Моисеев А.В._Расч. методы определения физ.-хим. св-в УВС, Н и НП. Расчетные методы определения физико химических свойств углеводородных систем, нефтей и нефтепродуктов
 Скачать 7.99 Mb.
|
|
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» А. В. Моисеев РАСЧЕТНЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИКО- ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ УГЛЕВОДОРОДНЫХ СИСТЕМ, НЕФТЕЙ И НЕФТЕПРОДУКТОВ: ПРИМЕРЫ И ЗАДАЧИ 2 УДК 665.63/.65(076.1) Моисеев, А. В. Расчетные методы определения физико-химических свойств углеводо- родных систем, нефтей и нефтепродуктов: Примеры и задачи : учеб. пособие / А. В. Моисеев. – Комсомольск-на-Амуре : ГОУВПО «КнАГТУ», 2010. – 179 с. В пособии приведены основные расчетные методы определения важ- нейших физико-химических параметров и характеристик углеводородных систем (чистых углеводородов, их смесей, нефтей, нефтяных фракций, топ- лив), примеры расчетов и задачи для самостоятельного решения по дисцип- линам «Химия нефти и газа» и «Расчеты химических процессов и реакто- ров». Пособие предназначено для студентов специальности 240403 «Хими- ческая технология природных энергоносителей и углеродных материалов» всех форм обучения. 3 ОГЛАВЛЕНИЕ Введение …………………………………………………………………… 1 Плотность ………………………………………………………………... 2 Молекулярная масса …………………………………………………….. 3 Мольный объем ………………………………………………………….. 4 Поверхностное натяжение ……………………………………………… 5 Вязкость ………………………………………………………………….. 5.1 Вязкость жидкостей …………………………………………………. 5.2 Вязкость газов и паров ……………………………………………… 6 Характеризующий фактор ……………………………………………… 7 Средняя температура кипения ………………………………………….. 8 Фракционный состав ……………………………………………………. 9 Теплоемкость ……………………………………………………………. 10 Теплота испарения ……………………………………………………... 11 Энтальпия ………………………………………………………………. 12 Теплопроводность ……………………………………………………... 13 Давление насыщенных паров …………………………………………. 14 Коэффициент активности и фугитивность …………………………… 15 Критические параметры ……………………………………………….. 15.1 Критическая температура ………………………………………… 15.2 Критическое давление …………………………………………….. 15.3 Критический объем ……………………………………………….. 15.4 Псевдокритические параметры …………………………………... 15.5 Приведенные параметры ………………………………………….. 16 Коэффициент сжимаемости …………………………………………… 17 Константы фазового равновесия ……………………………………… Библиографический список ………………………………………………. ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Соотношения единиц международной системы с единицами других систем …………………………... ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Варианты индивидуальных домашних заданий …... 4 5 21 37 40 46 46 49 64 64 78 88 105 112 125 132 145 148 148 150 153 153 154 159 160 168 169 171 4 Введение Моделирование и расчет любого технологического процесса в нефтега- зопереработке сопряжен с операциями над большим массивом физико- химических параметров. Зачастую набор данных, характеризующих материальные потоки, крайне ограничен, что накладывает определенные ограничения на точность расчета и адекватность результатов объективной действительности. Многие физико-химические характеристики углеводородных систем тесно связаны между собой, что позволяет использовать для их определения расчетные математические или графические методы. Данное пособие призвано показать многообразие расчетных методов определения физико-химических параметров углеводородных систем (в ча- стности нефтей и нефтепродуктов). В пособии приведены примеры и инди- видуальные задания для отработки навыков расчетных процедур. 