配制等温吸附实验用高压混合气的方法

２℃ 件 ０ 条 下的Ｐ （ 或ｐ （ 为０ ０ Ｍａ 作 实际 体， ．３ Ｐ ２ 时 气 ｉ理） ， １ ） ．３ Ｐ 为 气 ０ ０ Ｍａ ０ 氮 ６０ 。 ６ ０ ， ℃
的 压缩因 Ｚ （）为０９８。由Ｚ （）反算出Ｐ （） ． ２Ｍ ａ Ｐ （）和 Ｐ 子 ｉ １ ． ６ ９ ， １ ， ０ ０１Ｐ， ２ ２ ＝ ６ ， ｉ （） １ 相比， 相对相差为一 ． ％， 认为达到所需要求， ０１ ４ 所以 不需再往下计算，即把０ ０１ ．２ ６ 作为氮气冲 压力值Ｐｏ 人的 ｌ （） 人气体为二氧化碳， ４ 下一个冲 先假设冲人的二氧化碳为理想气体， 物质的量ｎ二 ２ ０９ １ ． ｍ 的二氧化碳在２， 下的 ９ｏ Ｌ ２℃ 理想气体压力Ｐ 理）为 １ ０９ Ｐ， ０ ２（ ． ５Ｍ ａ 则冲人后总压 ２ Ｐ（ Ｐ（ ２ １ ２ 理）＋ １ ０ Ｍａ ）二 Ｐ＝ ８ Ｐ ， ８ ０ 。冲入二氧化碳后， ． 为二元混合气， 总物质的 量为 １ ８ｏ 氮气、 ． ｍｌ ４ ， 二氧化碳的 摩尔分数分别为 ３． ６． ３ ％， ７ １ ０ Ｍ ａ ２℃状态下 ， ３ ６ ％， ８ Ｐ， ． ８０ ０ 此二 合气的 元混 压缩因 ２ 为０ ４ ， 子Ｚ （） ． １ 进而求得Ｐ （ １０ Ｍａ Ｐ （） １ ９７ ２ ２ ）＝ ．３ Ｐ， ２ 和 ７４ ２ Ｐ （） ２ 相比， １ 相对误差为一 ． ％，因 ５６ ８ 此需要继续计算。１ ０ Ｍ、 ． ３ １压力下此二元混合气 ７４ 的 压缩因 Ｚ （） ． ５， 子 ２ 为０９ １ 计算出压力Ｐ （）为 １ ７１Ｐ， （）和Ｐ （） ２ ４ ２ ３ ． ２Ｍ ａ Ｐ ３ ６ ２ ２ 相 ２ 比， 相对误差为一 ． ％， １ ３ 达到设计要求， ８ 可把 １ ７１ 作为冲人二氧化碳后的最终压 ． ２Ｍ ａ ６ Ｐ 力Ｐ－ ２ （ 在压力Ｐ＝ ２ Ｐ 基 ２ ６ １ 的 础上冲 烷， 先把８ １ｏ的甲 作理想 ５ ） １ ７ Ｍａ ． 人甲 首 ．ｍｌ 烷当 ４ 气体， 压力Ｐ 理）为１．０Ｍ ａ 则总压Ｐ （）二 ３（ ３（ ０２ ４Ｐ， ５ ３ Ｐ 理）＋ １．２Ｍ ａ 此压力下， １ Ｐ＝ ９ ５Ｐ， ２ ２ １ 摩尔分数为Ｃ ４ Ｑ：２ ８％ ０ ： 混合气压缩因 Ｚ （） ． ８， Ｈ： ２ ＝ ５ ： ％ ％的 Ｃ Ｎ １ ５ 子 ３ 为０８ ５ 则总物质 １ ０ 的量为９８ ｏ的混合气的 ． ｍｌ ９ 压力Ｐ （） ．０Ｍ ａ Ｐ （）和Ｐ （）相比， ３ ＝ ７ １Ｐ， １ ２ ９５ ３ ３ ２ 相对误差 达一 ８ ２ １． ％。以９ ５１Ｐ 为基准， ２ ． ０Ｍ ａ ７ 此配比 下的压缩因 Ｚ （） ． ２， 子 ３ 为０ ３ 求出的压力 ２ ８４ Ｐ （）为 １．７Ｍａ Ｐ （）相比， ３ ３ ０ ３ Ｐ，与 ３ ０８ ２ 误差为 ２ ８ 仍高于 ２ ． （）＝ ． ％， ８ ％ Ｐ ３ ３
（）由Ｖ 二和 ｐ 气体摩尔分 ２ ， 数来确定混合气的 压缩因 ， 子Ｚ 并利用式 （） 混合 １ 求出 气的总 物质的 ｎ ， 式 （ 得到各 量 ） 并由 ２ ａ ） 组分的 物质的 ｎ 量； ． ｎ ＝ａｘ ； ； ， ｎ ｇ （） ２
崔永君， 马建民 ） ） ｚ
（． １煤炭科学研究总院西安分院， 陕西西安， １ ５； ７０ ４ ０ ２中 ． 原石油勘探局煤层气事业部， 河南Ａ阳， ５ ０） ４ ０１ ７ 摘 要 煤的多组分气体等温吸附实 验， 可以为煤层气资源评价、 储层模拟、产 能预浏、注气 提高煤层气 采收率等方面提供所需要的信息。进行大童的多组分气 体吸附 试验， 也就需要一套相应的配气方法和装里。以 真实 混合气为讨论片象，
最后一种气体。
