Изучение плотностей газовых конденсатов и их фракций при различных температурах и давлениях в жидкой фазе

УДК 536.713/715

ИЗУЧЕНИЕ ПЛОТНОСТЕЙ ГАЗОВЫХ КОНДЕНСАТОВ И ИХ ФРАКЦИЙ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ И ДАВЛЕНИЯХ В ЖИДКОЙ ФАЗЕ

Мальцев Роман Григорьевич старший преподаватель

UDC 536.713/715

STUDY OF THE DENSITY OF A GAS CONDENSATES AND THEIR FRACTIONS AT DIFFERENT TEMPERATURES AND PRESSURES IN THE LIQUID PHASE

Maltsev Roman Grigorievich senior lecturer

Магомадов Алексей Сайпудинович д.т.н., профессор

Кубанский государственный технологический университет. Краснодар, Россия

Magomadov Alexey Saipudinovich Dr.Sci.Tech., professor

Kuban state technological university. Krasnodar, Russia

В статье описаны экспериментальные исследования плотности газовых конденсатов и их фракций в области высоких температур и давлений. На основе экспериментальных и теоретических данных разработано новое уравнение состояния. Полученное обобщенное уравнение состояния может быть использовано для расчета плотности других природных углеводородов

The article describes the experimental investigation of the density of the gas condensates and their fractions in the field of high temperatures and pressures. On the basis of the experimental and theoretical data has developed a new equation of state. The obtained generalized equation of state can be used to calculate the density of other natural hydrocarbons

Ключевые слова: МЕТОДЫ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО ПОДОБИЯ, ОДНОЖИДКОСТНАЯ МОДЕЛЬ, ПСЕВДОКРИТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ СОСТОЯНИЯ, ПСЕВДОКРИТИЧЕСКАЯ ИЗОБАРА, ПАРАМЕТРЫ ПРИВЕДЕНИЯ, УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ

Keywords: METHODS OF THERMODYNAMIC SIMILARITY, ONEFLUID MODEL, PSEUDOCRITICAL CONDITION PARAMETERS, PSEUDOCRITICAL ISOBAR, PARAMETERS OF THE REDUCTION, EQUATION OF STATE

Оптимизация и интенсификация процессов добычи и переработки газовых конденсатов и их фракций требует наличия их надежных теплофизических свойств в широком интервале параметров состояния. Важнейшими свойствами фракций газовых конденсатов являются - плотность и сжимаемость. Существующие методы прогнозирования указанных свойств дают погрешности, порой достигающие 5% при атмосферном давлении и до 20% при повышенных давлениях. В связи с отсутствием необходимой исходной информации (физико-химических и теплофизических свойств), эти методы принципиально не могут быть использованы для экспериментального и теоретического исследования. Физика конденсированного состояния не позволяет в настоящее время надежно прогнозировать указанные

свойства для таких сложных многокомпонентных углеводородных систем, какими являются газовые конденсаты и их фракции. Развитие физики жидкого состояния требует дальнейшего накопления экспериментальных данных о теплофизических свойствах многокомпонентных углеводородных систем.

Для исследования плотности нами были отобраны газовые конденсаты семи месторождений: Юбилейное, Некрасовское, Майкопское, Рыбаль-ское и Перещепинское и фракции Опошнянского и Солоховского месторождений. Физико-химические свойства приведены ниже в таблице 1 и 2.

Таблица 1. Физико-химические свойства газовых конденсатов

Месторождение Вязкость кинематическая V106, м2/с Показатель преломления п Г рупповой углеводородный состав, % масс.

Арома- тичские Нафте- новые Парафи- новые

Юбилейное 1,1683 1,4592 39,7 54,9 5,4

Некрасовское 0,9603 1,4522 42,6 51,8 5,6

Опошнянское 2,3765 1,4605 33,3 60,0 6,7

Солоховское 1,5695 1,4406 24,4 51,1 24,5

Рыбальское 1,4546 1,4408 27,5 59,8 12,7

Перещепинское 0,8664 1,4200 13,1 29,0 57,9

А так же, отобраны фракции двух газовых конденсатов: Опошнянского

и Солоховского месторождений. Физико-химические свойства их приведены в таблице 2.

Прежде всего, плотность исследуемых углеводородов была тщательно изучена при атмосферном давлении. При этом использовались два метода определения плотности: пикнометрический и гидростатического взвешивания поплавка в изучаемой жидкости. Оба метода достаточно подробно описаны в [1,2]. Значения плотности при атмосферном давлении необходимы для расчета массы исследуемых жидкостей при исследованиях в области высоких давлений.

