1
第三节 油气体系中的气 -液
分离与溶解
一、天然气在原油中的溶解
亨利定律的物理意义:
温度一定,气体在单位体积液体中的溶解量与压力成正比。
1.亨利定律:
pR s ?? ?
α— 溶解系数,其值反映了气体在液体中溶解能力的大小,标
m3/(m3〃 Mpa)
Rs —— 溶解度,即 温度一定,压力为 p时单位体积液体
中溶解的气量,标 m3/m3;
适用条件,分 子结构差异大、不易互溶的气液体系。
单组分 气体在液体中的溶解。
2
2.天然气在石油中的溶解及其影响因素
40℃ 时不同气体在相对密度为 0.873的石油中的
溶解度 (卡佳霍夫,1956)
1— 氮气 2— 甲烷 3— 天然气
3
4
① 天然气的组成
天然气中重质组
分愈多,相对密度愈
大,其在原油中的溶
解度也愈大。
5
② 石油的组成
相同的温度和压
力下,同一种天然
气在轻质油中的溶
解度大于在重质油
中的溶解度。
6
随着温度的升高,天然气的溶解度下降③ 温度
④ 压力 随着压力的升高,天然气的溶解度增大。
⑥ 在溶解过程中 天然气和石油的接触时间和接触
面 的大小,影响气体的溶解度。
⑤ 脱气方式 一次脱气测得的溶解度大,微分脱气小。
7
8
二、油气分离
易溶解于石油的气体组分,不容易从石
油中分离出来 难溶解于石油的气体,容易从石
油中分离出来。
多级脱气。矿场常用,一次脱气、
气多
气少
分离方式 接触分离 (闪蒸脱气,一次脱气 )
微分分离
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一次脱气示意图
使油藏 烃类 体系
从油藏状态 瞬时 变到
某一特定压力、温度
状态,引起油气分离
并迅速达到 相平衡 的
过程。
接 触 分 离
特点,油气分离过程中,分离出的气体与油始
终保持接触,体系组成不变。
10
在微分脱气过
程中,随着气体的分
离,不断地将气体放
掉 (使气体与液体脱
离接触 )。
微 分 分 离
特点,脱气是在
系统组成不断变化的条
件下进行的。
11
多 级 脱 气
12
油气分离与溶解曲线的差异
13
14
1.天然气的偏差因子Z和天然气的
体积系数 B g在概念上有何异同点?
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三、相态方程
1.相态方程的建立
设:油气体系中 液相 和 气相 混合物的 总物质 的量
为 1mol,在压力为 P,温度为 T时,两相达到热力
学平衡;液相中总物质的量为 Nl;气相中总物质
的量为 Ng; 则:
)(1 m o lNN gl ??
(1)
如果油气体系中有 m个组分,任一组分在气相中的
摩尔分数为 yi,在液相中的摩尔分数为 xi,在体系中
的摩尔分数为 ni,则:
gilii NyNxn ??
(2)
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联立 (1)式和 (2)式 有:
? ?li
i
i
lii Nxx
yNxn ??? 1
(3)
令 yi/xi=ki,并代入式 (3)得:
? ? lii
i
i Nkk
nx
1??
?
(4)
任一组分 i在液
相中的浓度表
达式
(5)
? ? gi
ii
i Nk
kny
11 ?
?

任一组分 i在
气相中的浓度
表达式
将 (1)式 Nl=1-Ng,代入 (3)式中得:
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在平衡条件下,烃类体系在气液两相中摩尔分数
之和等于 1,则:
? ?
? ?
?
?
?
?
?
?
?
??
??
?
??
??
m
i gi
ii
m
i
i
m
i lii
i
m
i
i
Nk
kn
y
Nkk
n
x
1
1
1
1
1
11
1
1
气液体系的相
态方程
平衡常数
式中
i
i
i x
y
k ?
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2.露点方程和泡点方程
露点方程和泡点方程是特定压力点上的相态方程。
露点压力 定义为一个烃类系统在一定的温度下,
以无限小量的液相和大量气相平衡共存的压力 。
( 1) 露点方程
iigl nyNN ??? 10
虽然体系中只有无限小量液体,但该液体各组
分的摩尔分数之和为 1。
? ? 111 1 1 ?????? ? ?? ? ?
m
i
m
i
m
i i
i
lii
i
i k
n
Nkk
nx
19
泡点压力 定义为一个烃类系统在 一定的温度 下,
有无限小量的 气相和大量的液相平衡 共存的压力。 亦
称饱和压力。
( 2)泡点方程
尽管体系中只有无限小量的气体,但气泡各组
分的摩尔分数之和为 1。
iigl nxNN ??? 01
? ??? ?? ??????
m
i
ii
m
igi
ii
m
i
i knNk
kny
1 11
1
11

