2.6. Константа фазового равновесия

Константы фазового равновесия (КФР) используются в инженерных расчетах для решения следующих основных задач:

1. Определение состава равновесных фаз и доли отгона по заданным давлению, температуре и составу исходной смеси.

2. Определение состава одной из равновесных фаз по заданным давлению, температуре и составу второй равновесной фазы.

3. Определение температуры начала кипения по заданным давлению и составу жидкой фазы.

4. Определение температуры конца кипения или начала конденсации по заданным давлению и составу паровой или газовой фазы.

Достоверность этих расчетов зависит от точности определения констант фазового равновесия К_i компонентов смеси, которые представляют собой отношение мольных долей компонентов в газовой фазе у_i к мольным долям тех же компонентов в жидкой фазе х_i (К_i = у_i / х_i.)_.

Идеальные газы подчиняются закону Рауля и Дальтона и константу фазового равновесия К_i можно рассчитать следующим образом:

К_i = (2.42)

где Р_i - давление насыщенных паров i-ого компонента;

П - общее давление в системе.

Для реальных газов, значительно отклоняющихся от идеальных, давление насыщенных паров компонента и общее давление системы заменяется значениями фугитивности:

К_i = f(P_i)/f(П) (2.43)

При низком давлении в системе (до 0.4 МПа) и положительных температурах для узких фракций газового конденсата, нефти и нефтепродуктов, кипящих выше 200 ⁰С, константы фазового равновесия целесообразно находить, используя давление насыщенных паров, определенное по формуле Ашворта:

lg(Р-3158) = 7,6715 - (2.44)

где Р - давление насыщенных паров, Па;

Т - температура, К;

Т₀ - средняя температура кипения фракции при атмосферном давлении, К;

f(T) - функция температуры Т, выражается уравнением

f(T) = , (2.45)

Функция f(T₀) определяется аналогично по формуле (2.45).

Рис. 2.8. Номограмма Винна для определения констант фазового равновесия в зависимости от температуры и давления в системе и нормальной температуры кипения соединения (вещества, компонента):

а – номограмма Винна для определения констант фазового равновесия при пониженных температурах; б – график для определения корректирующего множителя к значению константы фазового равновесия, найденному по рис. 2.8, а; 1 – метан в природном газе; 2 – этилен; 3 – метан в этане; 4 – матан в пропане

Рис. 2.9. Номограмма Винна для определения констант фазового равновесия при повышенных температурах в зависимости от давления и нормальной температуры кипения соединения:

1 – водород в лигроине; 2 – азот; 3 – водород в бензоле; 4 – водород в толуоле; 5 – окись углерода в декане; 6 – метан в бензоле; 7 – метан в углеводородах С₇–С₁₂

и бензине; 8 – метан в риформате; 9 – метан в толуоле; 10 – метан в легких углеводородах (отложена плотность в кг/м³ при 293 К); 11 – метан в циклогексане; 12 – углекислый газ в природном газе и конденсате; 13 – водяной пар в бензине и керосине;

14 – метан в нефти; 15 – сероводород в бензине; 16 – сероводород в природном газе; 17 – пропан в бензоле; 18 – сероводород в газойле; 19 – толуол в метане

Для узких фракций газового конденсата и светлых нефтепродуктов при давлении системы выше атмосферного константы фазового равновесия рекомендуется определять с использованием формулы Максвелла:

lg P = 0,7944  у₀, (2.46)

где у₀ = 10,4 ;

f(t) = 37 ;

t- температура системы, ⁰С;

t₀ - средняя температура кипения узкой фракции, ⁰С;

Р - давление насыщенных паров фракции, ат (10⁵Па).

При других условиях, характерных для процессов нефтегазопереработки, предпочтителен метод Винна-Хеддена, который распространяется на углеводороды, нефтяные и газоконденсатные фракции и технические газы в интервале температур от - 162 до +427 ⁰С и давлении до 70 МПа. Этот метод широко распространен и достаточно подробно описан в [8,13]. Номограммы Винна при пониженных и повышенных температурах системы приведены соответственно на рис. 2.8 и 2.9.

Г Л А В А 3