Таблица 2. Физико-химические свойства фракций газовых конденсатов

Месторождение Плотность р20 (кг/м3), при 1=20 0С Показатель преломления п, при 1=20 0С Групповой углеводородный состав, % массы

Аромати- ческие Нафтено- вые Парафино- вые

Опошнянское

122 - 150 792,5 1,4490 32,0 29,7 38,3

150 - 175 809,7 1,4550 32,0 13,0 55,0

175 - 200 832,0 1,4650 32,0 9,7 58,3

200 - 225 848,3 1,4780 34,6 15,3 50,1

250 - 275 862,4 1,4895 31,4 11,9 56,7

Солоховское

95-122 761,2 1,4270 32,0 29,7 38,3

150-175 792,8 1,4495 32,0 9,7 58,3

175-200 805,7 1,4562 34,6 15,3 50,1

200-225 823,1 1,4658 39,6 13,3 47,1

225-250 836,3 1,4750 31,4 11,9 56,7

Пикнометрический методом определения плотности при постоянной

температуре является стандартным ГОСТ 3900-47. Методом гидростатического взвешивания плотность газовых конденсатов измерялась в интервале температуры от -10 °С до начала кипения. Взвешивание поплавка с нитью (нихромовой проволокой диаметром ~0,1 мм) производили на аналитиче-

_7

ских весах типа ВЛА_200г_М, с разрешающей способностью 10 кг. Весы устанавливались на кронштейне, жестко закреплённом в стене. Поплавок, изготовленный полым из стекла марки «пирекс», заполняли резаной медной проволокой. Под весами устанавливали термостат, в котором помещали тонкостенный стакан из нержавеющей стали, заполненный до определённого уровня исследуемым газовым конденсатом. Между свободной поверхностью жидкости и верхней кромкой стакана устанавливали теплоизолирующую гирлянду, изготовленную из фторопластовых пластин. Температуры ниже комнатной достигались с использованием жидкого азота. Температуру исследуемого газового конденсата определяли с помощью термометра типа ТСП с погрешностью ± 0,1 °С. Плотность газового конденсата определяли из следующего уравнения:

Р

где М1 _ масса гирь, уравновешивающая поплавок с проволочкой в возду-

М2 _ масса гирь, уравновешивающая поплавок с проволочкой в исследуемой жидкости;

следуемой жидкости;

Ув _ объём стеклянного поплавка при температуре воздуха;

V _ объём стеклянного поплавка при температуре опыта;

рв _ плотность воздуха;

р _ плотность исследуемого газового конденсата.

Относительная погрешность измерения плотности газового конденсата при атмосферном давлении описанными методами не превышала ± 0,05 %, что подтверждалось опытами на дистиллированной воде и н_ гексане [3].

Для измерения плотности и сжимаемости газовых конденсатов в области температур от -10 до +200°С и давлений от 0,098 до 60 МПа был выбран метод пьезометра переменного объема [4]. При выборе метода исследования плотности и сжимаемости основным требованием было создание установки с минимальными коммуникациями и минимальным объёмом нетермостатируемых полостей (так называемый «вредный объём»).

Принципиальная схема установки представлена на рисунке 1. Толстостенный пьезометр высокого давления 4 имеет емкость 177,75 см3, в нижней части пьезометр имеет разъём 27, уплотнённый с помощью медной прокладки. Пьезометр помещали в жидкостной термостат 2. Электродвига-

хе;

М1 _ масса гирь, уравновешивающая проволочку без поплавка в воз

духе;

М2/ - масса гирь, уравновешивающая проволочку без поплавка в ис

тель 18 интенсивно перемешивает термостатирующую жидкость. В термостате при этом в области температур ниже комнатных в качестве термоста-тирующей жидкости использовался керосин, выше комнатных - веретяное масло. Для получения низких температур использовался жидкий азот в сосуде дьюара 10. Подача азота в змеевик 3 термостата по трубке 12 с созданием избыточного давления в сосуде дьюара нагревателем 9, питаемого автотрансформатором 11. Температура в термостате регулировалась электрическим нагревателем 5. В качестве регулятора температуры 7 использовался контактный термометр 8. Колебания температуры в термостате находились в пределах ±0,1 %. В верхней части пьезометра с помощью резьбового соединения 20 укрепляли поршневой пресс высокого давления 19. Поршень пресса уплотнялся набором чередующихся между собой стальных и фторопластовых шайб.

