CC BY
31ПОДГОТОВКА НЕФТИ
УДК 665.7.033.2 665.632
о.в. фоминых, м.с. Яковлева, с.А. леонтьев, к.т.н, доцент Тюменского государственного нефтегазового университета
исследование методов расчета фазовых равновесий углеводородов
В научно-аналитических центрах нефтегазодобывающих предприятий производится изучение свойств нефти и газа и расчет технологических процессов, основанных на фазовых переходах углеводородов. Для этого необходимо иметь представление о количественном содержании каждого компонента гомологического ряда в данной системе, а также его распределении между жидкой и паровой фазами. Основным способом изучения количественных характеристик является определение констант фазового равновесия.
Константы нужны для расчета концентраций компонента в одной фазе при условии знания концентрации того же компонента в другой фазе. На данный момент все методы расчета парожид-костного равновесия подразделяются на экспериментальные и аналитические. При этом возникают затруднения с расчетом, так как существующие методы требуют специальной техники либо специальных программ для расчета. В общем понимании величина константы фазового равновесия представляет собой отношение мольной доли компонента в газе к мольной доли этого же компонента в жидкости [1]
К = ^, (1)
где У( - мольная доля компонента в паровой фазе, х( - мольная доля компонента в жидкой фазе.
На распределение компонентов между паровой и жидкой фазовой в условиях их равновесия значительное влияние оказывает температура и давление в системе. Поэтому название «константа» является условным, в связи с этим в литературе часто встречается термин «коэффициент распределения», хотя по своему значению это одно и то же. Если рассматривать систему как идеальную, где газ подчиняется законам идеального газа, а нефть ведет себя как идеальный раствор, то данная система
подчиняется закону Рауля-Дальтона и значение константы определяется из следующего выражения [2]
К, = р, (2)
где Р0(п - парциальное давления компонента, Р - давление в системе. Однако при увеличении давления в системе свойства реальных газов отличаются от свойств идеального газа, поэтому уравнение (2) не используют в области высоких давлений. При давлениях до 1,0 МПа, что характерно для процессов подготовки нефти, нефть и её пары подчиняются свойствам идеальных систем. Поэтому в области низких давлений с высокой достоверностью можно использовать выражение (2) для расчета констант [3]. Льюисом и Ренделлом было предложено заменить парциальное и давление в системе на некоторую функцию f, зависящую от давления, и названую ими летучестью. Тогда уравнение принимает вид [4]:
где /°(ж - летучесть компонента в жидкой фазе, /\ - летучесть компонента в паровой фазе.
Именно этот способ используется в инженерных работах для расчета фазовых превращений. Летучесть определяется
по различным уравнениям состояния. На данный момент существует более 150 уравнений состояния и их модификаций. Существуют различные виды уравнений: двух-, трех-, восьми-, одиннад-цатипараметрические и т. д. Однако при расчете констант фазового равновесия наибольшее распространение получили два уравнения состояния: уравнение Бенедикта, Вебба, Рубина [4] и уравнение Редлиха-Квонга [5], общей особенностью которых является неразрешимость в явном виде при использовании в расчетах по определению констант фазового равновесия [2]. Так как уравнения состояния являются универсальными, их использование предусматривает расчет не только констант, но и других свойств, поэтому основной причиной усложнения формул является именно повышение точности расчетов физико-химических свойств углеводородных смесей. Так, 11-параметрическое модифицированное уравнение БВР, предложенное Кохом и Старлингом в 1968 г., предполагает уменьшение погрешности расчета энтальпии до 1,9%, молярной плотности до 0,77% (погрешность энтальпии и плотности, рассчитанная по уравнению БВР равна 100% и 5% соответственно). При этом введение дополнительных 3 коэффициентов не повлияло на изменение погрешности расчета констант фазового равновесия, но значительно усложнило процесс.
78 \\ ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ \\
\\ № 3 \\ март \ 2010
Существуют и другие методы определения констант, например номограммы. Они позволяют определить константы в зависимости от температуры, давления в системе и нормальной температуры кипения соединения. Этот метод не требует больших затрат времени и специального оборудования, однако обладает значительной погрешностью [6]. Уравнение Рауля-Дальтона (2), предназначенное для расчетов идеальных констант, применяют и в реальных системах при условии давления меньше 0,3 МПа, но, если заменить парциальное давление на давление насыщенного пара компонента, рассчитанное по уравнению Антуана с коэффициентами Шервуда-Рида [7], то, не увеличивая погрешность, можно значительно упростить расчет. Стоит заметить, что при давлениях до 1,0 МПа нефть и её пары подчиняются свойствам идеального раствора и идеального газа, а как известно, для идеальных систем парциальное давление равно давлению насыщенного пара этого же компонента. Таким образом, выражение для расчета констант фазового равновесия, имеющее минимальную погрешность в области низких давлений, примет следующий вид
К =
А-— е c+t
(4)
где А, В, С - коэффициенты уравнения Антуана [7], t - температура системы, Р - давление в системе. Результаты расчета по предлагаемому уравнению сравнивались со значениями констант, полученных по номограмма Уина, Сандрашвили - Львова, уравнениями Пенга - Робинсона, Редлиха - Квонга, Бенедикта-Вебба-Рубина, в результате чего погрешность не превысила 2 %. В связи с этим для расчетов процессов фазовых переходов углеводородов в области низких давлений рекомендуется применение формулы (4), которая значительно упрощает процесс расчета констант при высокой достоверности результата.
