ГОСТ Р 8.974-2019. Национальный стандарт Российской Федерации. Государственная система обеспечения единства измерений. Газовый анализ. Пересчет данных состава газовых смесей

(утв. и введен в действие Приказом Росстандарта от 30.10.2019 № 1062-ст)

Утвержден и введен в действие Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 30 октября 2019 г. № 1062-ст

НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОСУДАРСТВЕННАЯ СИСТЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЕДИНСТВА ИЗМЕРЕНИЙ

ГАЗОВЫЙ АНАЛИЗ

ПЕРЕСЧЕТ ДАННЫХ СОСТАВА ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ

State system for ensuring the uniformity of measurements. Gas analysis. Conversion of gas mixture composition data

ГОСТ Р 8.974-2019

ОКС 17.020

Дата введения 1 сентября 2020 года

Предисловие

1 РАЗРАБОТАН Федеральным государственным унитарным предприятием «Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева» (ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева»)

2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 206 «Эталоны и поверочные схемы», подкомитетом ПК 206.5 «Эталоны и поверочные схемы в области измерения физико-химического состава и свойств веществ»

3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 30 октября 2019 г. № 1062-ст

4 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

Правила применения настоящего стандарта установлены в статье 26 Федерального закона от 29 июня 2015 г. № 162-ФЗ «О стандартизации в Российской Федерации». Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе «Национальные стандарты», а официальный текст изменений и поправок — в ежемесячном информационном указателе «Национальные стандарты». В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске ежемесячного информационного указателя «Национальные стандарты». Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.gost.ru)

1 Область применения

Настоящий стандарт распространяется на газовые смеси (далее — смеси) и устанавливает методику взаимного пересчета значений молярной доли, объемной доли, массовой доли и массовой концентрации компонентов.

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использована нормативная ссылка на следующий стандарт:

ГОСТ 34100.3/ISO/IEC Guide 98-3 Неопределенность измерения. Часть 3. Руководство по выражению неопределенности измерения

Примечание - При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодному информационному указателю «Национальные стандарты», который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по выпускам ежемесячного информационного указателя «Национальные стандарты» за текущий год. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана недатированная ссылка, то рекомендуется использовать действующую версию этого стандарта с учетом всех внесенных в данную версию изменений. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, то рекомендуется использовать версию этого стандарта с указанным выше годом утверждения (принятия). Если после утверждения настоящего стандарта в ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, внесено изменение, затрагивающее положение, на которое дана ссылка, то это положение рекомендуется применять без учета данного изменения. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, рекомендуется применять в части, не затрагивающей эту ссылку.

3 Термины, определения и обозначения

3.1 В настоящем стандарте применены следующие термины с соответствующими определениями:

3.1.1 газовая смесь: Смесь чистых веществ, не вступающих друг с другом в химическую реакцию, находящаяся в газообразном состоянии.

3.1.2 компонент: Чистое вещество в составе смеси.

3.1.3 параметры состояния: Физические величины (давление и температура), характеризующие равновесное состояние газовой смеси.

3.1.4 молярная доля: Отношение количества вещества компонента к количеству вещества смеси.

3.1.5 объемная доля: Отношение объема компонента к объему многокомпонентной смеси.

Примечание - Значение объемной доли зависит от давления и температуры смеси.

3.1.6 массовая доля: Отношение массы компонента к массе смеси.

3.1.7 массовая концентрация: Отношение массы компонента к объему смеси.

Примечание - Значение массовой концентрации зависит от давления и температуры смеси.

3.1.8 коэффициент сжимаемости: Отношение объема произвольного количества компонента или смеси при определенных значениях давления и температуры к объему того же количества компонента или смеси при тех же самых значениях давления и температуры, вычисленному по уравнению закона идеального газа.

3.1.9 коэффициент смешения: Отношение объема произвольного количества смеси при определенных значениях давления и температуры к сумме объемов всех компонентов смеси до смешения при тех же самых значениях давления и температуры.