Перемещения поршня отсчитывались с помощью стрелочного индикатора 14 с погрешностью ± 0,01 мм. Индикатор 14 закреплялся на штоке 13. В свою очередь шток закреплялся шарнирно на прессе 19. Специальные пазы в патрубке 15 удерживали шток от проворачивания. В верхней части поршня находился вентель 16 для отбора исследуемой жидкости в емкость 17. Пьезометр закреплялся с помощью патрубка 20 на крышке термостата 21. Температура в пьезометре 4, во время опытов, измерялась с помощью термометра сопротивления 22 типа ТСП с погрешностью ± 0,1 °С. В нижней части к пьезометру (штуцер 27) подсоединяли с помощью толстостенного капилляра с внутренним диаметром 2 мм разделительный сосуд 23. В качестве разделительного элемента использовали малогабаритный трубчатый манометр 26 с электроконтактным сигнальным устройством предупреждающим о приближении стрелки к начальному и конечному показаниям манометра 1.

Электрические провода из разделительного сосуда 23 выводились

через специальное уплотнение 24. Погрешность срабатывания сигнального устройства находилась в пределах ± 10 МПа.

Давление в процессе эксперимента измеряли с помощью грузопоршневого манометра марки МП_600 класса точности 0,05.

Плотность исследуемой жидкости определялась по формуле:

т

р=—'

/, р

где т _ масса жидкость в пьезометре;

V ^ _ объём пьезометра в зависимости от температуры (^°С) и давления (р).

Массу жидкости т определяли по данным о плотности и известному объёму пьезометра при атмосферном давлении (р0).

Объём пьезометра определяли по формуле

¥,р = Уа [1 + а

где VI) _ объём пьезометра при 1=20 °С и атмосферном давлении; а _ температурный коэффициент расширения пьезометра;

Р _ барический коэффициент расширения пьезометра;

Средняя относительная погрешность измерений плотности газовых

конденсатов в исследованных интервалах температуры и давления при до-

верительной вероятности 0,95 не превышала ± 0,1 %. Перед началом опытов на установке были выполнены контрольные измерения на дистиллированной воде и н-гексане. Результаты измерений в пределах погрешности опытов согласуются со справочными данными [3].

В качестве примера в таблице 3 представлены экспериментальные значения плотности газовых конденсатов и фракций Опошнянского и Соло-ховского месторождений.

Рисунок 1. Установка для измерения плотности жидкостей при высоких температурах и давлениях.

Таблица 3. Псевдокритические параметры состояния

Газовые конденсаты и их фракции Плотность р, кг/м3 Молярная масса, М кг/моль Псевдокри- тическая плотность, Ркр кг/м3 Псевдокри-тическая температура, Ткр К Псевдокри-тическое давление, Ркр МПа

Юбилейное 801,9 0,115 256,3 693,5 3,353

Некрасовское 793,7 0,107 260,1 633,6 3,342

Шебелинское 768,7 0,118 249,6 654,0 3,002

Опошнянское 823,7 0,144 264,8 678,6 2,707

122 _ 150 Со 792,5 0,122 262,0 615,2 2,879

150 _ 175 Со 809,7 0,130 261,2 669,7 2,919

175 _ 200 Со 832,0 0,143 264,6 706,3 2,836

200 _ 225 Со 848,3 0,160 266,5 741,9 2,681

250 _ 275 Со 862,4 0,199 268,6 769,7 2,256

Солоховское 789,2 0,142 261,9 608.2 2.431

95 _122 °С 761,2 0,104 254,8 591,4 3,150

150_175 °С 792,8 0,124 258,4 645,5 2,926

175_200°С 805,7 0,149 260,2 667,1 2,536

200 _ 225 °С 823,1 0,159 262,4 700,3 2,514

225_250°С 836,3 0,177 265,0 717,1 2,332

Рыбальское 794,5 0,145 258,8 646,5 2,504

Перещепиское 751,3 0,115 247,9 619,3 2,897

Для обобщения полученных экспериментальных данных по плотности нами были использованы методы термодинамического подобия свойств веществ. При этом фракции рассматривались как однокомпонентные жидкие углеводороды, т.е. как некоторые гипотетические углеводороды со своими критическими параметрами состояния, которые вернее называть псевдокритическими параметрами состояния. Псевдокритические параметры состояния исследованных фракций газовых конденсатов рассчитывались с использованием физико-химических данных на основе методик, предложенных Л. П. Филипповым.