Литература:
1. Рабинович Г. Г. Расчет основных процессов и аппаратов нефтепереработки/ Г. Г. Рабинович, П.М. Рябых, П.А. Хохряков и др. М.: Химия, 1979. 568 с.
2. Намиот А.Ю. Фазовые равновесия в добыче нефти. М.: Недра, 1976. 183 с.
3. Леонтьев С.А. Определение констант фазового равновесия по данным исследования глубинных проб нефти / С.А. Леонтьев, О.В. Фоминых// Известия вузов. Нефть и газ. 2009. № 4. С. 84-87.
4. Benedict M., Webb G.B., Rubin L.C. An empirical equation for thermodynamic properties of light hydrocarbons and their mixtures: J. Chem. Physics, 8, 334-345 (1940); 10, 747-758 (1942).
5. Redlich O., Kwong J. N.S. On the thermodynamics of solutions: V: an equation of state. Fugacities of gaseous solutions. Chem. Fundamen., 9, 287-290 (1970)/
6. Гуревич Г.А., Ширковский А.И. Аналитические методы исследования парожидкостного состояния природных углеводородных газов (Обзор зарубежной литературы). М.: ВНИИОЭНГ, 1975. 132 с.
7. Рид Р., Шервуд Т. Свойства жидкостей и газов. Определение и корреляция. Пер. с англ. Л.: Химия, 1966.
Ifgf • ffffff!
BiWiiiiiiil
WWW.NEFTEGAS.INFO
УВАЖАЕМЫЕ
ВИКТОР ГЕОРГИЕВИЧ И АЛЬБЕРТ ИЛЬИЧ! ДОРОГИЕ КОЛЛЕГИ! СЕРДЕЧНО ПОЗДРАВЛЯЕМ ВАС
Мы всегда помнили и будем помнить, что история Тюменского государственного нефтегазового университета неразрывно связана с историей института им. И.М.Губкина, при непосредственном участии которого в 1956 году на базе учебно-консультационного пункта Уральского политехнического института появился Тюменский индустриальный институт. К настоящему времени он превратился в огромный научно-образовательный комплекс, включающий учебные институты и филиалы, подразделения среднего и начального профессионального образования, общеобразовательный лицей, институты повышения квалификации и дополнительного образования, институт международных образовательных программ, а также 19 научно-исследовательских институтов, проблемных лабораторий и центров, 7 исследовательских институтов, а также субарктический полигон, который является единственным в России местом, где проходят геокриологическую практику в том числе и студенты вашего и зарубежных вузов.
Многие наши преподаватели в своё время получили образование в стенах знаменитой «керосинки», учились у основоположников отечественной нефтегазовой науки, таких, как С.С.Наметкин, Л.С.Лейбензон, М.Ф.Мирчинк. А.П. Крылов, Л.В. Пустовалов, А.В.Топчпев, С.В.Федоров. И.И.Черняев, а потом уже в Тюмени закладывали добрые традиции, которые перенимали из опыта работы вуза, о котором навсегда сохранили самые тёплые воспоминания.
Со многими выпускниками РГУ нефти и газа им. Губкина, ставшими руководителями крупных нефтегазовых компаний, у нас сложились тесные деловые связи, партнёрские и дружеские отношения. К примеру, ваш выпускник Валерий Исаакович Грай-фер в прошлом году стал почетным профессором ТюмГНГУ. Отмечая вместе с вами этот юбилей, мы желаем коллективу базового вуза нефтегазового комплекса России новых больших успехов в научных достижениях и в подготовке высококвалифицированных кадров! Крепкого вам всем здоровья, долгих лет жизни и плодотворной работы на благо России, а студентам желаем стать пытливыми и способными инженерами, сохранять и множить добрые традиции прославленного университета!
И.о.ректора ТюмГНГУ, профессор В.В.Новосёлов Президент ТюмГНГУ, профессор Ю.М.Конев
www.tsogu.ru