3.1.10 вириальные коэффициенты: Коэффициенты, полученные путем разложения в ряд коэффициента сжимаемости в виде степеней параметра состояния.

3.2 В настоящем стандарте использованы следующие обозначения:

P — давление, Па;

T — температура, К;

xi — молярная доля i-го компонента;

\phi_{i} — объемная доля i-го компонента;

wi — массовая доля i-го компонента;

\rho_{i} — массовая концентрация i-го компонента, кг/м3;

Zi — коэффициент сжимаемости i-го компонента;

ZS — коэффициент сжимаемости смеси;

R — универсальная газовая постоянная (R = 8,3144598 Дж/(моль·К)), Дж/(моль·К);

fS — коэффициент смешения смеси;

Mi — молярная масса i-го компонента, кг/моль;

MN — молярная масса газа-разбавителя, кг/моль;

MS — молярная масса смеси, кг/моль;

\omega — фактор ацентричности;

B(T) — второй молярно-объемный коэффициент, м3/моль;

Tкрит — критическая температура, К;

Tr — приведенная температура, К;

Pкрит — критическое давление, Па.

4 Методы пересчета

4.1 Пересчет между значениями величин

Пересчет значения одной величины в значение другой величины осуществляется при определенных параметрах состояния рассматриваемой смеси.

При известном содержании только определяемого i-го компонента в смеси пересчет значений искомых величин осуществляют путем умножения значений исходных величин на коэффициенты пересчета, указанные в таблице 1.

Таблица 1

Коэффициенты пересчета значений величин при известном содержании только определяемого компонента смеси

Значение исходной величины	Значение искомой величины
	xi	\phi_{i}	wi	\rho_{i}
xi	1	\frac{f_{S} \cdot Z_{i}}{Z_{S}}	\frac{M_{i}}{M_{S}}	\frac{\alpha \cdot M_{i}}{Z_{S}}
\phi_{i}	\frac{Z_{S}}{f_{S} \cdot Z_{i}}	1	\frac{Z_{S} \cdot M_{i}}{f_{S} \cdot M_{S} \cdot Z_{i}}	\frac{\alpha \cdot M_{i}}{f_{S} \cdot Z_{i}}
wi	\frac{M_{S}}{M_{i}}	\frac{f_{S} \cdot M_{S} \cdot Z_{i}}{Z_{S} \cdot M_{i}}	1	\frac{\alpha \cdot M_{S}}{Z_{S}}
\rho_{i}	\frac{Z_{S}}{\alpha \cdot M_{i}}	\frac{f_{S} \cdot Z_{i}}{\alpha \cdot M_{i}}	\frac{Z_{S}}{\alpha \cdot M_{S}}	1
Примечание — \alpha = \frac{P}{R \cdot T} .

При известном содержании всех компонентов рассматриваемой смеси (количество компонентов k = 1, ..., N) коэффициенты пересчета значений величин из таблицы 1 преобразуются в коэффициенты пересчета, указанные в таблице 2.

Таблица 2

Коэффициенты пересчета значений величин при известном содержании всех компонентов смеси

