油田基础化学修订版第1章石油气体.docx
《油田基础化学修订版第1章石油气体.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《油田基础化学修订版第1章石油气体.docx（31页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
油田基础化学修订版第1章石油气体
《油田基础化学》目录
第一章石油气体…………………………………………………………………………………1
第一节石油气体的成分和性质……………………………………………………………1
第二节理想气体定律及相关计算………………………………………………………………4
第三节实际气体的范德华方程式………………………………………………………………7
第四节气体的液化与临界状态…………………………………………………………………9
第五节压缩因子………………………………………………………………………………12
第一章石油气体
石油气体，指的是油层中与石油共生、伴随石油一起开采出来的气体，及部分溶于石油中的天然气，故又称为油田气或石油伴生气，并非指石油在提炼汽油、煤油、柴油、重油等油品过程中剩下的石油尾气。
在油田生产中常常会遇到和用到气体，如天然气的开发、气体泡沫钻井液技术的应用、混相驱油、凝析油气田的开采等。
因此对于油气田来说，石油气体一章更为重要。
描述气体行为的因素有四个：
压强（p）、体积（v）、温度（T）及物质的量（n）。
本章将讨论气体的宏观性质压强（p）、体积（v）、温度（T）及物质的量（n）之间的变化规律及常用的计算方法。
第一节石油气体的成分和性质
石油气体中除含有较多甲烷、乙烷外，还含有少量易挥发的液态烃及微量的二氧化碳、氮、硫化氢等杂质。
不同地域的石油气体，其成分和含量均不相同，以中原油田为例（体积百分比V％）：
甲烷93.6；乙烷4.1；丙烷1.2；其它组分（丁烷、戊烷、氮、二氧化碳等）1.1。
一、基本特性：
1、天然气的相对分子质量：
由于天然气是多种气体的混合物，可用下列公式计算其相对分子质量：
M=
M：
相对分子质量；
yi：
天然气各组分的体积组成；
Mi：
天然气各组分的相对分子质量；
2、天然气的相对密度：
天然气的相对密度，是指在同温同压条件下，天然气的密度与空气密度的比值：
G=
ρ:
天然气的密度,g.L-1；
：
空气的密度；
3、临界温度：
使天然气液化的最高温度称为天然气的临界温度；在临界温度下使气体液化的最低压力称为天然气的临界压力。
临界温度、临界压力统称为临界参数。
这些参数对应的状态叫临界状态。
4、湿度和露点：
天然气的绝对湿度，是指单位体积天然气中所含水蒸气的质量，单位是g.m-3。
在一定温度和压力条件下，天然气的含水量达到某一最大值，就不能再增加水汽的含量，同时开始有水从天然气中凝析出来，此时的天然气含水量达到饱和，即天然气为水汽饱和。
天然气为水汽饱和时的绝对湿度，称之为饱和绝对湿度，或简称饱和湿度。
饱和湿度是一定压力和温度条件下天然气的最大含水汽量。
天然气中的含水汽量超过此值后，就会有液态水析出。
在相同压力和相同温度下，气体的绝对湿度和饱和绝对湿度的比值称为相对湿度。
在一定压力下，饱和绝对湿度对应的温度称为水的露点。
二、热力学性质
1、天然气的热值
天然气的热值是单位质量的天然气完全燃烧后放出的热量。
其国际单位为kJ.kg-1。
天然气的热值分为高热值和低热值。
高热值（全热值）燃烧的反应热加上水蒸气冷凝的潜热称为天然气的高热值。
低热值（净热值）不包含水的冷凝在内的燃烧热，称为天然气的低热值。
2、粘度
粘度是表示流体流动时分子间因相对运动而产生的阻力大小的物理量。
粘度大的流体流动困难，粘度小的流体易于流动。
