なので、C6 +成分の量には約0.02 mol%の不確実性があります。この誤差は発熱量を大きく変えることはありませんが、HCDPの決定に大きな誤差をもたらします。さらに、C6 +コンポーネントの正確な分布は不明であるため(C6、C7、C8の量など)、HCDP計算でさらにエラーが発生します。 C6 + GCを使用する場合、これらの誤差は、ガス混合物およびC6 +フラクションの組成に関して行われた仮定に応じて、100°F以上になることがあります。 「パイプライン品質」の天然ガスの場合、C9 + GC分析はC6-C8分布エラーを排除するため、不確実性を減らすことができます。しかし、独立した研究では、累積誤差は依然として非常に大きく、場合によっては30 Cを超えることが示されています。フレームイオン化検出器(FID)を使用したラボC12 + GC分析は、誤差をさらに低減できます。ただし、C12ラボシステムを使用すると、追加のエラー、つまりサンプリングエラーが発生する可能性があります。ガスをサンプルボトルに収集し、C12分析のために研究室に出荷する必要がある場合、サンプリングエラーが重大になる可能性があります。サンプルが収集された時刻と分析された時刻の間に遅延時間誤差もあります。
  • エラーの3番目の原因は、キャリブレーションエラーです。すべてのGCは、分析中のガスを代表する校正ガスで定期的に校正する必要があります。校正ガスが代表的でない場合、または校正が定期的に実行されない場合、エラーが発生します。
  • エラーの4番目の原因は、露点の計算に使用される状態方程式モデルに組み込まれたエラーに関連しています。さまざまなモデルは、さまざまな圧力レジームとガス混合物でさまざまな量の誤差を生じやすい傾向があります。使用される状態方程式の選択のみに基づいて、計算された露点が大幅に異なる場合があります。

理論モデルを使用する大きな利点は、複数の圧力でのHCDP(およびクリコンデンサーム)を単一の分析から決定できることです。これにより、流量計を流れる流れの位相の決定、サンプルがサンプルシステムの周囲温度の影響を受けているかどうかの決定、アミン接触器内の液体炭化水素からのアミン発泡の回避などの運用上の使用が可能になります。ただし、実験方法とソフトウェアの機能強化を組み合わせた最近の開発により、この欠点は解消されました(# 実験と理論の組み合わせアプローチ| ABB、Thermo-fisher、および他の企業を参照)。

実験方法

「実験的」方法では、ガスが凝縮する表面を実際に冷却してから、凝縮が起こる温度を測定します。実験方法は、手動システムと自動システムに分けることができます。鉱山局露点テスターなどの手動システムは、冷却されたミラーを手動でゆっくり冷却し、結露の開始を視覚的に検出するために、オペレーターに依存しています。 自動化された方法では、自動ミラー冷却制御とセンサーを使用して、ミラーで反射した光の量を検出し、反射光の変化により結露が発生したことを検出します。チルドミラー技術は、第一原理測定です。露点温度の設定に使用される特定の方法に応じて、いくつかの補正計算が必要になる場合があります。結露を検出するには必ず結露が発生している必要があるため、報告された温度は理論的な方法を使用した場合よりも低くなります。

GC分析と同様に、実験方法には潜在的なエラーの原因があります。最初のエラーは、結露の検出です。チルドミラーの露点測定における重要な要素は、凝縮液を検出できる繊細さです。つまり、検出されたフィルムが薄いほど良いということです。手動チルドミラーデバイスは、ミストがミラー上に形成されたことを判断するためにオペレータに依存しており、デバイスによっては、非常に主観的な場合があります。また、何が凝縮しているのか、つまり水または炭化水素が常に明確ではありません。従来は解像度が低かったため、オペレーターは露点を過小報告する傾向がありました。つまり、露点温度が実際より低いと報告する傾向がありました。これは、結露が十分に見えて見えるようになるまでに、露点に到達して過ぎていたためです。最新の手動デバイスにより、レポート精度が大幅に向上します。手動装置には2つのメーカーがあり、それぞれの装置はASTM炭化水素分析マニュアルで定義されている露点測定装置の要件を満たしています。ただし、メーカーによっては、ミラーの光学解像度やミラー冷却方法など、デバイス間に大きな違いがあります。

自動チルドミラーデバイスは、再現性が大幅に向上しますが、これらの測定値は、ミラーの表面を損なう可能性のある汚染物質の影響を受ける可能性があります。多くの場合、分析のためにガスを準備する効果的なろ過システムを組み込むことが重要です。一方、ろ過はガス組成をわずかに変化させる可能性があり、フィルター要素は目詰まりと飽和の影響を受けます。技術の進歩により、汚染物質の影響が少ない分析装置が実現し、特定のデバイスはガス中に存在する水の露点も測定できます。最近の技術革新の1つは、露点での凝縮物の性質を決定するための分光法の使用です。別のデバイスのユーザーは、レーザー干渉計を使用して、極微量の結露を記録します。これらの技術は、汚染物質による干渉の影響を受けにくいと断言されています。エラーの別の原因は、ミラーの冷却速度と、結露が検出されたときのミラーの温度の測定です。このエラーは、冷却速度を制御するか、高速の結露検出システムを使用することで最小限に抑えることができます。

実験方法は、測定が行われる圧力でのみHCDPを提供し、他の圧力でクリコンデンサームまたはHCDPを提供することはできません。天然ガスのクリコンデンサームは通常約27 barであるため、入力圧力をこの値に調整するガス調製システムが現在利用可能です。パイプラインのオペレーターは多くの場合、現在のライン圧でHCDPを知りたいのですが、多くの実験システムの入力圧はレギュレーターで調整できます。

Vympel社の手動モードまたは自動モードで操作できる機器があります。

自動チルドミラーシステムを提供している企業には、Vympel、Ametek、Michel Instruments、ZEGAZ Instruments、Bartec Benke(モデル:Hygrophil HCDT)などがあります。

実験的アプローチと理論的アプローチの組み合わせ

最近の革新は、実験的手法と理論的手法を組み合わせることです。ガスの組成は、C6 + GCによって分析され露点が実験的に任意の圧力で測定される場合、実験的露点は、より正確な相図を提供するために、GC分析と組み合わせて使用することができます。このアプローチは、全体の状態図を知らない実験方法の主な欠点を克服します。このソフトウェアの例は、Starling Associatesによって提供されています。