Значение исходной величины	Значение искомой величины
	xi	\phi_{i}	wi	\rho_{i}
xi	1	\frac{Z_{i}}{\sum_{k = 1}^{N} x_{k} \cdot Z_{k}}	\frac{M_{i}}{\sum_{k = 1}^{N} x_{k} \cdot M_{k}}	\frac{\alpha \cdot M_{i}}{f_{S} \cdot \sum_{k = 1}^{N} x_{k} \cdot Z_{k}}
\phi_{i}	\frac{1}{Z_{i} \cdot \sum_{k = 1}^{N} \frac{\phi_{k}}{Z_{k}}}	1	\frac{M_{i}}{Z_{i} \cdot \sum_{k = 1}^{N} \frac{\phi_{k} \cdot M_{k}}{Z_{k}}}	\frac{\alpha \cdot M_{i}}{f_{S} \cdot Z_{i}}
wi	\frac{1}{M_{i} \cdot \sum_{k = 1}^{N} \frac{w_{k}}{M_{k}}}	\frac{Z_{i}}{M_{i} \cdot \sum_{k = 1}^{N} \frac{w_{k} \cdot Z_{k}}{M_{k}}}	1	\frac{\alpha}{f_{S} \cdot \sum_{k = 1}^{N} \frac{w_{k} \cdot Z_{k}}{M_{k}}}
Примечание — При выполнении расчетов используют формулы:
M_{S} = \sum_{k = 1}^{N} x_{k} \cdot M_{k} ; \frac{1}{M_{S}} = \sum_{k = 1}^{N} \frac{w_{k}}{M_{k}} ; \frac{Z_{S}}{f_{S}} = \sum_{k = 1}^{N} x_{k} \cdot Z_{k} ;		\frac{f_{S}}{Z_{S}} = \sum_{k = 1}^{N} \frac{\phi_{k}}{Z_{k}} ; \frac{f_{S} \cdot M_{S}}{Z_{S}} = \sum_{k = 1}^{N} \frac{\phi_{k} \cdot M_{k}}{Z_{k}} ; \frac{Z_{S}}{f_{S} \cdot M_{S}} = \sum_{k = 1}^{N} \frac{w_{k} \cdot Z_{k}}{M_{k}} .

4.2 Пересчет значения величины при различных параметрах состояния

Пересчет значения объемной доли при исходных параметрах состояния (P, T) к значению объемной доли при заданных параметрах состояния (Pзад, Tзад) осуществляют по формуле

\phi_{i}(P_{\text{зад}},T_{\text{зад}}) = \frac{f_{S}(P_{\text{зад}},T_{\text{зад}}) \cdot Z_{S}(P,T) \cdot Z_{i}(P_{\text{зад}},T_{\text{зад}})}{f_{S}(P,T) \cdot Z_{S}(P_{\text{зад}},T_{\text{зад}}) \cdot Z_{i}(P,T)} \cdot \phi_{i}(P,T) , (1)

где \phi_{i}(P,T) — значение объемной доли при исходных значениях давления и температуры;

\phi_{i}(P_{\text{зад}},T_{\text{зад}}) — значение объемной доли при заданных значениях давления и температуры.

Пересчет значения массовой концентрации при исходных параметрах состояния (P, T) к значению массовой концентрации при заданных параметрах состояния (Pзад, Tзад) осуществляют по формуле

\rho_{i}(P_{\text{зад}},T_{\text{зад}}) = \frac{P_{\text{зад}} \cdot T \cdot Z_{S}(P,T)}{P \cdot T_{\text{зад}} \cdot Z_{S}(P_{\text{зад}},T_{\text{зад}})} \cdot \rho_{i}(P,T) (2)

где \rho_{i}(P,T) — значение массовой концентрации компонента при исходных значениях давления и температуры;

\rho_{i}(P_{\text{зад}},T_{\text{зад}}) — значение массовой концентрации при заданных значениях давления и температуры.

5 Вычисление коэффициентов сжимаемости

5.1 Для вычисления коэффициента сжимаемости компонента используется усеченное вириальное уравнение

Z(P,T) = 1 + \frac{B(T) \cdot P}{R \cdot T} (3)

где Z(P, T) — коэффициент сжимаемости при давлении P и температуре T;

B(T) — второй молярно-объемный вириальный коэффициент при температуре T.

