原油和天然气的分离.docx

1、 原油和天然气的分离原油和天然气的分离 第三章 原油和天然气的分离 地层中的石油到达井口并继而沿出油管、集油管流动时；根据其组成、压力和温度条件，形成了油气共存混合物。为了满足油井产品计量、矿场加工、储存和长距离输送的需要，必须将它们按液体和气体分开，成为通常所说的原油和天然气，这就是油气分离。组成一定的油气混合物在某一压力和温度下，只要油气充分接触，接触时间很长，就会形成一定比例和组成的液相和汽相，这种现象称为平衡分离。平衡分离是一个自发过程。把平衡分离所得的原油和天然气分开并用不同的管线分别输送，称为机械分离。原油和天然气的分离作业就包括上述两方面的内容。第一节 原油和天然气的相平衡 石油

2、是一种极其复杂的烃类和非烃类的混合物。人们已从石油中提炼出 200 多种纯化合物。限于技术上的困难，石油中到底有多少种化合物目前还说不清楚。石油中所含的烃类主要有：(1)正构烷烃()；(2)异构烷烃()；(3)环烷烃()；(4)芳香烃()。石油中的非烃类主要有氧、氮、硫的化合物以及胶质沥青质。石油分离所得的天然气中常含有二氧化碳、硫化氢、氮、氦、水蒸气等杂质，原油中常含有水、砂和各种盐类。不同油田的石油在组成上有很大差异，同一油田、不同油层和油藏所产石油的组成亦有差别，即使同一口油井，在不同的开采阶段，石油组成亦有变化。但在一段不太长的时期内，同一口油井产物的组成可看作是不变的，因而从油井井口

3、不断流出的石油可作为有固定组成的多元体系加以研究。一元或任何固定组成的多元体系，在一定温度和压力的条件下，将以一定状态存在。体系或为液相，或为气相，或为汽液两相处于平衡状态而存在。要了解油气混合物体系在不同条件下处于什么状态，性质如何，应从相特性着手进行研究。一、烃系的相特性(一)一元(纯化合物)体系的相特性 纯化合物的蒸气压力曲线可以相当充分地说明一元体系的相特性。图 3-1为纯烃的蒸气压力曲线，在曲线左上方的条件下体系内为单一液相，右下方为单一的气相，只有压力和温度条件处于曲线上任一点时，体系内才存在汽液两相。汽液两相共存并达到平衡状态时，宏观上两相之间没有物质的传递，体系内液相的挥发量与

4、蒸气的凝结量相同，蒸气压力不再变化。这时的气体称为饱和蒸气，液体称为饱和液体，相应压力称为饱和蒸气压。因而饱和蒸气压既表示液体的挥发能力，又表示蒸气的凝结能力。在同一温度下，挥发性强的纯烃的蒸气压力大于挥发性弱的纯烃的蒸气压。对于特定的纯烃，在某一温度下有相应的饱和蒸气压值。温度愈高，分子的平均动能愈大，液相中就有更多的高动能分子克服液体分子间的吸引，逸出液面进入汽相，即纯烃的饱和蒸气压或其挥发性啤温度的提高而增大，如图 3-1所示。在恒温下沿图 3-1 的 J-K-L线提高体系的压力。开始体系内的纯烃处于过热蒸气区J，压力增至 K点时蒸汽开始凝析，体系内有微量的液体出现。此后，体系压力不变，

5、液体量逐渐增多，直至体系内气体全部凝析。进一步提高压力，如至图中 L点，体系只有过冷液体。由图 3-2 所示的一元体系压力比容相图上观察纯烃的液化过程。若体系内的纯烃开始处于气态，在恒温 t1下压缩其体积，则压力上升，气体比容逐渐减小。当压力增至相应于图中 A点的压力 Pl 时，体系内开始有液体凝析出来，继续压缩其体积，饱和气体中不断有液体析出，体系压力不变，比容减小，在 PV图的恒温线上出现了恒压水平线段，直至纯烃恰好全部成为液体，如图中 B点所示。进一步压缩纯烃的体积，由于液体的压缩性很小，压力急剧增加。水平线起点 A对应的比容表示气体达到饱和状态开始有液体时的比容，称为饱和蒸气比容；终点