5 1. Плотность Плотность – масса единицы объема V m = r . (1.1) При расчете физико-химических свойств нефтепродуктов принято пользоваться относительной плотностью, представляющей собой отношение плотностей жидкого нефтепродукта и дистиллированной воды при опреде- ленных температурах 1 2 2 1 t вода t кта нефтепроду t t d r r = , (1.2) где 2 t - температура нефтепродукта, о С; 1 t - температура воды, о С. В России стандартными температурами при определении плотности являются для воды 4 о С и для нефтепродуктов 20 о С ( ) 20 4 d В некоторых зарубежных странах за стандартную температуру принята одинаковая температура нефтепродукта и воды, равная 60 о F, что соответст- вует 15,6 о С ( ) 15 15 d . Взаимный пересчет значений 20 4 d и 15 15 d производится с помощью урав- нений: 20 4 20 4 15 15 0035 , 0 d d d + = , (1.3) 20 4 15 15 994 , 0 0093 , 0 d d + = , (1.4) a 5 20 4 15 15 + = d d , (1.5) где a - средняя температурная поправка на 1 о С, которая вычисляется по формуле 20 4 00132 , 0 001828 , 0 d - = a (1.6) или определяется по таблице Средние температурные поправки a для нефтепродуктов Таблица 1.1 20 4 d a 20 4 d a 20 4 d a 0,6700-0,6799 0,000937 0,7800-0,7899 0,000792 0,8900-0,8999 0,000647 0,6800-0,6899 0,000924 0,7900-0,7999 0,000778 0,9000-0,9099 0,000633 0,6900-0,6999 0,000910 0,8000-0,8099 0,000765 0,9100-0,9199 0,000620 0,7000-0,7099 0,000897 0,8100-0,8199 0,000752 0,9200-0,9299 0,000607 0,7100-0,7199 0,000884 0,8200-0,8299 0,000738 0,9300-0,9399 0,000594 0,7200-0,7299 0,000870 0,8300-0,8399 0,000725 0,9400-0,9499 0,000581 0,7300-0,7399 0,000857 0,8400-0,8499 0,000712 0,9500-0,9599 0,000567 0,7400-0,7499 0,000844 0,8500-0,8599 0,000699 0,9600-0,9699 0,000554 0,7500-0,7599 0,000831 0,8600-0,8699 0,000686 0,9700-0,9799 0,000541 0,7600-0,7699 0,000818 0,8700-0,8799 0,000673 0,9800-0,9899 0,000522 0,7700-0,7799 0,000805 0,8800-0,8899 0,000660 0,9900-1,0000 0,000515 6 Температурная зависимость плотности нефтей и нефтепродуктов опи- сывается уравнениями - Д. И. Менделеева (в интервале температур от 0 до 150 о С) ( ) 20 20 4 4 - - = t d d t a ; (1.7) - А. К. Мановяна (до 300 о С) ( ) ( ) ( ) 20 1000 68 , 0 1200 20 58 , 0 1000 20 4 20 4 20 4 - - - - - - = t d t t d d d t ; (1.8) -энтропийно-информационной модели ( ) 20 4 , 20 4 d f ж d d t t = , (1.9) ( ) ( ) *, 10 5 , 4 7498 , 0 81529 , 0 12344 , 0 0103 , 0 0022 , 0 , 5 2 20 4 20 4 20 4 t t t t - × + + + - - - - = d d d f (1.10 ) 15 , 293 T = t , (1.11) 100 * 0 кип T = t . (1.12) Для определения относительной плотности жидких нефтепродуктов при высоких температурах можно воспользоваться графиками, представлен- ными на рисунках 1.1 и 1.2. Рисунок 1.1 – График для определения относительной плотности жид- ких нефтепродуктов t d 4 при известной их плотности 20 4 d 7 Рисунок 1.2 – График для определения относительной плотности жид- ких нефтепродуктов t d 15 при высоких температурах при известной их плотно- сти 15 15 d Абсолютная плотность жидкого нефтепродукта при температуре Т (К) определяется по уравнению ( ) 293 1 293 - + = T T b r r , (1.13) где b - коэффициент объемного расширения, определяемый по графику на рисунке 1.3. Рисунок 1.3 – Зависимость коэффициента объемного расширения неф- тепродуктов от относительной плотности (по Крэгу) 8 или по уравнению (для нефтепродуктов первичной перегонки 15 15 d = 0,51 – 1,0; не содержащих ароматических углеводородов, смолисто- асфальтеновых веществ и твердого парафина) ( ) 15 2 - + = t B A b , (1.14) ( ) 15 15 5 7 , 0 09 , 1 10 lg d A + = × , (1.15) ( ) 69 , 0 10 , 2 10 lg 15 15 8 - = × d B . (1.16) Также для расчета коэффициента объемного расширения нефтепродук- тов применима формула ( ) 641 , 0 04314 , 0 t t кр - = b , (1.17) где кр t - критическая температура, о С. Для вычисления относительной плотности узких нефтяных фракций можно рекомендовать эмпирические формулы: - зависимость относительной плотности фракции от её средней темпе- ратуры кипения (формула ГрозНИИ) n ср t d d ÷÷ ø ö çç è æ = 100 0 20 4 , (1.18) где ( ) нефти d d 20 4 0 09 , 0 65 , 0 + = ; зн t n 0011 , 0 13 , 0 - = ; зн t - температура застывания нефти, о С; при этом можно принимать для малосернистых нефтей 736 , 0 0 = d и 13 , 0 = n , а для сернистых - 722 , 0 0 = d и 16 , 0 = n ; - зависимость относительной плотности фракции от её коэффициента рефракции (формула БашНИИНП) 468 , 3 841 , 2 20 20 4 - = D n d , (1.19) где 20 D n - коэффициент рефракции узкой фракции; - формулу Ставцева и Выричек 3 2 1 20 4 a об ср T a a M d + = , (1.20) где .об ср T - средняя объемная температура кипения, К; 0694297 , 0 1 = a ; 5078154 , 0 2 = a ; 394693 , 2 3 = a ; 9 - двухпараметрическую зависимость относительной плотности от мо- лекулярной массы и коэффициента рефракции 100 ln 2 20 1 0 20 4 M a n a a d D + + = , (1.21) где 128806 , 3 0 - = a ; 251704 , 3 1 = a ; 2 2 10 414347 , 3 - × = a ; - трехпараметрическую зависимость относительной плотности от мо- лекулярной массы, коэффициента рефракции и средней объемной температу- ры кипения 100 ln 100 ln 3 2 20 1 0 20 4 об ср D T a M a n a a d + + + = , (1.22) где 84009 , 2 0 - = a ; 773804 , 2 1 = a ; 2 2 10 380611 , 5 - × - = a ; 2114023 , 0 3 = a Средняя относительная плотность смеси жидких компонентов опреде- ляется по правилу аддитивности n n n n n см d d d V V V d V d V d V d j j j + + + = + + + + + + = 2 2 1 1 2 1 2 2 1 1 , (1.23) n n n n n см d d d d G d G d G G G G d w w w + + + = + + + + + + = 1 2 2 1 1 2 2 1 1 2 1 , (1.24) где n d d d ,..., , 2 1 - относительные плотности компонентов смеси; n V V V ,..., , 2 1 - объёмы компонентов, м 3 ; n j j j ,..., , 2 1 - объёмные доли компонентов; n G G G ,..., , 2 1 - массы компонентов, кг; n w w w ,..., , 2 1 - массовые доли компонентов. Абсолютная плотность газов и паров (кг/м 3 ) вычисляется по формуле 0 0 4 , 22 TP P T M × = r , (1.25) где M - молярная масса газа или пара, кг/кмоль; 273 0 = T - нормальная температура, К; T - температура, при которой определяется плотность, К; 101325 0 = P - нормальное давление, Па; P - давление, при котором определяется плотность, Па. 10 Относительная плотность газа равна отношению массы m газа, зани- мающего объём V при некоторых температуре и давлении, к массе 1 m возду- ха, занимающего тот же объем V при тех же температуре и давлении 1 m m d = . (1.26) Плотность газовой смеси, состоящей из n компонентов определяется по уравнению å = = n i