ｘ；； ‘／ 二： ｎｎ ，
（） ４
图２ 配气 装置示意图
３ 配气实例
根据实验要求， 现假设需配制甲烷、二氧化碳、氮气的摩尔分数 ａ分别为 ８％， ‘ ５ １％， ０ ５ ％的三元混合气， 配气过程描述如下： （）根据实验所需气体量， １ 计划在一个 ２ 气瓶内配气， Ｌ 配气最终压力为 １ Ｐ，配 Ｏ ａ Ｍ 气温度固 定在２Ｔ ０ｏ （）压力为 ｏ ｐ，温度为 ２℃时，查出此配比浓度下混合气的压缩因子 Ｚ＝ ｌｍ ａ ２ ０
（） ｎ已知， １和 ， 再利用式 （） １ 求出Ｐ （） 如果Ｐ （）和ｐ （）的相对误差在士 ％ ｉ ， ２ ｉ ２ ， １ ２ 以 本实 内， 验认为可以 ｉ 作组分１ 最终冲 把Ｐ （ １ ）当 的 人压力Ｐ。 ｉ 如果Ｐ （） ｉ ， 和Ｐ （） ２ １ 的 误差仍较大， 则可由Ｐ （） ， 查出Ｚ （） 再由Ｚ （）求出Ｐ （） ２ ， 值， ２ ， ２ ， ，比较Ｐ （） ３ ， ３ 和Ｐ （ 的 小， ， 大 如果误差仍在士 ％ 之外， ２ ） ２ 范围 可按此方法继续计算， 直到得到满意 的Ｐ 值。 ｉ Ｐ二ｎ ／Ｖ ＲＴ （） ３ （）冲人组分 后， １ 按摩尔分数的递增顺序冲人组分 ２ ４ 。和冲人组分 １ 的思路相同， 开始 假设组 为 状态， ： 分２ 理想 由ｎ及式 （ 得到Ｐ （ ，由 经冲 压力为Ｐ的 ３ ） ２ 理） 于已 人了 ， 组分１ 把Ｐ 理）＋ ； 作冲人组分２ ， ２（ ｐ当 后的总压力Ｐ （） 此时组分 １ ２ 例则分 ２ ， １ ， 的比 别 变为ｂ （ 式 （） 此时． ２， 混合比 ｂ 由 ４ 求， ２ １ ）由 ＝ 例及Ｐ （） ２ 查出两种混合气的Ｚ １ ２ （） 再由Ｚ （） １ 值， ２ 值得到总压力Ｐ （） １ ２ 值，比 ２ ２ 较Ｐ （）和Ｐ （） 如果相对误差 １ ２ ， ２ 在士％以 继续对Ｚ ２ 外， 值和Ｐ 值进行查找和 计算， 得到满足 直到 条件的Ｐ值。 ｚ
已 条件： 知 配气比 ， 例ａ配气容积叭配气沮度Ｔ最高压力Ｐａ ． ， ．
配气 顺序、 混合气２总 、 卑尔数ｎ组分 ． 本尔数ｎ ：
ｎ － ＋ （ 一 ， Ｐ １） － ，
ｔ比 ｝ 比 ｛ 较 ｔ 较
Ｐ １一 ，） （
Ｚ（） ， １一
Ｐ（ ．． Ｚ（ 一 ＊ Ｐ（ ， ）．＊ ２ ２ ＿＿ ， ． ． ） ， ３ ）一
求。
２ 配气原理和方法
以真实气体状态方程 （ （） 式 １）为理论依据， 通过控制配人压力来实现所要求的配气
一 ９ 一 ４
பைடு நூலகம்
比例。
Ｐ二Ｚｎ， ／ｖ ， ｇ ＲＴ （） １ 对于混合气而言， （）中的Ｚ值为混合气的压缩因子，ｎ 为混合气的物质的量。 式 １ ， ｇ 配气顺序为递增顺序， 即按摩尔分数由 小到大， 配气时最好在恒温下进行。 假设要进行 ｍ种组分的等温吸附实验， 要求混合气中组分 ‘ 的摩尔分数为ａ， ｓ 配气 计算过程见图１ 配气装置示意图 ， 见图２ 。配气过程简述如下： （） １ 首先根据吸附实验来估算需要混合气的量， 再选定配气气瓶规格 （ 容积为 Ｖ ）和 确定配气将达到的最高压力 （｝） Ｐ２ ｝
2由vp一和气体摩尔分数来确定混合气的压缩因子z并利用式1求出混合气的总物质的量n总并由式2得到各缎分的物质的量mm嘶ng3把第一次要配人的气体摩尔分数最小的组分当作理想气体此时气瓶中为单一组分用式3计算物质的量为n1的组分1在vt下的压力值p1理把p1理当作组分1的冲入压力p11
配 温吸附 验用 制等 实 高压混合 气的方法
０２０ ．９ 求得ｎ 二 ． ｍｌ 计算出 ８２ ， ９ ９ｏ ａ ８ ， 各组分的物质的 量分别为：甲 ．ｍｌ 二氧化碳 烷８ １ｏ ４ 、