Псевдокритическая плотность определялась по формуле:

р кр = 0,253 •

лт

певдокритическая температура:

ткр =-1,95 -ркр \Лр 1 ,

лт

и псевдокритическое давление: http://ej.kubagro.ru/2012/03/pdf/59.pdf

где ркр _ плотность при критической температуре Ткр; р _ плотность при температуре Т; dр

_ производная плотности от температуры;

ркр _ критическое давление;

ц _ средняя молярная масса;

Я _ универсальная газовая постоянная.

Для расчета псевдокритических параметров необходимо знать хотя бы два значения плотности при двух соответствующих значениях температуры и молярную массу жидкости. Имея температурную зависимость плотности газовых конденсатов, рассматриваются значения:

4р р 2 - р1

с1Т Т2 - Т1

Средние молярные массы, исследованных газовых конденсатов определялись как опытным путем, известными методиками, [5] и по расчетной методике, описанной в [6]. Указанные выше физические величины приведены в таблице:

Относительная плотность исследованных газовых конденсатов на псевдокритической изобаре представлена на рисунке 2.

Уравнение, описывающее полученный график, имеет вид:

р 0.

= 5,6865 -11,8829 • X +18,374 • X2 -11,014 • X3,

р кр

где р0,т _ значение плотности газовых конденсатов на критической изобаре; ркр _ псевдокритическое значение плотности газовых конденсатов; т=Т/Ткр _ приведенная температура; Ткр _ псевдокритическая температура.

Рисунок 2. Относительная плотность газовых конденсатов на псев-докритической изобаре: 1 _ Юбилейное месторождение, 2 _ Некрасовское месторождение, 3 _ Щебелинское месторождение, 4 _ Опошнянское месторождение, 5 _ Солоховское месторождение, 6 _ Рыбальское месторождение, 7 _ Перещепинское месторождение.

На основе экспериментальных данных была получено уравнение, описывающее плотность газовых конденсатов при различных температурах и давлениях:

р" Х'

/(р,X) = р(рХ\ = Ь3(х) • р3 + Ь2(х) • р2 + Ь]_(х) • р + Ь0(х),

р

1 у \ р( 0, х) 3 2

где Ь0 (х) =.„„,= 003 ^х + 002 ^х + 001 ^х + 000 :

Ь1( х) =

р

р

32

= о^13 •х + 0^2 •х + о11 -х + ою,

, . . р( 0, х) 3 2

Ь2

, . . р( 0,х) 3 2

Ь3

где р(0,т) - значение плотности газового конденсата при критическом давлении, которое находится в определенной зависимости от температуры;

р(0,0) - значение плотности газового конденсата при критическом давлении и критической температуре;

а^ - безразмерные коэффициенты при т (у _ целые числа от 0 до3);

После подстановки найденных коэффициентов, получим систему уравнений:

Ь0

0 р( 0,0) 47

Ь,

р( 0,0) У 7

Ь2

р( 0,0) У 7

Ь3

3 р( 0,0) 47

Из полученных экспериментальных данных следует, что качественная зависимость плотности газовых конденсатов от температуры и давления аналогична чистым углеводородам. Однако, количественно эти зависимости отличаются от исследованных ранее плотностей чистых углеводородов в широком интервале параметров состояния [3].

ЛИТЕРАТУРА

1. Магомадов А. С. Теплофизические свойства высоковязких нефтей: Монография. _ Краснодар: Изд-во КубГТУ, 2000. _ С. 44-45.

2. Магомадов А. С., Мальцев Р.Г. Экспериментальное исследование плотности газовых конденсатов при различных температурах и давлениях// Материалы пятой Всероссийской науч. конф. Энерго- и ресурсосберегающие технологии и установки _ Краснодар: КВВАУЛ, 2007. _ С. 145-149.

3. Варгафтик.Н. Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. _ М.: Наука, 1972. _ 720 с.

4. Кириллин В. А. Шейндлин А. Е. Исследование термодинамических свойств веществ. _ М. _ Л.: Госэнергоиздат, 1963. _ 550 с.

5. Нефтепродукты. Методы испытания часть 2. _ Издательство стандартов, 1977. _ 530 с.

6. Методы расчета теплофизических свойств газов и жидкостей. ВНИПИНефть, Термодинамический центр В/О Нефтехим, М.: Химия, 1974. _ С. 128-129.