Второй молярно-объемный вириальный коэффициент вычисляют по уравнению Ветере

B(T) = \frac{(g^{(0)} + \omega \cdot g^{(1)} + \omega_{p} \cdot g^{(2)}) \cdot R \cdot T_{\text{крит}}}{P_{\text{крит}}} (4)

где

g^{(0)} = 0,1445 - \frac{0,330}{T_{r}} - \frac{0,1385}{T_{r}^{2}} - \frac{0,0121}{T_{r}^{3}} , (5)

g^{(1)} = 0,073 + \frac{0,46}{T_{r}} - \frac{0,50}{T_{r}^{2}} - \frac{0,097}{T_{r}^{3}} - \frac{0,0073}{T_{r}^{8}} , (6)

g^{(2)} = 0,1042 - \frac{0,2717}{T_{r}} + \frac{0,2388}{T_{r}^{2}} - \frac{0,0716}{T_{r}^{3}} + \frac{1,502 \cdot 10^{- 4}}{T_{r}^{8}} , (7)

T_{r} = \frac{T}{T_{\text{крит}}} , (8)

\omega_{p} = \frac{T_{\text{кип}}^{1,72}}{M_{i}} - 263 . (9)

Примечание - Если значение коэффициента \omega_{p} получается отрицательным, его следует принимать равным нулю.

Коэффициенты сжимаемости ряда веществ, рассчитанные в соответствии с усеченным вириальным уравнением (3) при P = 101325 Па и T = 293,15 К, приведены в приложении А.

Коэффициент сжимаемости смеси вычисляют из молярных долей компонентов и коэффициентов сжимаемости компонентов в соответствии с уравнением

Z_{S} = f_{S} \cdot \sum_{i = 1}^{N} x_{i} \cdot Z_{i} , (10)

где коэффициент смешения смеси fS принимается равным единице, следовательно, уравнение (10) сокращается до эквивалента закона Амагата

Z_{S} = \sum_{i = 1}^{N} x_{i} \cdot Z_{i} . (11)

6 Оценка неопределенности пересчета значений величин

В случае выполнения пересчета между значениями величин согласно 4.1 в бюджете неопределенности по ГОСТ 34100.3 следует учитывать следующие составляющие, связанные с выполнением данного пересчета:

u(MS) — стандартная неопределенность молярной массы смеси;

u(Zi) — стандартная неопределенность коэффициента сжимаемости компонента;

u(ZS) — стандартная неопределенность коэффициента сжимаемости смеси;

u(fS) — стандартная неопределенность аппроксимации единицей коэффициента смешения;

u(Mi) — стандартная неопределенность молярных масс компонентов;

u(R) — стандартная неопределенность универсальной газовой постоянной.

Для приближенной оценки данных составляющих руководствуются следующими формулами:

u(M_{S}) = \sqrt{\sum_{i = 1}^{N - 1} (M_{i} - M_{N})^{2} \cdot u^{2}(x_{i})} , (12)

u(Z_{i}) = \frac{|1 - Z_{i}|}{\sqrt{3}} , (13)

u(Z_{S}) = \frac{|1 - Z_{S}|}{\sqrt{3}} , (14)

где u(xi) — стандартная неопределенность молярной доли компонента.

В приближенной оценке не учитывают, считая незначимыми, неопределенности u(fS), u(Мi) и u(R).

Приложение А (справочное)

