2.3油气系统的溶解与分离

2. 天然气在原油中的溶解度
对于多组分结构相近的 烃类气体，α不是一个 常数。也就是说气体溶 解度并不符合亨利定律。
天然气在原油中的溶解曲线
3 影响溶解度的因素
A 压力 B 温度:
C 组成:
D 密度
4
溶解与分离的关系 A 接触脱气时的溶解曲线和分离曲线相重合 .而 多级脱气时的溶解曲线和分离曲线不重合 . B 轻组分的溶解曲线和分离曲线较接近.而重组 分的溶解曲线和分离曲线高压时相差较小 ,低 压时相差较大.
Ng1=0.418 1mole 井流
一级分离
一级气 二级气 压力控制 二级 分离器
二级分离 储罐气体
压力控制
一级 分离器
储罐
NL3=0.9 486
NL1=0.582
液位控制
NL2= 液位控制 0.84
三级分离
NL=0.466 Ng=0.534
C 相图的计算 一个相图应该包括四个部分： ①泡点线 ②露点线 ③临界点 ④两相区内等液量线 相图的计算分为四种情况： ①T=Tc→C、D两点 ②T＞Tc→A、B两点 ③T＜Tc→E、F两点 ④等液量线的确定
N .844 i 0
n 1 x i K ( K 1 )N L L L
Ng 0.156
yi K ix i
注意此栏 数据变化
第三级脱气计算结果
N 0 .9486 L
n i x i K (K 1 )N i i L
yi K ix i
单级脱气和多级脱气比较
Ng=0.6027 分离器气体 1mole 井流 分离器 NL=0.3973 储罐 Ng2=0.156 Ng3=0.05 14 压力控制 储罐气体
B 脱气过程: C 多级脱气的特点:
a．系统的组成不断变化 b．脱出的气量较单级脱 气少，所以测得的油 气比也小。 c．分出的气量较轻，即 气体中重质组分（轻 油）含量少。 d．脱气原油比重小，量 较多，质量亦好。
矿场多级脱气流程图
3.微分分离（微分脱气）
A定义:在微分分离过程中，随着气体的分出，不断地将气体
B
实际溶液相态方程式: 在理想溶液中,气液平衡时有:
y i PT x i P yi P xi PT
o i
o i
在实际溶液中,因饱和蒸汽压无法确定,所 以引入一个新的物理量----平衡常数K
Ki
y i
xi
平衡常数---指系统中某一组分（如i组分）在 一定的压力和温度的条件下，气 液两相处于平衡时，该组分在气 相中和液相中的分配比例。在数 值上，平衡常数等于该组分在气 相和液相中摩尔分数的比值。
xi 1
i 1 n n
理想溶液相态方程
xi
i 1

n
i 1
N ni 1 o Pi Ng NL PT
同理有:
Nni 1 yi o P i 1 i 1 i N N g L P T
n n
当N=1时有:
xi
i1 n n
n
n
i1
P>Pb
P>Pb P≈Pb P<Pb
P<<Pb
D
现场接触脱气示意图:
E
接触脱气的特点: a．分离出的气量较多，溶解油气比高。 b．分离出的气体较重，即气中重质组分含量 较多（含轻质油较多）。 c．脱气过程中系统的组成保持不变。
2
多级分离 A 定义:在油气分离过程中将每一级脱出的气体 排除后,液体再进入下一级进行油气分离 的脱气方式.