实质上，粘度表征流体内部有相对运动时，相互间的摩擦力，即相互障碍运动的力，内摩擦力也叫做粘滞力。
流体的粘滞力可用牛顿内摩擦定律计算。
F=η
式中F：
两层流体间的内摩擦力，N；
η：
流体的动力粘度，Pa.s或N.s/m2；
d：
两层流体间的距离，m；
A：
两层流体间的接触面积，m2；
v：
两层流体间的相对运动速度，m/s；
工程上经常使用运动粘度，因为运动粘度在计算中比较方便，它是动力粘度与密度的比值，即：
μ=η/ρ
式中μ：
流体的运动粘度，m2/s；
动力粘度又称为绝对粘度，运动粘度又称为相对粘度。
天然气的粘度与其组分相对分子质量、组成、温度及压力有关。
在低压条件下，压力变化对气体粘度影响不明显，温度升高，气体粘度增大。
在高压条件下，压力增加，气体粘度增大，在压力不变时，温度升高，分子运动速度增大，使分子间分子接合条件恶化，气体粘度降低。
天然气的最主要成分是甲烷，一般情况下天然气中甲烷含量可达95﹪以上，故可以用甲烷的粘度代替天然气的粘度。
第二节理想气体定律及相关计算
一、低压下气体基本定律
自十七世纪到十九世纪初期，一些物理学家对气体的温度、体积、压强以及物质的量之间的关系进行了大量实验和研究，发现和总结了低压的一些基本规律，现分述如下：
1.玻义尔定律
在一定温度条件下，一定量气体的体积与其压强成反比，其数学式为
1-1（1-1）
式中：
p1—状态1下气体的压强，单位为Pa；
V1—状态1下气体的体积，单位为m3或L；
P2—状态2下气体的压强，单位为Pa；
V2—状态2下气体的体积，单位为m3或L；
pV的乘积为一常数，其大小与温度和气体的分子数量有关。
2.查理—盖·吕萨克定律
在一定压强条件下，一定量的气体的体积与其绝对温度成正比。
其数学式为：
（1-2）
式中：
T1—状态1下气体的热力学温度即绝对温度，单位为K,它与摄氏温度t1的关系为：
T1=273.15+t1；
T2—状态2下气体的热力学温度即绝对温度，单位为K,它与摄氏温度t1的关系为：
T2=273.15+t2；
V1—状态1下气体的体积，单位为m3或L；
V2—状态2下气体的体积，单位为m3或L；
V/T为一常数，其大小与压强和气体的分子数量有关。
3.阿佛加德罗定律
在一定温度和压强条件下，气体的体积与其物质的量成正比。
其数学式为
（1-3a）
式中：
n1—状态1下气体的物质的量，单位为mol；
n2—状态2下气体的物质的量，单位为mol；
V1—状态1下气体的体积，单位为m3或L；
V2—状态2下气体的体积，单位为m3或L；
V/n为一常数，其大小与温度和压强有关。
且（1-3b）
式中：
Vm—气体摩尔体积，单位为m3·mol-1或L·mol-1。
二、理想气体状态方程式
随着科学的发展，高压技术的出现及测量仪器日益精密、实验技术的不断改进，人们发现上述的气体定律并不能在任何温度与压强下都能严格地描述气体的行为。
只有温度较高、压强较低时，气体的行为才近似符合上述定律。
为了更确切地概括气体的共性，方便地研究气体性质，人们提出了理想气体的概念。
理想气体是指在任何温度压强下都能严格遵守气体基本定律的气体。
理想气体必须具有两个特征：
一个是分子本身不占有体积；另一个是分子之间没有作用力。
事实上任何真实气体分子本身都占有体积，分子间都存在作用力。
所以，理想气体是一种假想的气体模型，只有在p→0时，实际气体可视为理想气体。
但是在高温低压时，实际气体分子之间距离很大，作用力很小，分子本身所占体积与气体占据的体积相比可忽略不计，此时的实际气体就具备了理想气体的特征，故可视为理想气体。
为了得到理想气体p、V、T之间更普遍的关系式，我们把几个定律的数学表达式联合起来，可得到下式：
（1-4a）
上式称为理想气体状态方程式。
上式的变形公式：
pM=ρRT（1-4b）
