Техника и технология сепарации нефти от газа

 

Введение

 

Одной из важнейших проблем при эксплуатации газопроводов является образование газогидратов. Отлагаясь на внутренних стенках труб, гидраты резко уменьшают их пропускную способность и могут привести к аварийной остановке эксплуатации газопровода. Затраты нефтегазовых компаний на предупреждение и борьбу с газогидратными пробками составляют значительную часть стоимости эксплуатации месторождений и транспорта газа. Поэтому сокращение эксплуатационных затрат на предупреждение и борьбу с гидратообразованием в промысловых системах добычи газа и дальнейшего его транспорта вызывает немалый интерес со стороны многих добывающих и эксплуатирующих компаний нефтегазовой отрасли [8].

Очень важно знать места возможного гидратообразования в системе добычи газа, чтобы своевременно предупредить или ликвидировать гидратные пробки. Для обнаружения зон гидратообразования и их своевременного предотвращения необходимо знать состав транспортируемого газа, его плотность, изменение температуры и давления в газопроводе, влажность газа. По составу, давлению и температуре газа определяются условия образования гидратов, а по влагосодержанию — возможность образования гидратов в данных условиях.

1. К причинам образования гидратов относят в том числе недостаточную очистку газа перед подачей его в газопровод и неправильное распределение давления по длине трубопровода. Поэтому в рамках данной курсовой работы предлагается выяснить, как условия сепарации (давления сепарации) влияют на гидратообразование по длине газопровода. Параллельно будет рассматриваться влияние давления на этот процесс. 
   Теоретические основы расчета фазового равновесия углеводородных смесей.

 

Максимальное выделение из нефти углеводородов и сопутствующих газов наступает при равновесном состоянии между нефтью и газом, т. е. когда давление и температура в каждой точке газа и нефти постоянные. Пока такого состояния нет, система не может находиться в равновесии. Незначительное изменение давления или температуры в какой-либо точке (или зоне) системы, находящейся в равновесии, приведет к нарушению равновесного состояния, которое может продолжаться до тех пор, пока указанное изменение давления или температуры не распространится на весь объем жидкой и газовой фаз. После этого давление и температура в системе станут опять постоянными по всему объему обеих фаз и наступит опять равновесное состояние. Но оно будет отличным от первого как по температуре или давлению, так и по количеству и составу газовой фазы. Продолжительность установления равновесного состояния и перехода от одного равновесного состояния в другое зависят от степени термостатирования системы, от величины изменения температуры и давления, от массы нефти и газа и от соотношения их масс.

Строго говоря, равновесного состояния между газом и нефтью в природе не может быть. Оно может очень приближаться к нему, беспрерывно нарушаться вследствие изменения температуры или давления в какой-либо точке (или зоне) системы и устанавливаться вновь. Поэтому систему, в которой быстро чередуются друг за другом равновесные состояния при бесконечно малых изменениях давления и температуры, называют также равновесной.

Приведенные рассуждения относятся к условиям, в которых нефть и газ находятся в неподвижном состоянии. Встряхивание нефти ускоряет процесс приведения системы в равновесное состояние. В промысловых газосепараторах нефть и газ поступают непрерывно, а иногда пульсирующим потоком, с температурой и давлением несколько отличными, чем установленными в газосепараторе, и вывод их происходит относительно быстро. Эти явления, а также различное влияние внешней среды (солнечные лучи, ветер и др.) не способствуют установлению равновесного состояния системы нефть–газ в газосепараторе. Вследствие этого углеводороды и сопутствующие газы не могут полностью выделиться из нефти даже при температуре газовой фазы выше температуры нефти, что имеет место в летнее время под влиянием солнечных лучей. Поэтому в нефти могут оставаться больше, чем это следует по закону межфазного равновесия, углеводородов, азота, обладающих относительно высоким давлением насыщенных паров.

Влияние неравновесных условий на величину газового фактора и состав газа при сепарации должно зависеть от условий сепарации и состава нефти и особенно от количества в ней азота.

В практике сбора и обработки нефти и газа приходится решать задачи распределения углеводородов между газом и нефтью, например при сепарации газа, испарении и нагреве нефти, извлечении углеводородов из нефти и газа, конденсации газа и пр. Это может быть осуществлено путем расчета или экспериментально. При расчете исходят из предположения, что система газ–нефть находится в равновесных условиях при заданных давлении и температуре. Это предположение может привести иногда к значительным расхождениям по составу газа, особенно если содержание азота в одной из фаз составляет 30% мольных и более.

 

1. Коэффициенты распределения

 

Коэффициентом распределения или константой равновесия i-го компонента смеси Кi. называют отношение молярной доли этого компонента в паровой фазе yi к его молярной доле в жидкой фазе хi:

 

.

(1.1.1)

 

Термин «коэффициент распределения» не получил широкого распространения. Значительно чаще используются термины «константа фазового равновесия» или «константа равновесия».

Пусть паровая фаза подчиняется законам идеальных газов. В этом случае справедлив закон Дальтона, и летучесть компонента равна его парциальному давлению fi = yi∙p, где р — общее давление, уi — молярная доля компонента в паровой фазе.

Предположим, что жидкая фаза является идеальным раствором и подчиняется закону Рауля в его первоначальной формулировке

 

,

(1.1.2)

 

где — парциальное давление компонента в системе; — давление насыщенного пара чистого компонента; хi — молярная доля компонента в растворе.

