Лекция №13.

41. Фазовое равновесие в углеводородных системах.

Вязкость, диффузия, теплопроводность относятся к кинематическим свойствам. Остальные же – к динамическим.

Испарение, плавление, конденсация, выпадение твёрдых компонентов, переход в сверхтекучее состояние – всё это фазовые превращения.

Фазовые превращения – скачкообразный переход вещества из одной фазы в другую.

Фаза – гомогенная часть гетерогенной системы.

Рассмотрим типы фазовых превращений, иначе называемых переходами или равновесиями:

жидкость-газ;

наиболее яркими примерами такого типа фазовых переходом является дегазация нефти или граница «жидкая вода – воздух, насыщенный водой» (влажность).

жидкость-твёрдое тело;

здесь в пример можно привести выпадение снега (для воды) или выпадение асфальто-смоло-парафиновых веществ (для нефти).

Так при некоторых термодинамических условиях, в частности термобарических, если содержание парафина в нефти 25 весовых %, то АСПО (асфальто-смоло-парафиновые отложения) выпадают при температуре Т_н=50С; если содержание парафинов в нефти 6%, то Т_н=30.

Обычно в Западно-Сибирских областях содержание парафиновых компонентов колеблется от 3 до 4%.

Также примеров может являться и образование газовых гидратов (вода + природный газ). Структура этого явления выглядит следующим образом: вода образует ажурную решётку с полостями, внутри которых находятся метан, этан, пропан и иногда сероводород, в результате чего создаются пробки. Для их устранения в пласт нужно закачивать огромное количество горячей нефти.

И последний тип: «жидкость-жидкость»;

Для описания этого типа может послужить суспензия – отстаивание нефти, в результате чего мы имеем два слоя нефть и воду.

Теперь рассмотрим фазовые превращения применительно к нефтяной и газовой промышленности.

В пластовых условиях содержание метана может быть 25-30, а иногда и 40%. При извлечении пластовое давление снижается до нормального и происходит дегазация, в результате чего количество метана уменьшается до 5% или около того. По хроматографии количество алканов равно 22¼34 (по атому углерода).

Нефть характеризуется фракциями, количество которых зависит от метода возгонки и колеблется от 6-8 или 20 фракций (в зависимости от температуры кипения и прочих условий).

Для расчётов применяют следующие уравнения:

Уравнение Ван-дер-Ваальса – (не на практике);
Уравнение идеального газа Менделеева-Клапейрона;
Уравнение Пенга-Робинсона – (не на практике);
Уравнение Редлих-Квонга.

С помощью этих уравнений мы можем узнать фазовый состав нефти, с точностью до 5% выявить состав и свойства фаз.

Реальным уравнением в машинных программах является уравнение Пенга-Робинсона (уравнение Ван-дер-Ваальса для смесей). В химической промышленности для расчётов служат такие уравнение как UNIFAC, UNIKVAC (?), их единственным недостатком является то, что их можно использовать до давлений в 50 атм.

Были и иные уравнения, например уравнение, предложенное Брусиловским, но выше названные имеют более широкое применение.

Рассмотрим вопрос отличия фаз:

Отличие жидкости от твёрдого тела в том, что твёрдое тело даёт кристалл – упорядоченную структуру. Жидкость – неупорядоченная система, имеющая «пустотные ячейки», и чем их больше, тем меньше плотность жидкости.

Графическим представлением фазовых переходов являются кривые фазовых превращений.

Р С

Точка Т – тройная точка, т.е. условия одновременного существования трёх фаз; Точка С – критическая точка, т.е. отображающая условия возможности существования только одной фазы.

Существуют и иные графические описания:

Стрелка указывает на возрастание температуры.

Рv=RТ

v – молярный объём.

Моль – количество вещества, характеризующее свойство вещества.

Выше изображённая диаграмма не может считаться абсолютно точной, т.к. она не отображает истинных процессов, в наших системах существует метастабильное состояние.

Для давлений Р=10 ат. ошибка составляет 3-5%; для давлений 10Р50 ат. – ошибка равна 10%, а для давлений Р>50 ат. – ошибка возрастает многократно.

Максвелл провёл исследования и вывел следующее правило: при дальнейшем снижении объёма система идёт по прямой линии. В областях метастабильности существуют обе фазы (и газ, и жидкость) до тех пор пока газовая фаза полностью не преобразуется в жидкую.