ρ为体积质量，单位为g.m-3。
对1mol理想气体，状态方程式可写为：
（1-4c）
式中：
R—气体常数，它的数值与气体种类无关，仅与p、V所取的单位有关，当采用法定单位制时，R=8.314。
关于R的数值，我们可以从气体摩尔体积得到。
对于1mol任何气体在101325Pa，273.15K时，其气体体积都约为22.414升，即22.414×10-3m3，把这些数据代入式（1-4a）：
当p、V采用其他单位制时，R的数值将发生相应改变，在参考其他书刊时，应予注意。
理想气体状态方程严格地讲只适用于理想气体，即便低压下的气体，对理想气体状态方程式也会产生偏差。
但是，由于该方程式不含表征不同气体特性的变量，形式简单，用以计算高温低压的实际气体时，可得到较为满意的结果，所以在工程计算中长期被广泛采用。
甚至，常温常压下的许多气体也可以用理想气体状态方程式进行近似计算。
三、理想气体状态方程式的应用
理想气体状态方程除对p、V、T、n进行计算之外，还可求气体的质量、分子量及密度等。
1.气体质量、分子量的求解
因为，由式（1-4a）得：
式中：
m——气体的质量，单位为kg或g；
M——摩尔质量，单位为
。
2.密度的求解
因为，由式（1-4a）得：
式中：
ρ——气体密度，单位为
。
例1-11摩尔CO2气体在313K时的体积为0.381升，求该状态时气体的压强。
解：
例1-2将0.495g氯仿收集在体积为127ml的烧瓶中，在371K时瓶内的蒸气压强为1×105Pa,试计算氯仿的分子量。
解：
例1-3求氨在373K和压强为1.1×105Pa时的密度。
解：
在生活、生产以及科学实验中所遇到的气体常常是混合气体，如空气、天然气等。
在混合气体中人们常要了解某一种组分气体在恒温恒容下的压强，或恒温恒压下的体积，为此前人总结出分压定律和分体积定律。
为了研究的方便，我们所讨论的混合气体是指几种理想气体的混合物，而且各组分气体之间不发生化学反应。
四、分压定律
在温度为T和体积为V的容器中，盛有nAmol的A气体和nBmol的B气体，此时混合气体产生的压强称为混合气体的总压强，简称总压，用p表示。
若把混合气体中nAmol的A气体或nBmol的B气体单独放置于温度为T和体积为V的容器中，测得他们的压强PA和PB，分别称为A气体和B气体的分压强，即某组分气体单独存在并具有与混合气体相同体积、相同温度时所产生的压强称为分压强，简称分压，用pi表示。
借助于图1-1可以使我们更清楚地了解总压和分压的概念。
气体B
TVnB
pB
图1-1总压和分压示意图
英国化学家道尔顿在总结了大量实验结果后，于1801年提出了分压定律：
混合气体的总压等于各组分的分压之和。
对于由A气体和B气体组成的混合气体，分压定律可以表示成：
p=pA+pB
对于由若干种组分组成的混合气体，分压定律的表达式为
（1-5）
分压定律表明：
混合气体中的各组分互不干扰，每一组分对总压的贡献，就如同它单独存在、均匀地分布于整个容器时完全一样，严格说来，分压定律只适用于理想气体，是理想气体行为的必然结果。
实际气体只有在可视为理想气体的条件下才服从分压定律。
用压力表可以直接测量混合气体的总压，然而要直接测量各组分的分压是很困难的，但如果我们知道混合气体中各组分的物质的量，则很容易计算出各组分气体的分压。
用理想气体状态方程式处理混合气体中的各个气体，可分别得到：
对于混合气体则有：
将
（1）、
（2）、（3）式分别除以（4）式得：
对于任一组分i则有：
（1-6）
式（1-6）表明：
混合气体中某组分气体的分压等于总压乘以该组分气体的物质的量分数，它是分压定律的另一种表达形式。
从式（1-6）知，计算分压的关键在于如何求得各组分气体的物质的量分数。
直接求得各组分气体的物质的量分数比较困
升级会员 