Если в формуле (1.1.2) парциальное давление на летучесть и приравнять летучести компонента в паровой и жидкой фазах, то получим следующее выражение для коэффициента распределения i-го компонента:

 

,

(1.1.3)

 

т.е. при принятых предположениях коэффициент распределения зависит только от общего давления и давления насыщенного пара чистого i-го компонента при данной температуре. Если соблюдаются законы Дальтона и Рауля (1.1.2), то на значении Кi не сказывается то, с какими веществами и в какой пропорции данный компонент образует смесь. Отсюда и возник прочно вошедший в употребление термин «константа равновесия». Этот термин неудачен, так как паровая и жидкая фазы реальных систем не подчиняются законам Дальтона и Рауля, и значения коэффициентов распределения компонентов зависят не только от термобарических условий, но и от состава смеси.

Значения коэффициентов распределения, рассчитываемые с использованием выражения (1.1.3), называют идеальными константами равновесия. Они применяются как начальные приближения коэффициентов распределения при решении задач расчета парожидкостного равновесия многокомпонентных систем. Например, если для упругости насыщенных паров использовать формулу

 

,

(1.1.4)

 

то, подставив ее в уравнение (1.1.3) и зная такие характеристики вещества, как ацентрический фактор ω, критические температура Тc давление рс, можно рассчитать идеальные константы равновесия.

Очевидно, что давление насыщенного пара имеет физический смысл лишь при температуре ниже критической. Поэтому при Т > значение надо рассматривать лишь как формальную экстраполяцию [2].

 

2. Определение составов фаз равновесных двухфазных многокомпонентных систем

 

При движении газоконденсатной смеси в пласте и промысловых сооружениях, когда скорость установления термодинамического равновесия между фазами смеси значительно превышает скорость изменения давления или температуры, паровая и жидкая фазы находятся в термодинамическом равновесии.

Если многокомпонентная многофазная неоднородная по форме, структуре и размерам молекул система, помещенная в замкнутое пространство, находится в термическом (без изменения температуры) и механическом (без изменения давления) равновесии, то в этой системе все же возможен переход вещества из одной фазы в другую. Изменение числа молей ni любого компонента i в какой-либо однородной фазе j всей системы вызывает изменение изобарно- изотермического потенциала этой фазы

 

,

(1.2.1)

 

где Uf, Sf и Vf — внутренняя энергия, энтропия и объем однородной фазы соответственно.

Гиббс показал, что термодинамическое равновесие между фазами неоднородной системы наступает в том случае, когда изобарно- изотермический потенциал системы достигает своего минимального значения:

 

,	(1.2.2)

 

где

.

(1.2.3)

 

Таким образом, в условиях термодинамического равновесия происходит равновесный массообмен компонентов между фазами, т. е. количество каждого компонента, перешедшего из первой фазы во вторую за данный промежуток времени, равно количеству, перешедшему из второй фазы в первую за тот же промежуток времени.

В замкнутом объеме при термодинамическом равновесии масса или число молей каждого компонента в системе остаются неизменными.

Производная , т. е. приращение изобарно-изотермического потенциала данной фазы системы при увеличении данного вещества на единицу при постоянных энтропии, объеме и числе молей остальных компонентов пк, получила название «химический потенциал». Химическим потенциалом вещества φ называется удельный (в расчете на единицу массы) изобарно-изотермический потенциал

 

,

(1.2.4)

 

 

где i и S — удельные (в расчете на единицу массы) энтальпия и энтропия соответственно.

Химический потенциал можно выразить через различные термодинамические функции, например

 

.

(1.2.5)

 

 

Для однокомпонентного чистого вещества производная химического потенциала но давлению равна молярному объему этого вещества:

 

.

(1.2.6)

 

 

Удельный массовый изобарно-изотермический (химический) потенциал φ позволяет рассчитать изменение характеристической функции любой системы при изменении количества вещества в системе.

При термодинамическом равновесии давления, температуры и химические потенциалы каждого компонента во всех фазах равны:

 

; ; .

(1.2.7)

 

 

При невысоких давлениях и температурах справедливо уравнение Дальтона—Рауля о равенстве парциальных давлений компонентов в паровой и жидкой фазах:

 

,

(1.2.8)

 

 

где yi, xi — молярные концентрации i-го компонента в паровой и жидкой фазах соответственно; р — давление паров смеси; Qi — упругость насыщенных паров i-го компонента в чистом виде при заданной температуре системы.

Давление паров смеси над жидкостью в условиях термодинамического равновесия складывается из парциальных давлений компонентов, входящих в жидкость:

 

.

(1.2.9)

 

 

Из уравнения равновесия (1.8) следует, что распределение углеводородов между фазами двухфазной равновесной системы протекает в соответствии с упругостью насыщенных паров углеводородов и их молярными концентрациями.

При нарушении равновесия в системе вследствие изменения температуры или давления начинается перераспределение углеводородов между фазами, которое происходит до тех пор, пока парциальные давления каждого компонента в паровой и жидкой фазах не сравняются.

Углеводороды, обладающие при данной температуре упругостью насыщенных паров Q большей, чем общее давление р системы, будут иметь более высокую концентрацию в паровой фазе, чем в жидкой, и, наоборот, углеводороды с давлением насыщенных паров меньшим, чем давление паров смеси, будут иметь более высокую концентрацию в жидкой фазе, чем в паровой. Следовательно, состояние углеводородов, находящихся в смеси, определяется не только давлением и температурой, но еще и составом фаз.

Используя законы Дальтона—Рауля, зная температуру и давление, при которых находится смесь, по концентрации компонента в одной фазе можно найти его концентрацию в другой.

Действительно, пусть задан состав жидкой фазы

 

,

(1.2.10)