Лекция 10 Фазовые состояния углеводородных систем

В нефтепромысловой практике встречаются различные виды фазовых переходов вещества - испарение, конденсация, плавление и др. Наиболее же часто приходится встречаться с фазовыми превращениями растворов. В системе, находящейся в условиях какого-либо фазового перехода, могут сосуществовать в термодинамическом равновесии одновременно две или несколько различных фаз. Условиями равновесия фаз являются равенство температур, давлений и химических потенциалов соприкасающихся фаз во всех частях системы. В многокомпонентных системах условия равновесия фаз наступают, когда химические потенциалы данного компонента во всех фазах системы, находящейся в равновесии, становятся равными между собой.

Простейшими примерами фазовых переходов первого рода являются испарение и плавление. При фазовых превращениях такого рода изменяется объем системы и поглощается (или выделяется) некоторое количество теплоты, которое называется скрытой теплотой перехода. Существование теплоты перехода указывает на изменение энтропии системы. В процессе испарения вещество поглощает теплоту. Его энтропия в газообразном состоянии при данных давлении и температуре больше, чем в жидком. Характеристику фазового перехода первого рода можно дать с помощью функции Гиббса

где ;

Таким образом, первые производные функции Гиббса - удельный объем и удельная энтропия в фазовых переходах первого рода изменяются скачкообразно.

При фазовых переходах второго рода тепловые эффекты отсутствуют. Энтропия и объем системы изменяются непрерывно. Непрерывными остаются и функция Гиббса и ее первые производные. Однако симметрия в точке перехода нарушается скачком, по которому можно указать принадлежность вещества к той или иной фазе. Если в точке фазового перехода первого рода в равновесии находятся тела в двух различных состояниях, то в точке фазового перехода второго рода состояния фаз совпадают. Что касается теплоемкости , сжимаемости , температурного коэффициента , то при фазовых переходах второго рода они изменяются скачкообразно. Следовательно, при фазовых переходах второго рода вторые производные от функции Гиббса изменяются скачкообразно.

Примерами фазового перехода второго рода могут служить превращения одной кристаллической модификации вещества в другую.

Схемы фазовых превращений углеводородов

В процессе эксплуатации месторождений в пластах непрерывно изменяются давление, температура, количественное соотношение газа и нефти. Это сопровождается непрерывным изменением состава газовой и жидкой фаз и переходом различных углеводородов из одной фазы в другую.

Особенно интенсивно такие процессы происходят при движении нефти по стволу скважины от забоя к устью.

Закономерности фазовых переходов и фазовое состояние газонефтяных смесей при различных условиях необходимо знать для решения многих задач в нефтепромысловой практике.

Схемы фазовых превращений однокомпонентных систем

Углеводородные газы изменяют объем подобно всем индивидуальным веществам в зависимости от температуры и давления примерно в соответствии с зависимостями, приведенными на рис. Справа от пунктирной линии отрезок соответствует газовой фазе, горизонтальный участок - двухфазной газожидкостной области и левый участок - жидкой фазе. Отрезок пунктирной кривой вправо от максимума в точке (С) называется кривой точек конденсации, а влево от максимума - кривой точек парообразования. Точка (С) называется критической. С приближением давления и температуры к их критическим значениям свойства газовой и жидкой фаз становятся одинаковыми, поверхность раздела между ними исчезает, и плотности их уравниваются. Для изотермических фазовых превращений однокомпонентных газов характерно постоянство давления в двухфазной области до тех пор, пока весь газ не превратится в конденсат. Точно также со снижением давления после начала парообразования дальнейшее кипение жидкой фазы происходит при постоянном давлении. Обе фазы при данной температуре присутствуют в системе только в том случае, если давление равно упругости насыщенного пара этой жидкости.

Значительно сложнее закономерности фазовых переходов в двух- и многокомпонентных системах.

Схема фазовых превращений двух- и многокомпонентных систем

В отличие от однокомпонентных систем в многокомпонентных давление в двухфазной области изменяется. Поэтому давление точки парообразования в них выше давления конденсации. В соответствии с этим не одинаков и состав жидкой и газовой фаз в точках парообразования и конденсации. В бинарных и многокомпонентных системах критическая точка характеризуется лишь одинаково интенсивными свойствами газовых и жидких фаз. При этом в зоне пересечения кривых точек конденсации и парообразования образуется область, в которой могут существовать две фазы даже при температурах и давлениях, превышающих критические значения.