Расчет фазовых равновесий углеводородных смесей

Так как экспериментальный способ изучения газоконденсатных характеристик, являющийся основным для исследования фазовых превращений углеводородов, трудоемок и требует много времени большое внимание уделяется развитию расчетных методов оценки этих характеристик. Вследствие многообразия состава газоконденсатных систем, отдельные составляющие которых кипят в очень широком диапазоне температур, создать расчетные методы построения газоконденсатных характеристик очень сложно. Поэтому для прогнозирования фазовых превращений углеводородов при проектировании разработки газоконденсатных и газонефтяных месторождений и процессов переработки газа и конденсата используются приближенные методы расчета.

В основе расчетных методов оценки фазового состояния углеводородов лежит закон Дальтона-Рауля

, (1)

где - общее давление смеси

и - мольные концентрации (доли) компонентов в паровой и жидкой фазах

- давление насыщения паров компонентов смеси в чистом виде

- парциальное давление компонента в паровой фазе

- парциальное давление того же компонента в жидкой фазе.

Из уравнения (1) следует, что распределение углеводородов между фазами двухфазной равновесной системы протекает в соответствии с давлением паров углеводородов и их мольными концентрациями. При нарушении равновесия в системе вследствие изменения температуры или давления начинается перераспределение углеводородов между фазами. Это происходит до тех пор, пока парциальные давления каждого компонента в газе и жидкости не сравняются. Углеводороды, имеющие при данной температуре давление насыщения паров большее, чем общее давление в системе, будут иметь и более высокую концентрацию в паровой фазе, чем в жидкой и наоборот. Используя закон Дальтона - Рауля и зная температуру и давление, при которых находится смесь, по концентрации компонента в одной из фаз можно найти ее концентрацию в другой фазе.

Давление паров жидкой смеси определяется как

(2)

Концентрацию всех компонентов в равновесной паровой фазе определяют по уравнению

(3)

Аналогичным образом можно определить состав жидкости, находящейся в контакте с газом, когда известен состав газовой смеси. Уравнения для расчетов в этом случае выглядят следующим образом:

(4)

(5)

Уравнение (2) называют уравнением начала однократного (контактного) испарения, а уравнение (4) - уравнением начала однократной конденсации.

Константы фазового равновесия

Константой равновесия называют отношение концентрации данного компонента в паровой фазе к его концентрации в жидкой фазе

Если ввести константы равновесия в уравнения (1), (3) и (5) , то они примут вид:

Каждый компонент смеси (кроме метана) имеет два значения давления, при которых константы равновесия равны единице: при давлении насыщенных паров компонентов и в точке их схождения. Давление, соответствующее этой точке называется давлением схождения. Если диаграмма составлена при критической температуре, то давление схождения будет критическим. При других температурах схождение будет лишь кажущимся. Для многих нефтей кажущееся давление схождения при котором константы равновесия всех компонентов становятся равными единице, составляет 34,5-35 МПа. При низких давлениях и температурах константы равновесия углеводородов мало зависят от состава смеси.