20
3.平衡常数
1)定义, 指体系中某组分在一定 压力 和
温度 条件下,气液两相 处于平衡时,该组分在气
相和液相中的分配比例 。 也称之为 平衡比 或 分
配系数 。
① 拉乌尔和道尔顿定律(理想气体)
② 实验测定
③ 收敛压力
④ 气液相平衡
2)求取方法:
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① 拉乌尔和道尔顿定律(理想气体)
拉乌尔定律,某一组分在气相中的分压等于该组分在液
相中的摩尔分数与该纯物质的蒸汽压之积。
0
iii PxP ??
道尔顿定律,气体混合物中某一组分的分压等于其摩尔
分数与气相压力之积。
Tii PyP ??
Ti
i
P
P
x
y
i
0
?
适用条件,低压、低温状态,
理想溶液 (指构成溶液的各组
分分子之间无特殊的作用力,
混合后无热效应,混合前后的
容积不变 )
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② 实验测定
缺点,在高压 (一般高于 5MPa)下,混合
物体系的组成 影响平衡常数的精度。
方法,对已知组成的体系,在各种不同的 气
液平衡 条件下 (压力、温度 ),分别实验测定气相、
液相各组分的摩尔数,按公式 ki =yi/xi计算 平衡
常数。
高压下平衡常数不仅是压力、温度的函数,而
且也是 体系 组成的函数:
ki =f(P,T,组成 )
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③ 收敛压力
思路,假定组成体系各组分的 平衡常数 ki随压力升
高至某一特定值时,分别趋于 1。不同组成的体系,其各
组分的平衡常数趋近于 1的特定压力值不同。
随压力上升,混合物体系各组分的平衡常数逐渐趋
近于 (或收敛于 )1的点的压力称为 收敛压力。
混合物体系的临界压力
收敛压力
查图版,确定平衡常数
计算步骤:
美国天然气协会
1957年出版了一套
lgk-lgP图版
对应状态定律,在两个
体系中,只要这两个体
系的组成为同族物,并
在相同温度下收敛压力
相同,那么,在一个体
系中某组分的平衡常数
和该组分在另一个体系
中同温、同压下的平衡
常数亦相同(不管该体
系是否由相同的数目和
种类的组分组成)。
24
曲线特点,在低压范围内每
条曲线的斜率几乎都等于 -1。
每条曲线与 k=1相交处的压力
就等于该曲线所代表组分在
给定温度下的蒸气压。除甲
烷外,每条曲线的变化趋势均
相同。
曲线的细微差别,部分纯物
质的曲线随压力变化只是趋
于 1,而不是收敛于 1。
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因为当给定 温度 是体系的 临界温度 时,则收
敛压力即为该 体系 的 临界压力。 但通常,一个 体
系 所处的 温度 不是它的临界温度,这时若 压力 增
加,体系可能出现 泡点或露点,那么由实验则不
能测出收敛压力,只能由这些曲线的变化趋势外
推到平衡常数为 1的点。因此,该点的压力称视
收敛压力 。多数情况下,在视收敛压力前的某一
压力下 (如泡点压力或露点压力 ),体系已出现单
相状态,k值 已无意义。
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两个体系,
1.收敛压力 7.0MPa
2.收敛压力 35.0MPa
P<0.7MPa时,组分
C2~ C6的曲线几乎重
合。 即,两个体系中相
应组分的 平衡常数 相同。
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收敛压力 35MPa
矿场实际,地面 油气 分
离等一般操作 压力 不高,
各种不同 收敛压力 下的
平衡常数都相同。
所给收敛压力为
35.0MPa图版完全 可以
满足 计算 精度 的要求,
尽可以放心使用。
28
收 敛 压 力 35MPa
组分 C1~ C7七张图版
C1,C7以上组分误差较大
组分 C2~ C6符合较好
C1,C7以上组分的平衡
常数要根据压力、温
度、收敛压力计算
29
例 2,已知:分离温度为 49℃,一次分离的最终压力 0.1MPa;
多级分离的每级压力:第一级 3.5MPa,第二级 0.46MPa,第三
级 0.1MPa,油井产物的组成及收敛压力为 35MPa下对应的平衡
常数见例 2表 1,试算一次分离和多级分离的油量和气量。
不同温度的 ki值
49 ℃时平衡常数 k 值


