Модуль 2 Свойства нефти и нефтепродуктов.

Лекция № 3

Плотность. Молекулярная масса

План лекции:

1. Плотность

2. Молекулярная масса

 

Нефть представляет собой сложную смесь, содержащую огромное число компонентов. Поэтому исследование состава нефти и свойств ее компонентов – трудная задача. С этой целью используют методы, дающие возможность охарактеризовать товарные свойства нефтепродуктов в различных условиях эксплуатации, связать их с составом анализируемых продуктов, дать рекомендации для рационального их применения:

физические – определение плотности, вязкости, температуры плавления, замерзания и кипения, теплоты сгорания, молекулярной массы, а также некоторых условных показателей (пенетрация, дуктильность);

физико-химические – хроматография, спектроскопия, рефрактометрия и др.

химические – использующие классические приемы аналитической химии;

специальные – определение октанового и цетанового чисел моторных топлив, химической и коррозионной активности топлив и масел, температуры вспышки и воспламенения и др.

1. Плотность.

2. Плотность нефти и нефтепродуктов может быть абсолютной и относительной.

Абсолютной плотностью вещества (нефти, нефтепродукта) называется количество массы, содержащейся в единице объема:

ρ = m/V,

где: ρ – плотность продукта, кг/м³;

m – его масса, кг;

V – его объем, м³

В системе СИ плотность выражается в кг/м³, а в системе СГС – г/см³.

В исследовательской практике определяется относительная плотность.

Относительной плотностью называется отношение плотности нефти или нефтепродукта при 20⁰С к плотности дистиллированной воды (эталонного вещества) при 4⁰С, т.е. отношение массы нефти или нефтепродукта при 20⁰С к массе такого же объема дистиллированной воды при 4⁰С. Относительную плотность обозначают ρ_4. Умножив значение относительной плотности на 1000, можно получить плотность в кг/м³.

Плотность нефти и нефтепродукта зависит от температуры. С повышением температуры их плотность снижается, а объем возрастает. Определение плотности можно проводить при любой температуре. Зависимость плотности от температуры выражается формулой (предложена Д.И. Менделеевым)

где: - относительная плотность при температуре анализа;

- относительная плотность при 20⁰С;

- средняя температурная поправка плотности на 1⁰С;

t - температура, при которой проводится анализ, ⁰С.

Эта зависимость строго справедлива в интервале температур от 0 до 50⁰С и для нефтей (нефтепродуктов), не содержащих большого количества твердого парафина и аренов.

Температурную поправку рассчитывают по формуле:

= 0,001828 – 0,00132 ρ₄

Плотность ρ_t нефтепродуктов в пределах температур t = 20-250⁰С можно определить по формуле:

ρ_t = 1000 ρ₄ –

В США и Англии относительную плотность определяют при 15,56⁰С (60F).

Плотность большинства исследованных нефтей находится в пределах 830-960 кг/м³, однако существуют нефти с плотностью близкой к 1000 кг/м³.Плотность нефти зависит от многих факторов: химической природы входящих в нее веществ, фракционного состава, количества смолистых веществ. Чем меньше содержится в нефти смолисто-асфальтеновых веществ, тем меньше ее плотность.

Плотность является важным нормируемым показателем топлив и масел (ГОСТ): плотность реактивного топлива – 755-840 кг/м³, плотность котельного топлива – 955-1015 кг/м³.

Плотность нефти также зависит от глубины ее залегания (уменьшается с глубиной залегания).

Зная плотность можно определить и другие показатели, УВ-ный или структурно-групповой состав нефтяных фракций.

Расчетные методы определения плотности нефтей и нефтепродуктов менее точны, чем экспериментальные. Их необходимо применять только для ориентировочной оценки показателей свойств нефти (нефтепродукта). Исследование новых нефтей неизвестного химического состава должно основываться на экспериментальных методах.

Экспериментально плотность нефти (нефтепродукта) определяют одним из трех стандартных методов: ареометром (нефтеденсиметром), гидростатическими весами Вестфаля – Мора и пикнометром. Из них наиболее быстрым является ареометрический метод, а наиболее точным – пикнометрический.

Молекулярная масса

Молекулярная масса – одна из важных характеристик нефти и нефтепродукта. Для них определяют среднюю молекулярную массу соединений, входящих в их состав. Значение молекулярной массы используют в технологических и тепловых расчетах аппаратуры НПЗ, при определении структурно-группового состава нефтяных фракций. Молекулярная масса нефтей изменяется в широких пределах, но в основном от 220 до 300. У смолистых веществ нефти молекулярная масса может достигать величины 1500-2000.

По мере увеличения пределов кипения нефтяных фракций их молекулярная масса плавно увеличивается от 90 (для бензиновых фракций) до 500 (для масляных дистиллятов).

Для расчетной оценки молекулярных масс нефтепродуктов предложены различные зависимости, из них наиболее распространенной эмпирической формулой является формула Воинова:

М _ср = а + вt_ср + сt²_ср,

где: а, в, с – постоянные, различные для каждого класса УВ-дов;

t_ср - средняя температура кипения нефтепродуктов, ⁰С, определяемая по данным стандартной разгонки.

Формула Воинова имеет вид:

Для алканов: М _ср = 60 + 0,3t_ср + 0,001t²_ср,

Для циклоалканов:

М _ср =(7К – 21,5) + (0,76 – 0,04К)t_ср + (0,0003К – 0,00245)t²_ср,

где: К – характеристический фактор, который колеблется в пределах 10,0-12,5 и вычисляется по формуле:

К = 1,216 √ t_ср + 273/ρ_15,56

Молекулярная масса связана с температурой кипения и показателем преломления:

lg М = 1,939436 + 0,0019764 t_кип + lg(2,1500 – n_D),

где: t_кип – средняя температура кипения фракции.

Расчет по этому уравнению дает довольно точные результаты.

Для более точного определения молекулярной массы применяют экспериментальные методы, например, метод криоскопии. Он основан на снижении температуры застывания растворителя (бензола, нафталина) при добавлении к нему испытуемого нефтепродукта.

Молекулярные массы отдельных нефтяных фракций обладают свойством аддитивности. Это означает, что средняя масса смеси нефтепродуктов равна сумме масс, входящих в нее отдельных компонентов. Поэтому для смесей нефтепродуктов можно рассчитать среднюю молекулярную массу, зная молекулярные массы отдельных компонентов:

где: m – масса фракций;

М – молекулярная масса фракций

Контрольные вопросы:

1. Что называют относительной плотностью нефти? Как ее обозначают?

2. Как выражается зависимость плотности нефти (нефтепродукта) от температуры?

3. Какими экспериментальными методами определяют плотность нефти?

4. Как рассчитывается молекулярная масса нефтепродуктов?

 

Литература:

 

1. Химия нефти и газа. Под ред. Проскурякова В.А., Драбкина А.Е. -Л., Химия, 1989.

 

Лекция № 4