第二章 天然气的相特性

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①图中水合物形成曲线(虚线)以下是水 合物形成区,气体和水合物呈平衡状态。 ②水合物曲线以上是液态水析出区,气体
与液态水之间程平衡。
③纵坐标是相对密度为0.6,并与纯水接触 时天然气的饱和含水量, 单位为g/103m3。 ④已知天然气的含水量和压力,可查天然
气的水露点。
⑤当天然气的相对密度不是0.6或者气体与 含盐水接触时,应对天然气的含水量进行 校正,其校正方法如下
烃-二氧化碳体系相特性 含二氧化碳天然气的相特性
一、甲烷与二氧化 碳的特性曲线
A点:纯CH4三相点; C1点:CH4临界点; AC1线:纯CH4蒸汽压线; B点:CO2的三相点; C2点: CO2临界点; BC2线:纯CO2蒸汽压线; C1C2虚线: CH4-CO2体系临界点轨迹线
AB虚线:气、液、固三相共存的轨迹线
当气体相对密度不是0.6时,可从附图中查得校正系数CRD,其定义式为:
C RD
相对密度为RD的气体含水量 相对密度为0.6的气体含水量
当气体与盐水接触时,可从附图中查得校正系数CB,其定义式为:
CB
与盐水接触时的气体含水量 与纯水接触时的气体含水量
因此,当气体密度不是0.6,且与盐水接触时,含水量W为
2.平衡常数法(K-值法)
认为气相中i组分与水合物中i组分具有与相平衡关系类似的平衡关系。 即:
yi Ki xsi
K i —气体混合物中i组分在水合物中的气-固平衡常数, 由实验确定。
y i-气体混合物中i组分在气相中的摩尔分数(干基) xsi-气体混合物中i组分在水合物固相中的摩尔分数(干基)
二、天然气含水量的预测方法 图解法 用图来查取天然气的水含量。根据天然气的 温度、 压力及酸性组分含量来确定其水含量。 预测方法 状态方程法 应用状态方程来进行多组份平衡计算来求取 天然气中的水含量,如用 SRK、PR等方程。 1. 不含酸性组分的天然气含水量预测(见图2-7)
应用图2-7时应注意以下几点:
三、天然气水合物
在一定的条件(高压、低温)下,天然气中的某些组分能与其所含水分形成固 体水化物,这种天然气水合物是白色结晶体,相对密度为0.96-0.98,外观类似于松 散的冰或致密的雪,可浮在水面上或沉在液烃中。这种固体水合物会堵塞输送管道和 设备,影响天燃气的开采和加工。因此,必须弄清水合物的结构、性质、形成机理和 形成条件,以便预防和破坏水合物的形成。 1. 水合物的形成及结构 (1)水合物的形成 在适宜的条件(T、P)下,水分子首先用氢键方式自身连结为“笼状”结构的 晶格,气体分子包笼在晶格的空腔内,起到稳定晶格的作用。没有烃分子存在,这种 笼状结构结构的晶格就不能形成。(热力学不稳定) (2)水合物的结构 水合物结构示意图见图2-13
(2)水合物形成的相特性 在不同的压力、温度条件下, 在形成水合物的气体混合物系统 中,可能会存在若干不同的相态。 ABE-水为体系中唯一液相时形
成水合物的条件。
CBD-水的冰点线。 FEG-该气体的烃露点线。
E点为四项共存点(水相、烃相、
水合物相、蒸汽相)
四、水合物形成条件预测 在天然气开采、集输及处理与加工中,常常需要知道天然气水合物 的形成条件。目前,有许多预测水合物形成温度和压力的方法。其中,
不同组成CH4-CO2体系气液平衡相图
二、含CO2的天然气特性
图的使用方法: ①先根据体系温度、压力用图2- 24右上角图确定体系是在液相区,还 是在气相区; ②若是在液相区,根据温度查图2 -24固-液 平衡虚线,得到能够生成 固体二氧化碳的液体中二氧化碳浓度; ③若是气体,根据体系温度及压 力查图2-24固-气 平衡图,得到生成 固体二氧化碳的气体二氧化碳浓度。
五、烃wenku.baidu.com水体系的相特性
烃-水体系的相特 性是指含水天然气在一 定条件下(P、T)下的 相态特性。和我们以前 学过的相图一样,烃- 水体系的相特性图直观 地表示了含水天然气在 不同定条件下的相特性 。右图是一般烃-水体 系的相特性。
