научная статья по теме СОСТАВ И ТЕМПЕРАТУРА МНОГОКОМПОНЕНТНОЙ СИСТЕМЫ ЖИДКОСТЬ–ПАР ПРИ ИЗОЭНТАЛЬПИЧЕСКОМ ИЗМЕНЕНИИ ДАВЛЕНИЯ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «СОСТАВ И ТЕМПЕРАТУРА МНОГОКОМПОНЕНТНОЙ СИСТЕМЫ ЖИДКОСТЬ–ПАР ПРИ ИЗОЭНТАЛЬПИЧЕСКОМ ИЗМЕНЕНИИ ДАВЛЕНИЯ»

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2008, том 42, № 5, с. 531-537

УДК 532.6:546.22

СОСТАВ И ТЕМПЕРАТУРА МНОГОКОМПОНЕНТНОЙ СИСТЕМЫ ЖИДКОСТЬ-ПАР ПРИ ИЗОЭНТАЛЬПИЧЕСКОМ ИЗМЕНЕНИИ ДАВЛЕНИЯ

© 2008 г. И. В. Деревич, В. А. Першуков*

Московский государственный университет инженерной экологии *000 "Аллтек", Москва nchmt@iht.mpei.ac.ru Поступила в редакцию 17.10.2007 г.

На основе минимизации энергии Гиббса предложен метод расчета равновесного состава многокомпонентной двухфазной системы жидкость-пар при изоэнтальпическом изменении давления. Численная методика построена с использованием идей статистической физики и термодинамики неравновесных процессов. Для определения термодинамических параметров раствора и пара используется кубическое уравнение состояния. Предложенный метод иллюстрируется результатами расчетов и сопоставлением с экспериментом.

ВВЕДЕНИЕ

Нефть ряда месторождений России содержит значительное количество парафиновых соединений, которые могут выпадать в виде твердых отложений. Образование твердого осадка на стенках трубопроводов приводит к увеличению энергозатрат и снижает надежность систем транспорта нефти. Твердые парафиновые отложения могут образовываться также в призабойной зоне скважины. В этом случае уменьшение проницамости пористой системы пласта вызывает понижение производительности скважины. В призабойной зоне скважины происходит существенное снижение давления нефти по сравнению с давлением в пласте. Образование твердого парафинового осадка вблизи устья скважины может быть обусловлено двумя причинами. Первая связана с уменьшением "термодинамической емкости" раствора. Этот эффект обусловлен понижением растворимости тяжелых парафинов при уменьшении давления и изменением компонентного состава нефти в результате выхода нефтяного газа. В работах [1, 2] показано, что в широком диапазоне давлений температура начала образования твердых парафинов меняется на несколько градусов. Наши расчеты, проведенные в рамках модели [3], свидетельствуют, что изменение состава раствора при выходе легких компонентов также не приводит с существенному сдвигу границы образования парафиновых отложений. При изотермических условиях снижение давления вблизи скважины не может служить причиной выпадения тяжелых парафинов. Вторая причина формирования твердых отложений в призабойной зоне обусловлена неизотермическими условиями - охлаждением нефти при снижении давления и дегазации. В этом случае

снижение температуры до температуры образования твердых парафинов приводит к интенсивному формированию осадка. Падение температуры в результате уменьшения давления аналогично дроссельному эффекту в однофазной жидкости. В этом случае при неизменной энтальпии образуется паровая фаза, что сопровождается существенным снижением температуры двухфазной системы. В настоящей работе показано, что уменьшение давления в многокомпонентном растворе приводит не только к изменению его состава, но и к заметному изменению температуры. Термодинамические параметры нефти в призабойной зоне моделируются при условии постоянной энтальпии, равной энтальпии нефти в пластовых условиях.