КОЭФФИЦИЕНТЫ СЖИМАЕМОСТИ ВЕЩЕСТВ

Таблица А.1

Коэффициенты сжимаемости веществ

Вещество	Формула	Mi, г/моль	Tкип, К	Tкрит, К	Pкрит, Па	\omega	Zi
Аргон	Ar	39,9481	87,28	150,86	48,98·105	0	0,9993
Арсин	AsH3	77,9455	210,67	373	65,5·105	0,0105	0,9896
Трихлорид бора	BCl3	117,1680	285,65	451,95	38,71·105	0,1505	0,9642
Тетрафторэтилен	C2F4	100,0148	197,51	306,45	39,44·105	0,227	0,9895
Гексафторэтан	C2F6	138,0116	194,95	292,8	29,8·105	0,249	0,9880
Ацетилен	C2H2	26,0372	189,35	308,3	61,38·105	0,191	0,9927
1,1-Дифторэтилен	C2H2F2	64,0340	187,5	302,8	44,6·105	0,136	0,9913
Винилхлорид	C2H3Cl	62,4966	259,25	432	56,7·105	0,1	0,9799
1-Хлор-1,1-Дифторэтан	C2H3ClF2	100,4934	263,95	410,29	40,41·105	0,231	0,9730
Винилфторид	C2H3F	46,0435	200,95	327,8	52,4·105	0,143	0,9904
1,1,1-Трифторэтан	C2H3F3	84,0403	225,81	345,88	37,64·105	0,261	0,9833
Этилен	C2H4	28,0531	169,47	282,34	50,41·105	0,086	0,9939
1,1-Дифторэтан	C2H4F2	66,0499	249,13	386,44	45,2·105	0,275	0,9796
Оксид этилена	C2H4O	44,0525	283,6	469,15	71,9·105	0,197	0,9617
Хлорэтан	C2H5Cl	64,5126	285,42	460,35	52,7·105	0,19	0,9708
Фторэтан	C2H5F	48,0595	235,45	375,31	50,28·105	0,22	0,9840
Этан	C2H6	30,0691	184,55	305,32	48,72·105	0,1	0,9919
Диметиловый эфир	C2H6O	46,0685	248,31	400,1	53,7·105	0,2	0,9806
Диметиламин	C2H7N	45,0839	280,03	437,2	53,4·105	0,3	0,9630
1-Хлор-1,1,2,2-Тетрафторэтан	C2HClF4	136,4743	261,41	400	37,6·105	0,274	0,9725
Гексафторпропилен	C3F6	150,0222	243,55	368	29·105	0,205	0,9742
Октафторпропан	C3F8	188,0190	236,4	345,05	26,8·105	0,327	0,9759
Пропадиен	C3H4	40,0637	238,65	394	52,5·105	0,104	0,9815
Метилацетилен	C3H4	40,0637	249,94	402,4	56,3·105	0,212	0,9785
Циклопропан	C3H6	42,0797	240,37	397,91	54,95·105	0,127	0,9819
Пропилен	C3H6	42,0797	225,46	364,9	46·105	0,141	0,9847
Пропан	C3H8	44,0956	231,11	369,83	42,48·105	0,152	0,9827
Триметиламин	C3H9N	59,1104	276,02	433,25	40,73·105	0,209	0,9680
Гептафторпропан	C3HF7	170,0286	256,79	374,83	29,12·105	0,355	0,9700
Октафтор-2-бутен	C4F8	200,0296	270,36	392	23,3·105	0,292	0,9580
Октафторциклобутан	C4F8	200,0296	267,17	388,37	27,78·105	0,356	0,9643
н-Бутан	C4H10	58,1222	272,65	425,12	37,96·105	0,2	0,9682
2-метилпропан	C4H10	58,1222	261,43	407,8	36,4·105	0,184	0,9718
1,2-Бутадиен	C4H6	54,0903	284	452	43,6·105	0,166	0,9603
1,3-Бутадиен	C4H6	54,0903	268,74	425,37	43,3·105	0,193	0,9709
Этилацетилен	C4H6	54,0903	281,22	443,2	49,5·105	0,247	0,9661
1-Бутен	C4H8	56,1062	266,9	419,59	40,2·105	0,187	0,9716
Цис-2-бутен	C4H8	56,1062	276,87	435,58	42,06·105	0,203	0,9666
Транс-2-бутен	C4H8	56,1062	274,03	428,63	41,02·105	0,218	0,9679