出现水 合物
开始有液 烃出现
出现液 态水
第三节 烃-二氧化碳体系相特性
度和两组分体系相同,相图也 和二组份相图类似。但由于对 组分体系中组分之间沸点差别 较大,因此它们的相包络区比 两组份体系更宽一些,见图2- 5所示。
四、 相特性的实际应用
原油储层:在泡点线上边,储
层为液体,即原油层。
凝析气储层:在露点线外,气
体储层,开采中(降压)有液 体析出,所以叫凝析气储层。
(3)Wichert法 Wichert等提出了一种确定含酸性组分的天然气水含量的图解法,此 法是先用其它方法得到脱除酸性组分后的天然气水含量(可利用图2—7查 得),再由其提供的图2—12查得含酸性组分与脱除酸性组分的天然气水含 量比值,从而计算出酸性天然气的含水量。 当天然气中同时含有CO2时,将CO2的摩尔含量乘以0.75折算成H2S的 当两含量。 其适用条件为: 压力≤70MPa,温度≤175℃,H2S含量≤(55%(X)) 其用法如红虚线所示。
W 0.985W0CRD CB
W0 — 由图2-7查得的未经校正天然气含水量 ,g/103m3
2. 含酸性组分的天然气水含量预测 (1) 坎贝尔(Campbell)法 当天然气中的酸性组分低于40%时,用下式计算其含水量
Ws 0.985 ( y HC WHC yCO2 WCO2 y H 2 S WH 2 S )
D:重质油储层临界点可能的位置。
第二节 烃-水体系相特性

天然气中水的危害 天然气水含量的预测 天然气水合物 水合物形成条件预测
烃-水体系的相特性
一、天然气中水的危害 不论是气田气还是伴生气,从井口采出后都含有饱和水。天然气中含 有的这种饱和水蒸气的量通称为天然气的含水量;以液态的形式存在于天 然气中水,我们称之为游离水或液态水。
采用较多的有相对密度法、平衡常数法、Baillie-Wichert法。下面我们
将分别介绍。 1.相对密度法(经验图解法)
相对密度法认为:假定有游离水存在的条件下,天然气水合物的形
成温度和形成压力只和天然气的相对密度有关。此法不适合高浓度的酸 性气体。
由图(2-15)可知: T=f(P,S) 为天然气在P、S条 件下生成水合物的最高温度; P=f(T,S) 为天然气在T、S条 件下生成水合物的最低压力;
烃类的相特性 烃-水系统相特性 烃-二氧化碳系统相特性
第一节 烃类的相态特性

纯组分体系的相态特性 两组份体系的相态特性 多组份体系的相态特性 相态特性的实际应用



一、纯组分体系 由相律,F= C-φ+2 可知
纯组分,C=1;
当 Φ=1时,F=2 Φ=2时,F=1
Φ=3时,F=0
形成水合物的初始条件为:
yi xsi ( k ) 1.0 i
图2-16是由Katz等提出的甲烷的气-固平衡常数图,其它组分的气- 固平衡常数图可查阅有关文献
3. Baillie 和 Wichert 法 Baillie 和 Wichert用HYSIM工艺过程模拟软件对大量天然气的水化物生 成条件进行了计算,并绘制图(见图2-17)。在已知体系压力、H2S含量和气 体混合物相对密度的情况下,可查图得到天然气水合物的形成温度。其预测精 度的考察结果如下: 考察条件 酸性组分总含量:1%~70%; H2S含量:1%~50%; H2S/CO2=1:3 ~10:1;对C3H8的含量进行校正。 考察结果 与HYSIM软件预测的结果相比,75%的数据相差±1.1℃; 90%的数据相差±1.7℃ 图的用法见红虚线所示。
式中: WS- 酸性天然气的含水量,g/103m3; yHC-酸性天然气中除CO2和H2S外所有组分的摩尔分数。 yCO2, yH2S-酸性天然气中CO2和H2S的摩尔分数。 WHC-由图2-7查得的天然气含水量,(已用附图校正) WCO2-纯CO2的含水量,由图2-8查得。
WH2S-纯硫化氢的含水量,由图2-9查得。
Ⅰ型:晶格内有46个水分子,共有8个空腔