A、温度等于临界温度时，相图的计算： a．根据系统的组成，计算混合物的临界温度， 这样便可以得到临界等温线，如图C—D线。 b．根据系统组成，计算临界压力，那么临界状 态点C即可确定。 c．令计算的临界压力等于该系统的收敛压力 （因为T=Tc，所以收敛压力不必反复试算）， 根据这个收敛压力选出合适的图版，假定不 n n 同压力（P＜Pc）试算 ，若 K =1，则所假 K 定压力即为临界温度下的露点压力，即图中D 点，试算方法与前面介绍的如何用露点方程 计算露点压力相同。
Rs p
亨利定律是一个直线定律，α是一个常数，这对于 不易互溶的气—液系统是适用的。
Rs=αP
式中:Rs ---溶解度. α---溶解系数
溶解度：表示压力为P时,单位体积的地面原油所溶 解的天然气量(标准状况下的体积)。 单位为(标)米3/米3. 溶解系数:表示一定温度下，每增加一个大气压时， 单位体积液体中溶解的气量。 单位:(标)米3/(米3MPa)
理想溶液 相态方程
ni 1 0 Pi NL Ng PT ni 1 PT Ng o NL Pi
yi
i1
i1
E 理想溶液相态方程的求解步骤(试凑法)
设定一NL(0~1之间) 根据给定温度查各 组分的饱和蒸汽压 由相态方程
计算Xi
Yes Yes
计算Σni/ki=1
输出Pb
输出Pd
B
级次脱气计算(举例说明)
级次脱 气条件
平衡 常数
单级脱气计算
n i i Ki (K 1 ) N i L
(ni )
多级脱气计算
n i x i K (K 1 )N i i L
yi K i i
注意此栏 数据变化
第二级脱气计算结果
N n N y N x i g i L i
当气液达到平衡时,i组分在气相中的 分压和在液相中的分压应该相等,于是有:
P P y x P i T i i
o i
P N n N N x i i g L P T
o i
N ni 即： xi o P i Ng NL P T
放掉，即脱气是在系统组成不断变化的条件下进行的。但脱气 的级数远大于多级脱气的级数。
B脱气过程 C 微分脱气的特点
系统组成不断改变，但脱 气的级数远大于多级脱气的 脱气级数，每一级分出的气 量极小。
3
油田开发和生产过程中的脱气过程 A 地层中:油层中的脱气介于接触脱气和微分分 离之间,因为气从油中脱出后存在流速 差异形成微分分离,而气体在孔隙中又 始终与原油接触形成接触脱气.
m m
要运用该方程 就必须首先确 定Ki
实际溶液相态方程式. 问题是Ki如何求取呢?
平衡常数Ki的求取---图版法: 单组分:
收敛压力 4.2MPa 5.6MPa 7.0MPa 21.0MPa 28.5MPa 35.0MPa 70.0MPa
收 敛 点
平衡常数的特性:
a．在低压情况下，每条曲线的斜率几乎都等于-1。 b．每一条曲线与K=1.0相交处的压力等于该曲线所代表的组 分在给定温度下的蒸汽压。 c．除了甲烷之外，每一曲线随压力增加平衡常数减小，压力 增到某一值时，平衡常数有最小值，然后又随压力增大而 增大。 d．在较高压力时，每一条曲线都有收敛于平衡常数等于1.0 的趋势。平衡常数收敛于1时的压力称之为收敛压力。 e．如果给定温度就是混合物的临界温度，每一条曲线确实可 以收敛为1.0，且收敛压力即为该混合物的临界压力。 f．如果给定的温度是不包括临界温度的任何一个温度，那 么，当压力变化到某压力时（泡点压力或露点压力），系 统则会出线单相（气相或液相），单相区其平衡常数的定 义不成立了，这时，如果人为地按这些曲线的变化趋势外 推到平衡常数为1.0的某一汇聚点，这时这个点所对应的 压力值是虚拟的收敛压力值，称之为视收敛压力。
三
相态方程及其应用
1 相态方程 表征温度、压力、油气组成与溶解度的关系表达 式。 2 研究相态方程的目的 A 预测开发过程中地层压力和温度变化时油藏流 体的相态变化特征; B 预测地层流体流到地面后的气、液数量,为油 气处理、集输工艺流程设计提供有效依据 ; C 相图计算.
