Физикохимические свойства углеводородных газов

 


            Нефтяной газ при нормальных условиях содержит  неполярные углеводороды - смесь углеводородовв от С1 до С4: метан, этан, пропан, изо-бутан и н-бутан. С точки зрения физики к ним можно применять законы для идеальных систем. С точки зрения математики – это аддитивная
система. Следовательно, для оценки свойств нефтяного газа (при нормальных  или стандартых условиях) применимы аддитивные методы расчётов физико-химических и технологических параметров (Псмеси):


Физикохимические свойства углеводородных газов,              (2.3)


 


            где gi – весовая доля;


Ni – мольная доля;


Vi – объёмная доля;


Пi – параметр i-го углеводорода или неуглеводородного компонента.


            Например, плотность смеси газов рассчитывается следующим образом:


 


Физикохимические свойства углеводородных газов.             (2.4)


 


Плотность газа  можно расчитать через отношение молекулярной массы газа (Mi) к мольному объему (Vм). Например, для нормальных условиях (н.у.):


 


rг = Mi / 22,414.            (2.5)


 


Нефтяной газ представлен в виде смеси углеводородов, поэтому для оценки его физико-химических свойств  по формуле (2.3) необходимо знать, как выражается состав смеси.


            Массовая доля (gi) – отношение массы i-го компонента (mi), содержащегося в системе к общей массе системы:


Физикохимические свойства углеводородных газов                    (2.6)


 


 


            Молярная (мольная) доля (Ni) – отношение числа молей i-го компонента (тш) к общему числу молей в системе:


Физикохимические свойства углеводородных газов                    Физикохимические свойства углеводородных газов,                (2.7)


 


 


где mi – масса i-го компонента;


Мi – молекулярный вес i-го компонента.


Из соотношений (2.6 – 2.7) легко найти выражения для пересчетов массового и мольного составов:


Физикохимические свойства углеводородных газов               (2.8)


 


 


            Объёмная доля  – это доля (Vi), которую занимает компонент в объёме системы и с учетом выражений (2.5 – 2.8) можно найти взаимосвязь ее с массовым и мольным составами:


Физикохимические свойства углеводородных газов                (2.9)


 


 


Для идеального газа соблюдается соотношение: объемная доля компонента (Vi ) равна мольной доли компонента (Ni),  Vi = Ni , как следствие закона Авогадро. Для идеальной системы, как нефтяной газ, состав его можно рачитать на основе любых данных: масс компонентов, объемов, плотностей, парциальных давлений  и др., см. раздел "Практикум для самостоятельной работы".


            Молекулярная масса смеси рассчитывается по принципу аддитивности для смесей, состав которых выражен в мольных или объемных долях (2.10, левое выражение). Для смесей, состав которых выражен в ммассовых процентах  по формуле 2.10, правое выражение:


Физикохимические свойства углеводородных газов                        (2.10)


 


 


Относительная плотность газа расчитывается по отношению к плотности воздуха:


Физикохимические свойства углеводородных газов.                        (2.11)


 


Для нормальных условий (н.у.) ρвозд » 1,293; для стандартных условий (с.у.) ρвозд
» 1,205.


Если плотность газа (ρо) задана при атмосферном давлении = 0,1013 МПа, то пересчёт её на другое давление (Р) при той же температуре для идеального газа производится по формуле:


Физикохимические свойства углеводородных газов.                 (2.12)


 


Смеси идеальных газов характеризуются аддитивностью парциальных давлений и парциальных объёмов.


Для идеальных газов давление смеси равно сумме парциальных давлений компонентов (закон Дальтона):


Физикохимические свойства углеводородных газов,              (2.13)


 


где Р – давление смеси газов;


рi – парциальное давление i-го компонента в смеси,


или


Физикохимические свойства углеводородных газов.                       (2.14)


 


Физикохимические свойства углеводородных газов.              (2.15)


 


Т. е. парциальное давление газа в смеси равно произведению его молярной доли в смеси на общее давление смеси газов (2.14).


Аддитивность парциальных объёмов компонентов газовой смеси выражается законом Амага:


Физикохимические свойства углеводородных газов  ,                       (2.16)


 


            где  V – объём смеси газов;


Vi – объём i-го компонента в смеси.


или анологично уравнениям (2.14 – 2.15) выражением 2.17:


 


Физикохимические свойства углеводородных газов.                      (2.17)


 


Для определения многих физических свойств природных газов используется уравнение состояния.


Уравнением состояния называется аналитическая зависимость между параметрами, описывающими изменение состояние вещества. В качестве таких параметров используется давление, температура, объём.