Расчет равновесного состава двухфазной многокомпонентной системы жидкий раствор-пар при заданных температуре и давлении представляет сложную математическую задачу [4]. Дополнительное ограничение, например постоянство энтальпии, приводит к новой проблеме, связанной с необходимостью определения как нового значения температуры, так и равновесного состава многокомпонентной системы жидкость-пар. Алгоритмы, предложенные в [4], основаны на решении системы трансцендентных алгебраических уравнений. Эти уравнения вытекают из термодинамического условия равновесия, сводящегося к равенству фугитивностей компонентов в жидком и паровом состояниях. Процесс решения таких сложных систем алгебраических уравнений, как правило, неустойчив и может приводит к нефизичным результатам.

В настоящей работе предлагается принципиально другой алгоритм поиска решения поставленной задачи. При постоянной энтальпии равновесное

531

4*

распределение концентрации в растворе и паре и температура определяются на основе прямоИ чис-ленноИ минимизации энергии Гиббса двухфазноИ многокомпонентоИ системы. РавновесныИ состав и температура являются стационарным решением системы обыкновенных дифференциальных уравнениИ, которая получена исходя из идеИ статистиче-скоИ физики и термодинамики неравновесных процессов.

ЭНЕРГИЯ ГИББСА ДВУХФАЗНОЙ МНОГОКОМПОНЕНТНОЙ СИСТЕМЫ

Энергия Гиббса двухфазноИ многокомпонент-ноИ системы, отнесенная к одному молю, gm имеет вид [5]

Ят = п(г) 1п (ф(г)) + п® 1п (ф<?) + п(г) 1п (п(г)) +

г = 1

(1)

+ пV 1п(п<?) - п(г) 1п(р,) - п® 1п(вг) },

1 = 1

1 = 1

х(;) = н«/р^, х(° = н(г)/

(4)

ми статистическоИ физики вероятность реализации случаИного состояния термодинамическоИ системы Цг имеет вид

W = А ехр (-

ЯТГ

(5)

где А - нормировочная константа.

Из соотношения (5) видно, что максимум вероятности реализации равновесного состава смеси соответствует минимальному значению энергии Гиббса. В этом случае задача о поиске равновесного состава эквивалентна задаче о поиске максимума величины W, где энергия Гиббса задается выражением (1). Исходя из идеИ неравновесноИ термодинамики "скорость" стремления к равновесию пропорциональна градиенту вероятности (5) в пространстве концентрациИ [7]:

<п

йW

ат

<п

(О'

(6)

(0 (о

где п;/, п) - относительные числа молеИ компо-

ж(о А(О

нента г в состоянии пара и жидкости; ф „ , ф1 - коэффициенты фугитивности пара и жидкости компонента г, которые зависят от давления, температуры и состава жидкости и пара; рг, Р^, - молярные доли пара и жидкости в смеси.

Молярные доли пара и жидкости в (1) выражаются через относительное число молеИ в паре и растворе

т т

рv = ^нг, в)=^п);), в)+р^ = 1. (2)

Используя в (6) выражения (1)-(3), получаем систему обыкновенных дифференциальных уравнениИ для расчета концентрациИ компонентов в состоянии пара:

<п

а (gm/ят)

ат

<п

W,

а (gm / ЯТ)

= 1п(ф«) -1п(ф)") + 1п(п^) -

(«К

<п

(7)

(8)

-1п(п(г)) -1п(Р^) + 1п(Р)).

Между относительным числом молеИ и началь-

(1)

ным распределение веществ в смеси го существует связь:

т

(') . (О (0-1 X"1 (0 1 /-оч

п) + К' = го, « = 1---т, ^ го = 1. (3)

г = 1

Молярные концентрации компонента г в паре и

(г) (г) растворе х\ , х) равны

Здесь т - итерационныИ параметр, которыИ пропорционален истинному времени. Суммарная доля жидкости Рг и молярные доли компонентов в жид-

коИ фазе п(1) находятся из (2), (3).