3
相态方程的推导
B拉乌尔定律:气液两相平衡时，各组分在气相中的 分压等于同温度下该组分单独存在时的蒸气压 力乘以在液相中的摩尔浓度
第三节
油气系统的溶解与分离
教学目的：掌握天然气从原油中的分离、天然气向原 油中的溶解、气----液平衡计算。 教学重点和难点：天然气从原油中的分离。 教法说明：课堂讲授
一
1
天然气从原油中的分离
闪蒸分离或一次脱气 A 定义:在油气分离过程中分离出的气体与油始 终保持接触且系统的组成保持不变的脱 气方式. B 脱气过程: C P—V关系图:
露点方程:在露点 Ng→1 NL→0 (N=1)
n n i i x 1 i K K 1 N K i 1 i 1 1 i i L i i
m m m
泡点压力和露点压力计算步骤
设定一Pb 设定一Pd
根据温度和压力查Ki
No
根据温度和压力查Ki
No
计算Σniki=1
i i i i
B、温度高于临界温度时相图的计算
当温度高于临界温度之后，泡点线不存在，但是，在一条等温线上却存 在两个露点，即有两个压力条件下所对应的ni，Ki满足露点方程. a．任意假定一个温度Th＞Tc。 b．对要确定的两个露点设一收敛压力Pcw．根据收敛压力选出平衡常数图版 组 d．假设两个压力P，根据该压力P和所设温度Th确定出各组分的平衡常数Ki， （两组） e．对高压和低压两种情况，分别试算露点方程，改变所设压力P，（注意， Ki也相应改变），直到两上压力（高压、低压）均满足露点方程为止，那 么试算的能满足露点方程的较高压力即为上露点压力Pdh上，较低压力即为 下露点压力Pdh下。 f．用我们前面所讲过的方法来计算两种情况下的收敛压力Pcw’. g．比较前面假设的和由上步计算出来的Pcw’，若Pcw=Pcw’，那么，这两个 点 压力就是正确的，否则应假设新的收敛压力Pcw=Pcw’，重复上面的计算， 直到所假设的收敛压力约等于的收敛压力为止。 h．从上面的计算我们可以看出，当假设不同的温度重复上述步骤时，那么T ＞Tc区就可以绘出了。
B 井筒中:当井筒中气相与液相的流速相差不大时 油井中的脱气过程与接触脱气近,而当 当气体在井筒中的气体超越原油出
现’’
滑脱”现象时,井筒中的脱气方式又介 于接触脱气和微分分离之间. C 地面储运过程中:地面储运过程中的脱气过程 为较理想的分离过程.
二
1亨利定律
天然气向原油中的溶解
单组分气体在液体中的溶解服从亨利定律，即温 度一定时,溶解度和压力成正比，或成直线关系 ，即：
P i x i P
0 i
C道尔顿分压定律:各组分的分压等于其摩尔分数与 体系总压力的乘积，即：
P y i i P T
当系统中气相和液相在一定温度下达到平衡时
Pi Pi
所以
0 i i
'
P Y i xP Y P K i i P x i
i
0 i
K
为平衡常数或平衡比。
设:
Ng----气相物质的摩尔数 NL----液相物质的摩尔数 yi----第i组分在气相中的摩尔分数 xi----第i组分在液相中的摩尔分数 ni——系统中第i组分的摩尔分数 根据烃类系统的物质平衡关系有：
将Ki=Yi/Xi即Yi=Ki*Xi代入(取N=1mole)
1 n N y N x i g i L i
化简得:
ni x 1 i1 i i1 k k 1N i i L m m n k i i yi 1 i 1 i 1 1 k i 1Ng
组成对平衡常数的影响:
当P<0.7MPa 时,两组曲 线几乎重合
当P<7MPa时， 两组曲线Ki 相差不大
当P>7MPa时， 两组曲线Ki 相差较大 组成不同表 现为收敛 压力不同
A
5 相态方程的应用 泡点压力和露点压力的计算(试算法) 泡点方程:在泡点 Ng→0 NL→1 (N=1)
m n K i i y n K 1 i i i 1 K 1 N i 1 i 1 1 i g i m m
1
露点 方程
4
实际溶液相态方程
A 理想溶液相态方程式的局限性: （1）道尔顿分压定律的假设前提为气体应具有由理 想气体组成的理想溶液的性质。 （2）拉乌尔定律是以液体具有理想溶液性质的假设 前提的。但是，只有当液体混合各组分的化学 物理性质十分相似时，该混合物的性质才接近 理想溶液，而油气系统并非如此。 （3）从实际观点出发，在临界温度以下，纯化合物 已不存在蒸汽压。高于该温度，蒸汽压无法确 定，因此，这一方程式的应用仅限于温度不超 过混合物挥发性最强组分的临界温度这一范围 之内。例如，含有甲烷的混合物，凡温度高 于-82.5℃（甲烷的临界温度）的场合，就不 能用前面介绍的相态方程进行计算。
设系统的总 摩尔数为N
计算液相数量N*NL 计算气相数量N*Ng
F 理想溶液泡点压力、露点压力计算
在泡点: Ng=0 由相态方程有:
n
NL=1（1mole）
P=Pb

i 1
ni
Pb P
ni
o i
1
泡点 方程
在露点: Ng=1
NL=0（1mole）
P=Pd
由相态方程有:

i 1
n
P Pd
0 i