СОСТАВ И СВОЙСТВА ПРИРОДНОГО ГАЗА
Природный газ представляет собой смесь предельных углеводородов состава СпН2п+2, в которой содержится метан, этан, пропан, бутан и иногда пары более тяжелых углеводородов. Часто в состав природных газов входят азот N2 (до 40 % по объему), углекислота СО2, сероводород H2S и редкие газы.
В газе газовых и газоконденсатных месторождений обычно преобладает метан; его доля достигает 98,8 %; в нефтяном (попутном) газе доля метана намного меньше, однако увеличивается доля более тяжелых углеводородов — этана, пропана и бутана [5, 7, 13, 41].
Состав газовых смесей выражается в виде массовой, объемной или молярной доли компонентов в процентах. Массовая доля в процентах какого-либо компонента газовой смеси представляет собой отношение массы этого компонента к массе всей смеси:
где Мi — масса i-го компонента; Mсм — масса смеси.
Объемная доля (%) какого-либо компонента в смеси газов равна отношению объема компонента к объему всей смеси:
где Vi — объем /-го компонента в смеси; Vсм — объем всей смеси.
Молярная доля компонента определяется аналогично и может быть представлена в виде
где Ni — число молей г-го компонента в смеси; Ncm — суммарное число молей газа в смеси.
Физические свойства природного газа зависят от его состава, но в целом близки к свойствам метана как основного компонента смеси.
Плотность природного газа можно определить взвешиванием или вычислить, зная молекулярную массу смеси М:
где Vm — объем моля газа при стандартных условиях, м3.
Обычно рг находится в пределах 0,73— 1,0 кг/м3. В расчетах часто используют более удобную величину — относительную плотность Δ так как значение ее практически не зависит от давления и температуры. За величину сравнения принимают плотность воздуха
где МГ — масса газа; Мв — масса воздуха.
Относительная плотность газа изменяется от 0,50 до 1,0. Плотность индивидуальных компонентов углеводородных газов (и сероводорода), за исключением метана, больше единицы. При всех расчетах, связанных с движением газа, используется вязкость. Аналитические зависимости вязкости смеси от вязкости входящих в смесь компонентов сложны и имеют недостаточную точность. В связи с этим на практике вязкость определяют по экспериментальным графикам, один из которых приведен на рис. 1.2.
Рис. 1.2. Зависимость вязкости природного газа μ (при Δ = 0,6) от температуры |
Вязкость природных газов зависит от их состава, температуры и давления. При высоком давлении вязкость растет с увеличением плотности газа, при низком — уменьшается. С повышением давления вязкость увеличивается. Температура влияет на вязкость по-разному: при низких давлениях с повышением температуры она увеличивается, а при высоких (5—10 МПа) — снижается. Такие свойства объясняются степенью близости газа к жидкому состоянию. Вязкость природных газов обычно составляет (1,1 — 1,6)-10~5 Пас.
Состояние газа характеризуется давлением р, температурой Т и объемом V. Соотношение между этими параметрами определяется законами идеальных газов (Бойля — Мариотта, Гей-Люссака и др.), которые имеют чрезвычайно большое
Рис. 1.3. Зависимость коэффициента сжимаемости природного газа от приведенного давления при различных температурах |
значение в технологии добычи и транспортирования нефти и газа. Однако состояния реальных и идеальных газов в определенных условиях существенно отличаются. Поэтому для расчета состояния реальных газов обычно пользуются обобщенным газовым законом в виде уравнения Клапейрона, в которое вводится поправка (коэффициент сжимаемости Z), учитывающая отклонение реальных газов от законов сжатия и расширения идеальных газов:
pV = ZMRT,
где Z — коэффициент сжимаемости; М — масса газа; р — давление; V — объем газа; R — газовая постоянная; Т — абсолютная температура.
Для нефтяных газов значение коэффициента сжимаемости Z можно найти приближенно
Относительная плотность газа |
Рис. 1.4. Зависимость среднекритического давления (1, 2) и температуры (1' 2' ) природного газа от относительной плотности: |
1, 1' — газовое месторождение; 2, 2' — газоконденсатное месторождение |
по графикам Брауна, представленным на рис. 1.3. Коэффициенты сжимаемости Z на этом графике зависят от приведенных давления рпр и температуры Тпр , значения которых можно определить по формулам
где р и Т — соответственно давление и температура газа; ркр и Ткр - критические давления и температура.
Энтальпия, кДж/кг |
Рис. 1.5. Энтальпия природного газа в зависимости от давления и температуры (при относительной плотности газа Δ = 0,6) |
Для смесей газов критические температуру и давление определяют по формулам или приближенно по графикам рис. 1.4 как функцию относительной плотности смеси. При добыче природного газа часто приходится иметь дело с процессами дросселирования, т. е. с изменением давления без совершения внешней работы. Температура идеального газа при этом остается постоянной. Температура реального газа изменяется, что очень важно учитывать, так как это явление связано с выпадением из него влаги и углеводородного конденсата. Снижение давления в области относительно низких давлений (до 40 МПа) приводит к охлаждению газа, в области высоких — к нагреванию. Изменение температуры газа при его дросселировании носит название эффекта Джоуля-Томсона. Различают дифференциальный и интегральный эффекты. Большое практическое значение имеет интегральный эффект Джоуля — Томсона, т. е. понижение температуры
газа на конечном участке изменения его давления. Эту величину обычно находят по кривым теплосодержания (рис. 1.5). Зная давление газа и его температуру при одном состоянии, по этим кривым можно найти температуру газа после дросселирования. Для этого от первоначальной точки по линии равного теплосодержания следует переместиться в точку нового значения давления. Температура, соответствующая этой точке, явится искомой величиной. Изменение температуры газа при снижении давления на 0,1 МПа называется коэффициентом Джоуля — Томсона. Эта величина составляет 0,25 — 0,35 °С на 0,1 МПа (1 атм).
Дата добавления: 2020-07-18; просмотров: 452;