油井产物组
成摩尔浓度 3, 5 M P a 0, 4 6 M P a 0, 1 M P a
c1 0, 4 4 0 4 8.1 6 0, 0 265
c2 0, 0 4 3 2 1, 6 5 1 0, 6 4 6, 5
c3 0, 0 4 0 5 0, 5 9 3.4 1 4, 3
c4 0, 0 2 8 4 0, 2 3 1, 2 5 5, 3 5
c5 0, 0 1 7 4 0, 0 8 8 0, 4 1 5 1, 7 2
c6 0, 0 2 9 0 0, 0 3 9 0, 1 7 0.7
c7
+
0, 4 0 1 1 0, 0 0 3 0, 0 1 3 0, 0 5 2
1, 0 0 0 0
? ?
? ?
?
?
? ?
? ?
?
??
??
?
??
??
m
i gi
ii
m
i
i
m
i lii
i
m
i
i
Nk
kn
y
Nkk
n
x
1 1
1 1
1
11
1
1
解, 由
30
xi组

油井产物的
摩尔浓度 ni
分离气体的
摩尔浓度 yi
0.1MPa49
℃ 下的 ki NL=0.398 NL=0.397 NL=0.3973
c1 0.4404 0.7288 265 0.0028 0.0027 0.0028
c2 0.0432 0.0707 46.5 0.0015 0.0015 0.0015
c3 0.0405 0.0642 14.3 0.0045 0.0045 0.0045
c4 0.0284 0.0419 5.35 0.0078 0.0078 0.0078
c5 0.0174 0.0209 1.72 0.0121 0.0121 0.0121
c6 0.0290 0.0248 0.70 0.0355 0.0355 0.0354
c7+ 0.4011 0.0487 0.052 0.9343 0.9364 0.9359
1.0000 1.0000 0.9985 1.0005 1.0000
一次分离时每摩尔油井产物中可分离出
0.39725摩尔 的地面原油。
经过 3次 NL值试算,得到如下结果,
(1)一次分离计算
31
方法同( 1),计算结果如下:
(2)多级分离计算
( 压力 )

油井产物的
ni K
x
NL
yi ixi
Ng ni
x
NL
yi ixi
Ng
c1 0.4404 8.1 0.1110 0.8990 c1 0.1110 60 0.0109 0.6518
c2 0.0432 1.65 0.0340 0.0561 c2 0.0339 10.6 0.0136 0.1440
c3 0.0405 0.59 0.0489 0.0288 c3 0.0489 3.4 0.0355 0.1209
c4 0.0284 0.23 0.0419 0.0096 c4 0.0419 1.25 0.0403 0.0504
c5 0.0174 0.088 0.0281 0.0025 c5 0.0281 0.415 0.0309 0.0128
c6 0.0290 0.039 0.0485 0.0019 c6 0.0485 0.170 0.0557 0.0095
c7+ 0.4011 0.003 0.6876 0.0021 c7+ 0.6079 0.013 0.8131 0.0106
1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000
第一级 分离 3.5MPa 第二级分离 (压力 0.46MPa)

摩尔浓度 值
i
=0.582
=k
=0.418


油井产物的
摩尔浓度 K 值
i
=0.844
=k
=0.156
32
第三级分离 ( 压力 0.1MPa )


油井产物的
摩尔浓度 ni K 值
xi
NL=.9486
Yi=k ixi
Ng=.0514
c1 0.0109 265 0.0007 0.1976
c2 0.0175 46.5 0.0041 0.1890
c3 0.0355 14.3 0.0210 0.3014
c4 0.0403 5.35 0.0329 0.1764
c5 0.0309 1.72 0.0298 0.0513
c6 0.0557 0.70 0.0566 0.0397
c7+ 0.8132 0.052 0.8549 0.0446
1.0000 1.0000 1.0000
第一级分离出液体的物质的量为 0.582 mol;
第二级分离后剩余的液体的物质的量为 0.582× 0.8438=0.4911mol;
第三级分离后剩余的液体的物质的量为 0.4911× 0.9483=0.4658mol;
多级分离比接触分离多收获约 0.0686 mol的液体 (油 )。
33
第三级分离 (压力 0.1MPa)


油井产物的
摩尔浓度 ni K 值
xi
NL=.9486
Yi=k ixi
Ng=.0514
c1 0.0109 265 0.0007 0.1976
c2 0.0175 46.5 0.0041 0.1890
c3 0.0355 14.3 0.0210 0.3014
c4 0.0403 5.35 0.0329 0.1764
c5 0.0309 1.72 0.0298 0.0513
c6 0.0557 0.70 0.0566 0.0397
c7+ 0.8132 0.052 0.8549 0.0446
1.0000 1.0000 1.0000
第一级分离出液体的物质的量为 0.582 mol;
第二级分离后剩余的液体的 物质的量为 0.582× 0.8438=0.4911mol;
第三级分离后剩余的液体 的 物质的量为 0.4911× 0.9483=0.4658mol;
多级分离比接触分离多收获约 0.0686 mol的液体 (油 )。