Created by SuhOFFF

2 Физико-химические свойства углеводородных газов

2.1 Состав газовой смеси

Газовые смеси (как и смеси жидкостей и паров) характеризуются массовыми или молярными концентрациями компонентов. Объёмный состав газовой смеси примерно совпадает с молярным, так как объёмы одного моля идеальных газов при одинаковых фи- зических условиях по закону Авагадро имеют одно и тоже численное значение2.

Для характеристики газовой смеси необходимо знать её среднюю молекулярную массу, среднюю плотность или относительную плотность по воздуху.

Если известен молярный состав смеси (в процентах), то средняя молекулярная мас- са вычисляется по формуле:

N

åMi xi (2.1) Mсм = i=100%1

Здесь N - количество компонентов, составляющих газовую смесь; xi - молярные

(объёмные) концентрации компонентов, % ; Mi - молекулярные массы компонентов.

Если задан массовый состав смеси (в процентах), то средняя молекулярная масса вычисляется по формуле:

	M	см	=	100
				N	gi	(2.2)
				å
					Mi
				i=1

Здесь gi - массовые концентрации компонентов, % .

Для перехода от молярного состава к массовому и обратно используются формулы:

gi	=			Mi xi
				N				(2.3)
				åMi xi
				i=1
			gi		N
xi	=				å	gi		(2.4)
		Mi i=1 Mi

	2 Молярный объём при стандартных условиях Vмол = 24,04			л
				моль
		ст
	Молярный объём при нормальных условиях Vмол = 22,41			л
			моль
		н
	30.10.2010	- 2 -

Created by SuhOFFF

2.2 Критические и приведённые параметры газа

Природные газы представляют собой смеси углеводородных и неуглеводородных компонентов, то есть являются многокомпонентными системами. Отдельные газы или многокомпонентные системы могут находиться в одно-, двух- или трёхфазном состоянии (в газообразном, жидком или твёрдом). Индивидуальные газы изменяют свой объем в за- висимости от давления и температуры. Если вещество находится в однофазном состоянии, то его объем V определяют по температуре Т и давлению р.

На рис. 1 приводится диаграмма давление - удельный объем для метана.

Рис. 1. Диаграмма давление - удельный объём для метана

При изотермическом сжатии метана его объем уменьшается с повышением давле- ния до появления жидкой фазы (кривая Е). Затем сжатие метана происходит при по- стоянном давлении до его полного перехода в жидкое состояние, после чего дальнейшее сжатие приводит к резкому возрастанию давления (ba). Температура, при которой с по- вышением давления в газе появляется первая капля жидкости, называется точкой росы или точкой конденсации (точка d). Температура, при которой происходит полный переход газа в жидкость, называется точкой насыщения (точка b). Линия bd – линия равновесного сосуществования газовой и жидкой фаз, называется линией упругости паров, а соответст- вующее давление – давлением упругости паров. Для однокомпонентных систем точка ро- сы, точка насыщения и упругость паров соответствуют одному и тому же давлению и

30.10.2010

- 3 -

Created by SuhOFFF

температуре, поэтому линия параллельна оси удельного объема. Из этого рисунка следует, что линия bc есть геометрическое место точек насыщения, а линия Cde – геометирическое место точек росы. Точка С, в которой встречаются эти линии, называется критической. В этой точке различие между газообразной и жидкой фазами исчезает. Критической точке С соответствуют критические давление и температура.

Таким образом, максимальная температура, при которой данный газ еще может быть переведен в жидкое состояние, называется критической температурой, а соответст- вующее ей давление называется критическим давлением. Критическая температура мета- на равна −82°C , для этана 32,3°C , для азота 141,7°C . Внутри линии E имеем сосущест-

вующие газообразную и жидкую фазы. Правее линии Сde – газообразная фаза, а левее ли- нии bС – жидкая фаза.

Фазовое поведение двух- и многокомпонентных систем зависит не только от дав- ления и температуры, но и от состава газа. На рис. 2 представлена p-v диаграмма для би- нарной смеси углеводородов пентан-гептан.