2个小空腔,直径0.52nm 6个大空腔,直径0.59nm 16个小空腔,直径0.48nm 8个大空腔,直径0.69nm
Ⅱ型:晶格内有136个水分子,共有24个空腔
由此可知: dmax>0.69nm的分子,不能形成水合物,例戊烷 dmax<0.59nm的分子,能形成Ⅰ型水合物,例甲烷 0.59<dmax<0.69nm的分子,只能形成Ⅱ型水合物,例丙烷 下面是一些分子形成水合物的类型 组分 N2 CO2 H2S CH4 C2H6 C2H4 结构 Ⅰ C3H8 C3H6 iC4H10 Ⅱ
第二章 天然气的相特性
在天然气开采、集输及处理与加工过程中,天然气往往会发生相 态的变化,液态变成气相或气相变成液相。含水天然气在加工过程中 会生成水合物固体或所含水蒸汽冷凝出现水相,含二氧化碳的天然气 在低温下会生成固体等等。所以研究天然气的相态特性以及含水和二 氧化碳天然气的相态特性,对于指导天然气的开采和加工具有重大的 指导意义。本章要研究的相态体系为:
2.水合物形成条件及相特性 (1)水合物形成的主要条件
①天然气处于水蒸汽过饱和状态或由液态水存在。
②有足够的高压力和足够低的温度。 ③在①②条件满足的情况下,气体压力产生波动、流向突然改变而产生
扰动、或有晶种存在都会促进产生水合物。
所以,水合物容易产生的地方有:阀门处(压力突变)、弯头部位(流 向改变)等
二、两组份体系
① M点温度:气、液能够
平衡共存的最高温度,称 为临界冷凝温度(TM)。
② N点压力:气、液能够
平衡共存的最高压力,称 为临界冷凝压力(PN)
③ TM-TC、PN-PC并不重合
④ 反凝析现象:由HJ线和
KL线说明
三、多组份体系
天然气多属于多组分体系。 由于多组份体系中的(C-1)
个组分已经固定,所以其自由
天然气中水的危害:
① 降低了天然气的热值和输气管道的输送能力。 ② 当温度降低或压力增加时,天然气中的水会呈液相析出,在管道或 设备中造成积液,增加流动压降,加速天然气中酸性组分对管道和设备的 腐蚀。 ③ 液态水在冰点时会结冰,在高压低温下形成水合物,堵塞管道或阀 门。因此,在天然气的加工处理过程中,首先要除去天然气中的水。
天然气储层:DD’线有液体析出,
称为富天然气层;EE’线为“干” (或“贫”)天然气层。
相图的形状及临界点的位置与
储层流的组成有密切关系。图2-6 给出了临界点的可能位置:
A-B:干天然气(甲烷摩尔数大于
80%)临界点的可能位置;
B-C:富天然气临界点可能的位置;
C点:多数原油储层临界点的可能
位置;
(2) 罗宾逊(Robinson)法 用SRK方程,通过计算机计算了H2S含量分别为0%、10%、20%、 30%、40%时不同温度与压力条件下天然气的水含量数据,并将其绘制 成图(见图2-10、图2-11)。当气体中含有CO2气体时,将天然气中 CO2的含量乘0.75折算成H2S的含量。见图2-10、图2-11。
在天然气加工过程中,二氧化碳的含量较多时,将出现以下两方面的问题: ①在低温、高压下,二氧化碳和水形成固体水合物,堵塞设备和管道; ②当天然气的温度较低(一般<-57℃)时,二氧化碳本身会形成干冰,同样会 堵塞设备和管道,尤其是透平膨胀机出口和脱甲烷塔顶部。 脱除天然气中的水可以防止二氧化碳水合物的形成;脱二氧化碳可防止生成干 冰,但是,如果选择好工艺条件,在不脱除二氧化碳情况下,仍可防止生成干冰。 因此,研究烃-二氧化碳体系相特性,预测固体二氧化碳的形成条件,可帮助选择 防止水合物生成的条件。本节主要讨论:
体系的最大自由度为 2,当固定一个变量时,利用平面坐标即可描述 其相态关系。
压缩 液体
超临界 气体
1. 纯组分的 P-T图
气体
FH-气、固相平衡线 HD-固、液相平衡线 HC-气、液相平衡线 H点-三相点 C点-临界点(Pc,Tc) 气体、过热蒸汽、超临 界流体的区别
过热 蒸汽
2. 纯组分体系的 p-h 和T-S 图
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