2.Фазовые состояния углеводородных систем: условия равновесия, двухфазная система.

Условия равновесия двухфазной системы

Все природные газы являются многокомпонентными системами. Если установилось равновесие двухфазной системы, то при данной температуре парциальные давления любого компонента в паровой и жидкой фазах должны быть равны между собой.

Парциальное давление в паровой фазе:

а жидкой фазе:

При установлении равновесии системы:

где у – молярная концентрация компонента в паровой фазе; Р – общее давление; х – молярная концентрация данного компонента в жидкой фазе; Q – упругость паров данного компонента при температуре смеси.

Количественное решение двухфазной системы:

Заключается в количественном распределении на паровую и жидкую фазы всех компонентов этой смеси при заданных давлении и температуре. Уравнение общего баланса распределения компонентов имеет следующий вид:

(Ж)

где 100 – число молей первоначальной смеси; L – число молей образовавшейся жидкой фазы; V – число молей паровой фазы.

Материальный баланс по каждому компоненту:

A=x·L+y·V

где А – число молей в первоначальной смеси; х – молярная концентрация этого компонента в жидкой фазе; у – молярная концентрация его в паровой фазе.

Для получения уравнения параметров жидкой фазы в уравнении (Ж) следует заменить параметры паровой фазы параметрами жидкой:

и

Затем получаем:

Решая его относительно Х , получаем:

(Э)

Уравнение (Э) называется уравнением концентраций так как учитывает концентрацию любого компонента в жидкой фазе при заданных значениях давления и температуры. Аналогично получается уравнение концентраций для паровой фазы

и

Для n компонентов первоначальной смеси будет n уравнений + одно уравнение

х₁ + х₂ +…+x_n = 1

y₁ + у₂ +…у_n = 1

Исходя из изложенного для n +1 неизвестных будет столько же уравнений. Окончательное уравнение для определения параметров жидкой фазы имеет вид:

3. Явления обратной конденсации и испарения.

Если пар, находящийся в емкости под Р продолжать сжимать, то через некоторое время он становится насыщенным. При дальнейшем  Р будет происходить конденсация пара и вследствие этого уменьшение его объема. Когда весь пар перейдет в жидкость, то при дальнейшем повышении давления эта жидкость будет сжиматься на такую ничтожную величину, что ею часто можно пренебречь. Р способствует конденсации. Р, - испарению. Это - прямые процессы. Но в зоне высоких Р и при других определенных условиях происходят обратные процессы. При  Р происходят испарение, при Р - конденсация. Это обратные процессы. Месторождения, образовавшиеся в результате таких обратных процессов - ГКМ. Существование ГКМ объясняется тем, что углеводородные смеси при Р с 3—4 МПа, перестают подчиняться законам упругости паров и равновесных соотношений.

Константы равновесия углеводородов с Р также , т. е. жидкости становятся более летучими. В результате смесь может оказаться в газообразном состоянии. Все это происходит при t>t_кр.

Диаграмма Р и t для двухкомпонентой системы. t_кр – кривая точек кипения; t_тр – кривая точек росы. В области, расположенной выше температуры, соответствующей точке С_R, существование жидкой фазы данной смеси невозможно. Точку С_R, обычно называют точкой критической температуры конденсации, а точку С_Х - критической температурой многокомпонентной смеси. Обычно в этой точке в двухфазное состояние из этой смеси переходит примерно 50% жидкости. Для чистого же компонента в точке С_R, состояние жидкой фазы предельное. Выше этой точки жидкость переходит в пар. Этим различаются критические температуры смеси и чистого компонента. Рассмотрим 2 варианта изменения состояния смеси с  Р: первый - при температуре ниже критической в точке С_Х , а второй - выше нее, но ниже С_R. Изменение состояния смеси по линии abc при температуре t₁<t_кр.см. В точке а существует одна жидкая фаза. Снижение в интервале аb не вызывает образования паровой фазы. В точке b начинается испарение. Линия NbC_Х является линией кипения или испарения. Количество паровой фазы по мере  P будет . В данном случае процесс проходит обычным путем, т. е. это прямой процесс испарения при  P над смесью. 2. Изменение состояния смеси по линии efdh при температуре t₂, линия efdh расположена между критическими температурами, т. е. t_кр.см<t₂<t_кон.см В точке е существует только газовая фаза, сохраняющаяся и при  P в интервале еf. В точке f появляется жидкость (кривая C_ХfC_RhO - кривая конденсации или точек росы). При дальнейшем  P ниже точки f количество жидкости будет , но только до известного предела (до точки d), а затем , и в точке h будет опять только газовая фаза. В данном случае в интервале fd наблюдается явление обратной конденсации - образование конденсата при  P. В интервале dh протекает прямой процесс - испарение жидкости при  Р. Если процесс вести снизу, то в этом интервале будет также прямой процесс - образование конденсата при повышении давления, а в интервале df - обратный процесс, т. е. испарение жидкости при повышении давления. Процесс обратной конденсации или испарения может протекать только в зоне между критической температурой данной смеси и критической температурой ее конденсации, т. е. от t_кр.см до t_кон.см (между точками С_Х и С_R). Рассмотрим изотермы конденсации для трех t. Каждой изотерме соответствует определенное Р, при котором образуется max количество конденсата. Это Р max конденсации. При более низкой t получается значительно > конденсата. Для получения большего количества конденсата при эксплуатации ГКМ газ охлаждают.