Рис. 2. Диаграмма давление - удельный объём для системы н-пентан и н-гептан

Характерным отличием р-v диаграммы бинарной системы является рост давления при переходе системы от точки росы до точки насыщения. Это объясняется тем, что с пе- реходом системы через двухфазную область составы жидкости и ее паров непрерывно из- меняются. По мере конденсации жидкости ее состав по отношению к более летучему ком-

30.10.2010

- 4 -

Created by SuhOFFF

поненту обогащается, пока не станет соответствовать составу всей системы в точке насы- щения. При этом повышается давление насыщенных паров.

В результате положение критической точки смещается так, что оказывается воз- можным существование двух фаз при давлениях и температурах больших, чем критиче- ские. Такова принципиальная разница в поведении однокомпонентных и много- компонентных систем.

Если теперь из диаграммы р-v для различных изотерм построить кривые точек на- сыщения и точек росы в зависимости от температуры, то получится р-Т диаграмма для многокомпонентной системы (рис. 3).

Рис. 3. Диаграмма фазовых состояний многокомпонентной системы

На этой диаграмме выделяются три критических точки В, С, D. Точка С называется

истинно критической. Ей соответствуют критическое давление смеси pкр и критическая

см

температура смеси Tкр . В этой точке раздела фаз нет, вещество находится в однофазном

см

критическом состоянии.

Точка D соответствует критической температуре конденсации Tmax , характеризую-

щейся максимальной температурой, превышающей Tкр . Как видно, при температуре, пре-

см

вышающей Tкр , возможно существование двух фаз – газообразной и жидкой. Точка В со-

см

30.10.2010

- 5 -

Created by SuhOFFF

ответствует максимальному давлению, превышающему pкр , при котором возможно еще

см

парообразное состояние. Точка D называется также крикондентермой, а точка В – крикон- денбарой.

При температурах ниже критических увеличение давления в смеси приводит к уве- личению объема жидкой фазы за счет конденсации газообразной фазы вплоть до ее пол- ного перехода в жидкое состояние. И, наоборот, при уменьшении давления происходит

переход из жидкого в газообразное состояние через промежуточную область двухфазного состояния. Однако в области давлений и температур, превышающих критические зна-

чения, фазовые переходы происходят иначе. При температурах Tmax > T > Tкр с по-

см

вышением давления дважды пересекается кривая точек росы. В точке 1 смесь газов нахо- дится в парообразном состоянии. В точке 2 она становится насыщенной, и по мере увели- чения давления конденсируется все большее количество жидкости. В точке 3 количество жидкости достигает 10%. При дальнейшем увеличении давления происходит не увеличе- ние, а снижение количества жидкости, и при повторном пересечении линии точек росы (точка 4) вся смесь вновь переходит в газообразное состояние. Последующий рост давле- ния не приводит, к изменению этого состояния. Испарение смеси на участке 3-4 при по- вышении давления называется обратным или ретроградным испарением. Конденсация жидкости, происходящая на этом же участке при изотермическом снижении давления, на- зывается обратной или ретроградной конденсацией. На этой же диаграмме можно наблю- дать ретроградные явления при изобарическом изменении температуры между точками B и С, когда жидкая смесь через промежуточную область двухфазного состояния вновь пе- реходит в жидкое состояние. Итак, ретроградные явления свойственны многокомпонент- ным системам в определенной области давлений и температур. Изменение фазового пове- дения многокомпонентных систем имеет большое значение применительно к месторож- дениям нефти и газа. Явления ретроградной конденсации, в частности, имеют место при разработке газоконденсатных месторождений. Классификация месторождений природных газов по составу пластовых флюидов соответствует фазовой диаграмме, представленной на рис. 3. Углеводородная смесь в области I находится в однофазном (жидком) состоянии, данная область характеризует недонасыщенные нефтяные залежи; в областях II и III смесь находится в однофазном (газовом) состоянии, область II характеризует газовые и газокон- денсатные залежи, III – чисто газовый залежи; в области IV смесь находится в двухфазном (газовая и жидкая) состоянии и характеризует

Для природного газа, являющегося смесью углеводородных и неуглеводородных компонентов, критические параметры – давление, температура, плотность, объём и т.д. –

30.10.2010

- 6 -