6、 B所对应的比容表示气体恰好全部液化成为液体时的比容，称为饱和液体的比容。水平线的长度表示饱和蒸气比容与饱和液体比容之差，或纯烃汽液两相共存的比容范围。若在较高温度 t2下重复上述压缩过程，由于温度增高，纯烃的饱和蒸气压增大，使饱和蒸气的比容减小；而饱和液体则由于温度升高、分子热运动加剧，分子间距增大，体积膨胀而使其比容略有增大。这样，饱和蒸气与饱和液体的比容随着温度升高而互相接近，水平线变短。温度提高至 tC 作上述压缩试验时，两相共存区的水平线段消失，在 P-V图上出现拐点 C，在该点饱和蒸气和饱和液体的比容相等。高于 tC 温度下压缩纯烃气体时，仅仅是气体压力升高、比容减小这种为大家所熟

7、知的现象了。温度愈高，纯烃气体愈接近理想气体，在 P-V图上的等温线愈趋近于双曲线。由上可知，纯烃气体只有在低于 tC 温度下才能进行液化，这个能使气体液化的最高温度称临界温度。拐点 C 称临界点，与该点相对应的压力和比容称临界压力和临界比容。根据实验研究，在临界状态时，不但气液比容相同，物质的其他强度性质(指与物质量无关的性质，如温度、密度、热焓等均属强度性质)亦相同，体系内的汽液两相变为均匀的一相。在临界点附近，物质的光学性质亦发生明显的变化，光束通过物质时有散射现象，物质呈乳白色并能观察到物质发出的荧光等，工业上据此确定纯轻烃的临界点。烷烃的临界参数以及其他物理化学性质对研究相态和油田油

8、气处理工艺过程十分重要，烷烃和某些非烃杂质气体的物理化学性质列于表 3-1和表 3-2。工业上常用图表(如著名的考克斯图)或一些经验公式来确定纯烃的蒸气压。若已知纯烃的临界性质，亦可用下式计算纯烃(或石油窄馏分)的蒸气压 式中 对比蒸气压，/；蒸气压，帕或兆帕，临界压力，帕或兆帕；对比温度，TTC。；T温度，开；TC临界温度，开；偏心因数，考虑分子具有极性或微极性、分子有偶极矩，因而分子间的引力不在分子中心所引入的系数。已知某烃所处的温度，可利用表 3-1查得该烃的临界压力、临界温度和偏心因数，利用上述公式可求得该烃在给定温度下的蒸气压。例 31 求温度为 98时正丁烷的蒸气压。解 由表 3-

9、1 查得正丁烷的临界温度为 425.2 开，临界压力为 3.8兆帕，偏心因数为0.201，则对比温度 温度 98时正丁烷的蒸气压为 1.476兆帕 (二)二元体系的相特性 由两种纯化合物，或称组分，构成的体系称为二元体系。我们感兴趣的是两种能完全互溶组分构成的二元体系。图 3-3为质量浓度不同的乙烷和正庚烷构成的二元体系的相特性图。以图中乙烷质量浓度 90.22的乙烷正庚烷体系的 pt 曲线为例说明二元体系的相特性温度为 40、压力小于 0.5兆帕时，体系内只有气相。若保持温度不变，压缩体积，当压力升至 0.5兆帕时；气体达到饱和状态并开始有液体凝析出来。此时，体系内除极微量的乎衡液体外，全都

10、是饱和蒸气，该点称为露点，相应的温度和压力称为露点温度和露点压力。继续压缩体积，在析出液量增加的同时，体系的压力亦不断升高。当压力达到 5.2 兆帕时，气体恰好全部变为饱和液体，即体系内除极微量的平 衡气泡外全都是饱和液体，该点称为泡点，相应的温度和压力称为泡点温度和泡点压力。进一步压缩其体积，体系内的液体成为过冷液体。在其他温度下，重复上述压缩过程，可得到一系列泡点和露点压力，连接各泡点得泡点线 Ba，同样可得露点线 Da。泡点线和露点线构成包线 BaCaDa，包线内为汽液两相能平衡共存的温度和压力范围。在该范围内，体系的温度压力条件愈接近泡点线，体系内的饱和液体量愈多。相反，体系状态愈接近

11、露点线，饱和气体量愈多。泡点线与露点线的交点 Ca是该特定比例乙烷正庚烷混合物的临界点。体系状态处于临界点时，汽液两相的强度性质相同，变成均匀的一相。由上可知，二元体系的相特性不同于一元体系。一元体系汽液两相平衡时，温度、压力两个参数中确定任一参数，另一参数就是定值，可由该纯烃的蒸气压曲线或由式(3-1)一(3-3)求得；而固定二元体系的任一参数时，另一参数可在一定范围内变化。在此范围内的任一点，汽液两相保持平衡，只不过汽液两相的比例和汽化率有所不同因而二元体系的蒸气压不仅和体系温度有关，还与汽化率有关。如乙烷质量浓度 90.22的乙烷正庚烷混合物，温度为 40时汽液两相平衡的蒸气压随汽化率而