Состояние газа при нормальных и стандартных условиях характеризуется уравнением состояния Менделеева-Клайперона:


 


Физикохимические свойства углеводородных газов,                      (2.18)


            где Р – абсолютное давление, Па;


V – объём, м3;


Q – количество вещества, кмоль;


Т – абсолютная температура, К;


R – универсальная газовая постоянная, Па×м3/(кмоль×град).


На основе уравнения состояния газа можно рассчитать много параметров  для системы нефтяного газа: плотность, мольный объем, количество молекул, число молекул, парциальные давления  и др., если рассматривать уравнение состояния газа для 1 моля, т.е., Q = ∑Ni  и  PV = ∑NiRT, см. раздел "Практикум для самостоятельной работы".


            У этого уравнения есть свои граничные условия. Оно справедливо для идеальных газов при нормальном, атмосферном давлении (1 атм) и близких к нормальному давлениях (10-12 атм).


            При повышенном давлении газ сжимается. За счёт направленности связи С-Н происходит перераспределение электронной плотности, и молекулы газов начинают притягиваться друг к другу (физическое взаимодействие).


Для учёта этого взаимодействия в уравнение (2.18) вводится коэффициент сверхсжимаемости z, предложенный голландским физиком Ван-дер-Ваальсом, учитывающий отклонения поведения реального газа от идеального состояния:


 


Физикохимические свойства углеводородных газов,                    (2.19)


            где Q – количество вещества, моль;


                  z –  коэффициент сверхсжимаемости.


            Физический смысл коэффициента сверхсжимаемости заключается в расширении граничных условий уравнения Менделеева - Клайперона для высоких давлений.


Коэффициент z зависит от давления и температуры (приведенных, критических давлений и температуры), природы газа.


Критическое давление – давление, при котором газообразный углеводород переходит в жидкое состояние.


            Критическая температура – температура, при которой жидкий углеводород переходит в газообразное состояние.


            Приведёнными параметрами индивидуальных компонентов называются безразмерные величины, показывающие, во сколько раз действительные параметры состояния газа отклоняются от критических:


Физикохимические свойства углеводородных газов         (2.20)


 


Физикохимические свойства углеводородных газов            (2.21)


 


 


z = f ( Тприв, Рприв)        (2.22)


 


Существуют графики, эмпирические формулы и зависимости для оценки коэффициента сверхсжимаемости от приведенных давлений и приведенных температур, см. раздел "Практикум для самостоятельной работы".


Зная коэффициент сверхсжимаемости, можно найти объём газа в пластовых условиях по закону Бойля-Мариотта:


Физикохимические свойства углеводородных газов.              (2.23)


 


            Отношение объема газа в пластоых условиях (Vпл.) к объему газа при нормальных условиях (Vo) называется объемным коэффициентом (b) газа. Объёмный коэффициент газа используется при пересчёте объёма газа в нормальных условиях на пластовые условия и наоборот (например, при подсчёте запасов):


Физикохимические свойства углеводородных газов.                 (2.24)


 


Вязкость газа – свойство газа оказывать сопротивление перемещению одной части газа относительно другой.


Различают динамическую вязкость (m) и кинематическую вязкость (n). Кинематическая вязкость учитывает влияние силы тяжести. Вязкость углеводородного газа при нормальных условиях невелика и не превышает 0,01 сантипуаза.


Неуглеводородные компоненты природного газа: гелий, азот, углекислый газ, сероводород, воздух  - более вязкие составляющие. Величина вязкости для них изменяется от 0,01 до 0,025 спз.  


Динамическая вязкость зависит от средней длины пробега молекул газа и от средней скорости движения молекул газа:


Физикохимические свойства углеводородных газов,                (2.25)


 


            где r – плотность газа;


Физикохимические свойства углеводородных газов – средняя длина пробега молекулы;


Физикохимические свойства углеводородных газов – средняя скорость молекул.


С возрастанием температуры увеличиваются средняя длина пробега молекулы и средняя скорость движения молекулы, а, следовательно, и вязкость газа возрастает, несмотря на уменьшение плотности.


Повышение давления от 1 до 10 атм не влияет на вязкость газа, поскольку уменьшение средней длины пробега молекулы и средней скорости движения молекулы компенсируется увеличением плотности. Однако эти закономерности при давлениях выше 30 атм (более 3 МПа) изменяются.


Газ приближается к области критического давления и переходит в жидкое состояние. Вязкость жидких систем описыватся законом Ньютона и для нее характерны свои закономерности.

 

ищи здесь, есть все, ну или почти все