Циклобутан	C4H8	56,1062	285,66	459,93	49,8·105	0,185	0,9634
2-метилпропен	C4H8	56,1062	266,25	417,9	39,99·105	0,189	0,9719
2,2-диметилпропан	C5H12	72,1487	282,65	433,8	31,96·105	0,196	0,9602
Бромхлордифторметан	CBrClF2	165,3629	269,14	426,15	42,54·105	0,187	0,9721
Бромтрифторметан	CBrF3	148,9098	215,26	340,15	39,7·105	0,17	0,9856
Дихлордифторметан	CCl2F2	120,9104	243,36	384,95	41,25·105	0,18	0,9794
Хлортрифторметан	CClF3	104,4573	296,97	471,2	44,08·105	0,189	0,9622
Тетрафторметан	CF4	88,0042	145,09	227,5	37,4·105	0,179	0,9961
Хлорметан	CH3Cl	50,4860	248,93	416,25	66,8·105	0,153	0,9840
Фторметан	CH3F	34,0329	194,82	317,42	58,75·105	0,198	0,9921
Метан	CH4	16,0425	111,66	190,56	45,99·105	0,012	0,9981
Метил меркаптан	CH4S	48,1100	279,11	469,95	72,3·105	0,158	0,9682
Метиламин	CH5N	31,0573	266,82	430,05	74,6·105	0,281	0,9679
Дихлорфторметан	CHCl2F	102,9200	282,05	451,58	51,84·105	0,205	0,9717
Хлордифторметан	CHClF2	86,4669	232,32	369,3	49,71·105	0,219	0,9846
Трифторметан	CHF3	70,0138	191,09	299,01	48,16·105	0,264	0,9920
Хлор	Cl2	70,9030	239,12	417,15	77,11·105	0,069	0,9871
Оксид углерода	CO	28,0100	81,7	132,92	34,99·105	0,0663	0,9997
Диоксид углерода	CO2	44,0094	194,7	304,19	73,82·105	0,2276	0,9945
Карбонилсульфид	COS	60,0775	223	378,8	63,49·105	0,097	0,9880
Дейтерий	D2	2,0141	23,65	38,35	16,64·105	-0,1449	1,0006
Фтор	F2	37,9968	84,95	144,12	51,72·105	0,053	0,9996
Водород	H2	2,0160	20,39	33,18	13,13·105	-0,215	1,0007
Сероводород	H2S	34,0835	212,8	373,53	89,63·105	0,0942	0,9912
Хлористый водород	HCl	36,4595	188,15	324,65	83,1·105	0,1315	0,9942
Гелий	He	4,0026	4,22	5,2	2,28·105	-0,39	1,0008
Криптон	Kr	83,7982	119,8	209,35	55,02·105	0	0,9978
Азот	N2	28,0137	77,34	126,2	34,6·105	0,0377	0,9998
Оксид диазота	N2O	44,0131	184,67	309,57	72,45·105	0,1408	0,9942
Неон	Ne	20,1798	27,09	44,4	26,53·105	-0,0395	1,0005
Трифторид азота	NF3	71,0021	144,09	234	44,61·105	0,12	0,9963
Аммиак	NH3	17,0308	239,72	405,65	112,8·105	0,2526	0,9778
Оксид азота	NO	30,0063	121,38	180,15	64,8·105	0,5829	0,9997
Кислород	O2	31,9988	90,19	154,58	50,43·105	0,0222	0,9993
Фосфин	PH3	33,9977	185,41	324,75	65,4·105	0,0452	0,9929
Гексафторид серы	SF6	146,0579	209,25	318,69	37,6·105	0,2151	0,9875
Тетрафторид кремния	SiF4	104,0786	187,15	259	37,2·105	0,3858	0,9938
Силан	SiH4	32,1169	161	269,7	48,4·105	0,0938	0,9945
Диоксид серы	SO2	64,0663	263,13	430,75	78,84·105	0,2453	0,9835
Ксенон	Xe	131,2936	165,03	289,74	58,4·105	0	0,9944

УДК 681.2.089:006.354	ОКС 17.020
Ключевые слова: молярная доля, объемная доля, массовая доля, массовая концентрация, газовая смесь, пересчет, коэффициент сжимаемости

---