12、变，范围为 0.55.2兆帕。习惯上把泡点压力称为该混合物 40时的真实蒸气压。此外，对于一元体系，温度超过临界温度时，气体不能被液化；压力高于临界压力时，体系内不可能有平衡的汽液两相。但对二元体系，当体系温度高于临界温度或压力高于临界压力时，只要体系的状态处于包线范围内，体系内就存在平衡的汽液两相，即体系温度高于临界温度时仍能使部分二元混合气体液化。由图 3-3还可看出：乙烷中掺入正庚烷构成二元体系后，在高于乙烷临界温度的条件下，乙烷正庚烷混合物中的乙烷能全部或部分液化。这就解释了在远高于甲烷临界温度的油藏温度下，甲烷能全部或部分液化的现象。改变体系中乙烷的质量浓度，体系的相特性 p-t 曲

13、线和临界点亦随之而变化，如图中 BbCbDb和 BcCcDc。所示。不同组成的乙烷正庚烷体系的临界点轨迹称为临界曲线，如图中虚线所示。由图看出，乙烷中混入正庚烷后，混合物的临界温度增高，临界压力在多数情况下亦高于组成该体系的各纯组分的临界压力。通常用一种挥发度与二元混合物相当的纯烃的临界点来表示该二元混合物的，临界点，称为假临界点。假临界点是混合物中各组分临界参数的分子平均值，可用下式计算 式中 体系中 i 组分的分子分数，、纯 i 组分的临界温度和临界压力;n体系内的组分数。上式求出的临界温度与临界压力同混合物的真实临界温度、防界压力有一定的差别，但大多数计算混合物热力学参数的相关式建立在假

14、临界参数的基础上，故假临界温度和假临界压力在工程计算中仍有广泛的用途。对某一固定组成的乙烷正庚烷二元体系 p-t 曲线临界点附近区域(见图 3-4)进行分析。C 为临界点，两相区包线的最高温度和最高压力分别是称为临界冷凝温度和临界冷凝压力，以和表示，虚线 0.2、0.4、0.6、0.8等表示平衡状态时液相在体系中所占的比例。在临界点 C 的左边，当压力沿恒温线 BD降低时，体系内将发生由泡点至露点的汽化过程。如起始条件在临界点右侧，如露点线上的 F点，则由于压力降低，体系内部分混合物液化并在 G点液量达到最大，在这以后随着压力降低，已液化的混合物又发生汽化，直至到达露点 H为止。在等温条件下，

15、由于压力降低，反常地发生液化的现象称为等温反常冷凝。如上述过程反向进行，由 H点等温升压，体系内的混合物气体开始出现正常的冷凝，到 G点体系内的液量达到最大，此后进一步升高压力，液相反而减少，直至 F点又全部变成饱和蒸气，这就是等温反常汽化。与此相似，当压力在临界压力和临界冷凝压力之间并保持不变，体系温度变化时，可出现等压反常冷凝和汽化现象。反常汽化和反常冷凝是二元体系相特性不同于一元体系的另一特点这种反常现象只是在临界点的右侧(等温反常冷凝和汽化)或上方(等压反常冷凝和汽化)才可能发生。(三)多元体系的相特性 两种以上纯化合物构成的体系称为多元体系。多元体系的相特性(如图 2-3所示)和二元

16、体系极为相似，它具有二元体系相特性的全部特点，只有过多组分混合物的临界压力要更高一些。人们对二元和多元体系反常汽化和反常凝析现象的研究还很不充分。克拉克(C1ark)认为，在二元、多元体系的气体中，不同组分的分子相互掺混，在反常区恒温下降低压力时，轻组分的分子间距率先增大，使重组分分子间的轻组分分子浓度减少，重组分分子相互吸引并夹带少量轻组分分子变成凝析液，这就产生了等温反常凝析现象。应该指出的是，反常汽化和凝析现象只是在高压、高温下发生。二、相平衡计算 在上述相特性研究的基础上，下面进一步讨论油井产物在油田集输系统的压力和温度下，分成汽液两相并达到平衡时的汽液相比例和汽液相组成。这些数据是选择油气分离器结构，决定其主要结构尺寸必不可少的原始数据。在油田集输系统的压力和温度下，由油井流至地面的石油总是分成汽液两相。集输系统的压力温度条件不同，汽液两相的数量和组成亦不相同。油田上最常遇到的问题是：已知石油的组成和流量，求给定温度和压力下，原油和天然气的组成和流量。在相平衡计算中通常用各组分的分子分数表示石油的组成。为简化计算，常把非烷烃烃类看作相应的烷烃，并把挥发性强，易进入汽相，碳原子