， １ ｍ ９ ． ０ 氮气０４ｍｌ ． ｏ ９ ａ （ ３ ）冲人的第一种气体为氮气， 先假设它为理想气体，ｎ 二 ． ｍｌ ， ０４ ｏ的氮气在 ２， ９ Ｌ
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ｎ’ Ｐ（一１Ｚｊ ２‘ ２－ ） ２ Ｐ Ｐ 一 卜（Ｗ （ （ ２ Ｉ １Ｚ 一２ （ｘ ）２ Ｉ ３ －（ Ｍ ） ｔ ｔ ） ．一 １ ） －
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探讨。
进行多组分气体的吸附实验， 首先要有混合气气源。 按现有的国 家标准， 配制混合气
方 主 有 态容 法、 法 要 静 积 称量法和 法 １］静 渗透 〔３ 态容积 制的 气的 低于 － 法配 标准 压力
２ ２ ＇ （个标准大气压） 对于煤等温吸附特性实验来讲， ． Ｘ ． ０ １Ｐ ２ ０ ， 显然不能满足要求。 称 量法虽然精确， 但需要高准确度天平。不但要求天平的 测量范围 可达几十 公斤， 而且称量 和感量之比 １ １ 在 护一丁之间。 要拥有一台这样的天平， 对于一般的 实验室难以实现。 渗透 法配制的 混合气压力低、 浓度低， 也不能满足要求。当然， 也可以 通过购买标气来进行吸 附实验， 但是在试验需要大量不同 混合比 例气源的 情况下， 购买标气也不是一种经济的办 法。 基于以上原因， 现提出 一种配气方法， 静态容积法为基础， 仍以 通过压力来控制配人 气体量， 这种方法虽然无称量法准确， 但对于煤等温吸附实验来讲， 认为可以 达到实验要
（ 冲 组 时， 一 种 分 总 际 力 ｉ ， 时 分 尔 数二由 ５ 人 分ｉ 前ｉ １ 组 的 实 压 为Ｐ ｉ此 组 摩 分 。 式 ） － （ 计 同（ ， 步 同 先 物 的 为ｎ 组 ｉ 作 想 体 求 ， ４ 算， ３ （ 相 ， 把 质 量 ｉ 分 当 理 气 ， 出Ｖ Ｔ ） ） ４ ） 的 状 下 压 ｉ 理） 并 到 设 冲 总 ｉ Ｐ （ 态 的 力Ｐ （ ， 得 假 后的 人 压Ｐ （ １ ｉ 理）十ｉ ， ）二 Ｐ １重复 （ ， － ３ ） （ 步 描 的 骤， 出Ｐ 。 次 推， 算 一 组 人 瓶 压 直到 ４ 中 述 步 求 ｉ 依 类 计 每 种 分冲 气 后的 力， ） 值
（） ３ 把第一次要配人的 气体 （ 摩尔分数最小的 组分）当 作理想气体， 此时气瓶中为单 一组分， 用式 （） ３ 计算物质的 量为 ｎ 的 】 组分 １ Ｖ Ｔ 在 ， 下的压力值Ｐ 理）把Ｐ 理） １（ ， ｉ（ 当 作组分 １ 的冲人压力Ｐ （） 接着查找在ｐ （） Ｔ １ 。 １ ， ， １ 条件下组分 １ １ 值，Ｚ 的Ｚ （） １ ，
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图１ 配 过程 示 气 计算 意图
提出针对吸附实验配制高压混合气的方法。 美健词 煤层气 多 组分吸附 配气方法 煤等温吸附实验
１ 前
言
在进行煤等温吸附试验时，目 前国内多采用单一气体— 甲 烷作为吸附质， 来测试煤 的吸附特性参数。 这种方法的 缺点是未能得到真实的 气体行为参数。因为在煤层中， 所储 存的 气体是混合物， 包括甲 烷、 二氧化碳、 氮气、乙 烷等气体， 要得到储层条件下煤层的 最大吸附量以 及吸附量随压力的 变化特征， 最直接的办法是进行多组分气体的吸附试验。 通过多组分气体的吸附实验， 才能使资源评价、 储层模拟、 产能预测等更接近于实际情 况， 并且多组分吸附实验可以 验证注气 （ 二氧化碳或氮气） 对甲 烷采收率的 影响， 从而为 这一新方法提供理论依据。 在国内，尚 未对多组分气体的吸附测试工作展开系统地研究和