i i см y 1 r r , (1.27) где i y - объемная доля компонента в газовой смеси (при нормальных усло- виях объемная доля может быть заменена на мольную); i r - плотность чистого компонента газовой смеси, кг/м 3 Определение плотности жидких нефтяных фракций, находящихся под давлением до 1,5 МПа можно проводить по номограммам на рисунках 1.4 и 1.5. Пример 1.1. Определить относительную плотность нефтепродукта 15 15 d по известной плотности 7610 , 0 20 4 = d Решение. Для решения задачи воспользуемся несколькими уравнениями и сравним результаты. По уравнению (1.3): 7656 , 0 7610 , 0 0035 , 0 7610 , 0 0035 , 0 20 4 20 4 15 15 = + = + = d d d По уравнению (1.4): 7657 , 0 7610 , 0 994 , 0 0093 , 0 994 , 0 0093 , 0 20 4 15 15 = × + = + = d d Для расчета относительной плотности 15 15 d по уравнению (1.5) необхо- димо вычислить значение коэффициента α по уравнению (1.6) или опреде- лить по таблице 1.1: 000823 , 0 7610 , 0 00132 , 0 001828 , 0 00132 , 0 001828 , 0 20 4 = × - = - = d a или 000818 , 0 = a 7651 , 0 000823 , 0 5 7610 , 0 5 20 4 15 15 = × + = + = a d d , 7651 , 0 000818 , 0 5 7610 , 0 5 20 4 15 15 = × + = + = a d d 11 Рисунок 1.4 – Зависимость плотности жидких углеводородов и нефтя- ных фракций от температуры и характеризующего фактора при постоянном давлении (для низких плотностей) 12 Рисунок 1.5 – Зависимость плотности жидких углеводородов и нефтя- ных фракций от температуры и характеризующего фактора при постоянном давлении (для высоких плотностей) Пример 1.2. Определить абсолютную плотность нефтепродукта, имеющего относительную плотность 7330 , 0 20 4 = d , при 72 о С. Решение. По уравнению Мановяна (1.8): 13 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 42 , 691 20 72 1000 68 , 0 7330 , 0 1200 72 20 72 7330 , 0 58 , 0 7330 , 0 1000 20 1000 68 , 0 1200 20 58 , 0 1000 20 4 20 4 20 4 72 = = - - - - - - × = = - - - - - - = t d t t d d d По графику, изображенному на рисунке 725 , 0 72 4 = d , тогда 725 725 , 0 1000 72 = × = d кг/м 3 Пример 1.3. Определить абсолютную плотность углекислого газа при температуре 45 о С и давлении 120000 Па. Решение. По уравнению (1.25): ( ) 997 , 1 101325 273 45 120000 273 4 , 22 44 4 , 22 0 0 = × + × × = × = TP P T M r кг/м 3 Пример 1.4. Определить плотность смеси, состоящей из 42 % (масс.) нефтепродукта А плотностью 7500 , 0 20 4 = d и нефтепродукта Б плотностью 8100 , 0 20 4 = d Решение. По уравнению (1.24): 784 , 0 8100 , 0 42 , 0 1 7500 , 0 42 , 0 1 1 = - + = + = Б Б А А см d d d w w Задачи для самостоятельного решения 1. Определить относительную плотность нефтепродукта 20 4 d по его от- носительной плотности 15 15 d = 0,7321 . 2. Определить относительную плотность нефтепродукта 15 15 d по его от- носительной плотности 20 4 d = 0,689 . 3. Определить относительную плотность нефтепродукта 20 4 d по его от- носительной плотности 15 15 d = 0,8232 . 4. Определить относительную плотность нефтепродукта 15 15 d по его от- носительной плотности 20 4 d = 0,761 . 5. Определить относительную плотность нефтепродукта 20 4 d по его от- носительной плотности 15 15 d = 0,8950 . 14 6. Определить относительную плотность нефтепродукта 15 15 d по его от- носительной плотности 20 4 d = 0,812 . 7. Определить относительную плотность нефтепродукта 20 4 d по его от- носительной плотности 15 15 d = 0,7124 . |