Стационарное решение системы (7), (8) при т —► ^ совпадает с равновесным составом, обеспечивает нулевое значение градиента вероятности W, максимальное значение вероятности W и минимальное значение энергии Гиббса gm/ЯT. При достижении стационарного решения из системы (7), (8) следует условие

Суммарная энтальпия одного моля двухфазноИ многокомпонентноИ системы имеет вид:

Нт = НА + Н £ V. Здесь Н, Н - энтальпии одного моля пара и раствора смеси.

В состоянии равновесия при постоянных давлении и температуре энергия Гиббса смеси достигает минимума [6]. Этот факт используется для расчета равновесного состава смеси. В соответствии с идея-

х«Ф<? =

('Ож(')

х)" Ф)

(9)

Здесь концентрации в паре и растворе находятся по формулам (4). Равенство (9) приводит к стандартному термодинамическому условию равновесия фаз, выражающемуся через равенство фуги-тивностеИ [4]:

Лг) _ Лг)

} V = ] I ,

где /(г) = х(г)ф(г) Р, /« = х«ф« Р.

т

ос

V

В результате решения уравнений (7), (8), при заданных температуре и давлении, находится первоначальное состояние исходной смеси. Изменение давления при условии постоянства энтальпии Hm = H°m = const переводит термодинамическую систему в состояние равновесия с другой температурой и новым составом жидкости и пара. Расчет нового значения температуры осуществляется итерационным способом. Полная энтальпия системы на n + 1 итерации связана с энтальпией на n итерации

Hm(T((n + 1)) = Hm(T((n) + AT) - Hm(T((n)) + CpmAT,

Здесь AT = Tn + 1) - T^; Cpm - изобарическая теплоемкость двухфазной системы:

Cpm = CplPl + CpvPv,

где Cpv, Cpl - молярные изобарические теплоемкости пара и раствора.

Из условия постоянства энтальпии следует обыкновенное дифференциальное уравнение для расчета температуры:

dT d т

H ° _ н

mm

Cpm

(10)

P =

aа(ю, Tr)

RT

V- b V( V + b) + b( V- ft)'

(11)

Для индивидуального компонента г коэффициенты уравнения (11) а(г), Ь(г) связаны с термодинамическими критическими параметрами вещества:

Л о

RT

(i)2

= 0.45724—V, b( i) = 0.07780

RT

(i)

P

(>У

P

(i) '

Определение всех термодинамических параметров, необходимых для расчета равновесного состава и температуры, осуществляется на основе уравнения состояния. В качестве примера реализации предложенной методики выбрано кубическое уравнение состояния Пенга-Робинсона.

УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ПЕНГА-РОБИНСОНА

В этом разделе мы приводим методику расчета и формулы для определения необходимых параметров модели на основе уравнения состояния. Два параметра в кубическом уравнении состояния, описывающие эффекты притяжения и отталкивания молекул, связаны с критическими термодинамическими параметрами вещества и фактором ацентричности. Все термодинамические свойства индивидуальных компонентов, входящих в смесь, моделируются на основе выбранного уравнения состояния. Для расчета термодинамики смеси веществ используется то же самое кубическое уравнение состояния с правилами смешения, корректирующими эффекты притяжения и отталкивания молекул различных компонентов. В данной работе привлекается первоначальный вариант уравнения состояния Пенга-Робинсона [8]

Функция а(ю(0, Тг") в (11) имеет универсальный вид

а(0 = а(ю(г), Тг°) = [ 1 + к(ю(°)(\-JTf')]2, (12)

к( 0 = к (ю( г)) = 0.37464+ 1.5422 ю( 0 -0.26992ю( 'Л

где Т' = Т/ Т.'"1 - приведенная температура компонента г.

В данной работе для моделирования эффектов притяжения и отталкивания молекул раствора используются простейшие правила смешения Ван-дер-Ваальса

т т _

а а = ££ х(0 х( Л( 1- а(0а( °)(а( V3)), г = 1 у = 1

т

^ = 3 ^ = 0, Ь = £ х(г

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком