Свойств и состава нефтей и нефтепродуктов

Плотность

 

При расчете физико-химических свойств нефтепродуктов принято пользоваться относительной плотностью, представляющей собой соотношение плотностей жидкого нефтепродукта и дистиллированной воды при определенных температурах. Обозначают относительную плотность d , где t₁ - температура воды, ˚С; t₂ - температура нефтепродукта, ˚С. В СНГ стандартными температурами при определении плотности являются для воды 4 ˚С и для нефтепродуктов 20 ˚С (d ). В ряде зарубежных стран стандартной температурой для воды и нефтепродукта является 15,6˚С (d ).

Часто для технологических расчетов необходимо пересчитывать плотность нефтепродукта от одной температуры к другой. Высокую точность дает формула Д. И. Менделеева в интервале температур от 0 до 50 ˚С:

d = d - α (t - 20) (1)

где d - относительная плотность нефтепродукта при 20 ˚С;

d - относительная плотность нефтепродукта при заданной температуре t;

Рис 1 График для определения относительной плотности при известной их плотности d

 

 

 

Рис. 2. График для определения относительной плотности жидких нефтепродуктов d при высоких температурах известной их плотности d

 

Значения температурной поправки представлены в таблице 1. Для определения плотности жидких нефтепродуктов при высоких температурах можно пользоваться графиками, приведенными на рис. 1 и 2. На рис. 1 на оси абсцисс откладывают известное значение плотности, из этой точки (А) восстанавливают перпендикуляр до пересечения с линией, соответствующей температуре, при которой определена эта плотность (точка В).

Затем проводят линию, параллельную близлежащей наклонной кривой, до пересечения (в точке С) с линией температуры, при которой нужно определить плотность. Из точки С: опускают перпендикуляр до пересечения с осью абсцисс и таким образом (в точке D) находят искомую плотность.

При пользовании рис. 2 на оси абсцисс откладывают температуру, при которой требуется определить плотность. Затем восстанавливают перпендикуляр до пересечения с кривой заданной плотности d и на оси ординат, находят искомое значение плотности (d ).

Часто приходится пересчитывать d на d , а также d на d и наоборот. С этой целью пользуются уравнениями:

(2)

где а - средняя температурная поправка. (Из табл. 1)

 

Таблица 1

Средняя температурная поправка а для подсчета плотности

жидких нефтепродуктов к формуле 1

d	а	d	а
0,7000-0,7099	0,000897	0,8500-0,8599	0,000699
0,7100-0,7199	0,000884	0,8600-0,8699	0,000686
0,7200-0,7299	0,000870	0,8700-0,8799	0,000673
0,7300-0,7399	0,000857	0,8800-0,8899	0,000660
0,7400-0,7499	0,000844	0,8900-0,8999	0,000647
0,7500-0,7599	0,000831	0,9000-0,9099	0,000633
0,7600-0,7699	0,000818	0,9100-0,9199	0,000620
0,7700-0,7799	0,000805	0,9200-0,9299	0,000607
0,7800-0,7899	0,000792	0,9300-0,9399	0,000594
0,7900-0,7999	0,000778	0,9400-0,9499	0,000581
0,8000-0,8099	0,000765	0,9500-0,9599	0,000567
0,8100-0,8199	0,000752	0,9600-0,9699	0,000554
0,8200-0,8299	0,000738	0,9700-0,9799	0,000541
0,8300-0,8399	0,000725	0,9800-0,9899	0,000522
0,8400-0,8499	0,000712	0,9900-1,000	0,000515

 

d = d · 0,9982 (3)

Среднюю относительную плотность (d_см) смеси жидких фракций находят по правилу аддитивности:

d_см = (4)

или d_см= (5)

где d₁, d₂, …, d_n - относительные плотности компонентов смеси;

V₁, V₂,..., V_n - объемы компонентов, м³;

G₁, G_, …, G_n - массы компонентов, кг.

Относительная плотность газа равна отношению массы m газа, занимающего объем V при некоторых температуре и давлении к массе m₁ воздуха, занимающего тот же объем V при тех же температуре и давлении:

Если считать газ идеальным то при Т=273,16 ˚К, Р = 1 атм и V = 22,414 мл масса и равна молекулярному весу М газа. В тех же условиях масса 22,414 мл воздуха составляет 28,9 г, откуда относительная плотность газа или пара относительно воздуха:

(6)

Абсолютную плотность газов и паров (ρ, г/см³) при 0 ˚С и 760 мм рт. ст. можно найти, зная массу М и объем 1 моль газа (22,414):

(7)

При абсолютной температуре Т (˚К) и давлении П (атм) плотность газа (в кг/м³) может быть найдена по формуле:

(8)

Используя формулу (7), можно написать:

(9)

Молекулярные веса и плотности некоторых газов и жидкостей приведены в табл. 2.

Таблица 2

Свойства углеводородных газов и жидкостей

 

Наименование	Молекулярный вес	Плотность при 760 мм.рт.ст. и 0˚С, кг/м^3
Метан СН4		0,717
Этан С2Н6		1,56
Пропан С3Н8		2,17
Изобутан С4Н10		2,598
н-Бутан С4Н10		2,590
Изооктан С8Н16		0,703
Этилен С2Н4		1,250
Пропилен С3Н6		1,880
Н - бутилен и изобутилен С4Н4		2,500
Ацетилен С2Н2		1,177
Бензол С6Н6		0,879
Толуол С6Н5СН3		0,866

Задачи

1. Определить относительную плотность нефтепродукта d , если его d =0,7586.

2. Определить относительную плотность нефтепродукта d , если его d = 0,872.

3. Относительная плотность бензиновой фракции d = 0,7560. Какова относительная плотность этой фракции при 50˚С?

4. Плотность нефтяной фракции d , = 0,870; определить для этой фракции значение d .

5. Определить относительную плотность d нефтепродукта, если для него d = 0,824.

6. Определить относительную плотность нефтепродукта при 250˚С (d ) если его d = 0,820.

7. Плотность мазута бинагадинской нефти d = 0,953. Определить его плотность при 300˚С (d ).

8. Плотность нефтяной фракции d = 0,910; определить для этой фракции значение d .

9. Определить относительную плотность смеси, состоящей из 250 кг бензина плотностью d = 0,756 и 375 кг керосина плотностью d =0,826.

10. Определить плотность смеси следующего состава (в объемн. %): 25 бензина (d = 0,756), 15 лигроина (d = 0,785) и 60 керосина (d = 0,837).

11. Смесь состоит из 60 кг н-пентана, 50 кг н-гексана и 25 кг н-гептана. Определить среднюю плотность смеси, если для н-пентана d = 0,6262, н-гексана d = 0,6594, н-гептана d = 0,6838.

12. Смесь состоит из трех компонентов: G = 459 кг, G = 711 кг и G = 234 кг; плотность их d соответственно равна 0,765; 0,790; 0,780. Определить плотность этой смеси d

13. Определить абсолютную плотность пропана и н-бутана при 760 мм рт. ст. и 0˚С.

14. Определить плотность крекинг-газа при 400 ˚С и 1200 мм рт. ст., если его молекулярный вес равен 30.

15. Определить плотность газа при 200˚С и 1900 мм рт. ст., если его молекулярный вес равен 58. [ОЛ1, 9]

 

Молекулярный вес

 

Молекулярный вес является одной из основных физико-химических характеристик нефтей и нефтепродуктов. Им пользуются для вычисления других физико-химических свойств, при технологических расчетах аппаратуры.

Между молекулярным весом и температурой кипения нефтяных фракций существует определенная зависимость: чем больше молекулярный вес нефтяной фракции, тем выше ее температура кипения.

Учитывая эту зависимость, Б. М. Воинов предложил следующую общую формулу для определения молекулярного веса М нефтяной фракции:

М = а + bt + ct² (10)

где t - средняя молекулярная температура кипения фракции, ˚С;

а, b и с - коэффициенты.

В частности, для парафиновых углеводородов формула Б. М. Воинова имеет вид:

М = 60 + 0,3t + 0,001t² (11)

Пример 1. Средняя температура кипения фракции 120 ˚С. Ее молекулярный вес равен:

М = 60 + 0, 3 · 120 + 0, 001 (120)² = 110,4

Формулу Б. М. Воинова уточнил А. С. Эйгенсон, введя характеризующий фактор К. Эта величина определяет химическую природу нефтепродукта. Для парафинистых нефтепродуктов К = 12,5 - 13, для ароматизированных около 10 и менее, для нафтено-ароматических К = 10 - 11. Характеризующий фактор К определяют по формуле:

(12)

 

где T_cp.мол. - средняя молекулярная температура кипения (для узких фракций можно брать среднюю температуру кипения при разгонке по ГОСТ 2177 - 66), ˚К;

d - относительная плотность данной фракции.

Среднюю молекулярную температуру кипения нефтепродукта (t_cp.мол,,˚С) можно определить по формуле:

(13)

где - средние (арифметические) температур кипения узких фракций, составляющих данный нефтепродукт, ˚С;

- содержание узких фракций, мол. доли.

 

С введением характеризующего фактора формула Б. М. Воинова принимает вид:

М = (7K - 21,5) + (0,76 - 0,04К)t + (0,003 К - 0, 00245)t² (14)

 

Пример 2. Определить среднюю молекулярную температуру кипения и характеризующий фактор К для нефтепродукта с пределами выкипания 85 - 110˚С плотностыо d = 0,765. Содержание узких фракций в этом продукте следующее (мол. доли): (85- 90˚С) - 0,21; (90 - 95˚С) - 0,10; (95 - 100˚С) - 0,35; (100-105˚С) - 0,23; (105 - 110˚С) - 0,11.

Решение. Определяем среднюю температуру кипения каждой узкой фракции:

˚С ˚С

˚С; ˚С; ˚С

Подставляя полученные данные в формулу (13), получаем:

t_срмол = 0,21·87, 5+ 0, 10·92,5 + 0,35·97,5+ 0,23·102,5 + 0,11·107,5 = 97,2 ˚С

Определяем характеризующий фактор К по формуле (12):

Средний молекулярный вес смеси можно определить, зная мольную долю и молекулярный вес каждого компонента смеси:

 

(15) т.е.

 

где - содержание компонентов в смеси, мол. доли.

— молекулярный вес этих компонентов.

 

Молекулярный вес смеси нескольких нефтяных фракций можно определить по формуле:

(16)

 

Молекулярный, вес нефтепродукта можно определить также по формуле Крэга:

(17)

 

Пример 3. Определить средний молекулярный вес смеси бензола с изооктаном, если мольная доля бензола составляет 0,51, изооктана - 0,49.

Решение. Молекулярный вес компонентов найдем по таблице 2: для бензола 78, для изооктана 114.

Решение. Молекулярный вес компонентов найдем по таблице 2: для бензола 78, для изооктана 114. Подставляя эти значения в формулу 15, получаем:

Пример 4. Смесь состоит из 150 кг бензола и 2500 кг н-октана. Определить средний молекулярный вес смеси.

Решение. Используем формулу 16:

 

Задачи:

16. Смесь состоит из двух компонентов. Масса каждого компонента 1500 кг; молекулярный вес М₁ = 100, М₂ = 156. Определить средний молекулярный вес смеси.

17. Смесь состоит из 60 кг н-пентана, 40 кг н-гексана и 20 кг н-гептана. Определить средний молекулярный вес смеси.

18. Определить средний молекулярный вес широкой фракции, состоящей из 20% бензина с М = 110, 40% лигроина с М = 150, 20% керосина с М = 200 и 20% газойля с М = 250.

19. Определить средний молекулярный вес узкой фракции прямой перегонки плотностью d = 0,758.

20. Определить средний молекулярный вес нефтепродукта, имеющего среднюю температуру кипения 100˚С и характеризующий фактор К = 11,80.

21. Определить средний молекулярный вес фракции, имеющей плотность d =0,785.

22. Определить средний молекулярный вес нефтепродукта, имеющего плотность d = 0,856.

23. Определить молекулярный вес нефтяного газа следующего состава:

 

Компоненты газовой смеси	Доля компонента (мол)	Молекулярный вес компонента
С1	0,950
С2	0,025
С3	0,012
С4	0,009
С5	0,004

 

 

Давление насыщенных паров

 

При изучении фракционного состава нефтей и проведении технологических расчетов аппаратуры приходится пересчитывать давление насыщенных паров нефтепродуктов от одной температуры к другой, а также температуру кипения нефтяных фракций от одного давления к другому. Для осуществления таких пересчетов предложены номограммы.

Пример 1. Узкая нефтяная фракция при атмосферном давлении имеет среднюю температуру кипения 149˚С. Какова температура кипения этой фракции при 2000 мм. рт. cт.?

Решение. По графику на оси ординат находят точку, соответствующую температуре 149˚ С, и из этой точки проводят прямую, параллельную оси абсцисс, до пересечения с вертикальной линией, отвечающей давлению 760 мм рт. cт. Получают точку А, которая легла на искомый луч. Затем от точки, соответствующей давлению 2000 мм. рт. cт., проводят вертикаль до пересечения с найденным лучом в точке В. Из точки В проводят горизонтальную линию, параллельную оси абсцисс, до пересечения со шкалой температур в точке С, Эта точка дает значение искомой температуры кипения — 190 ˚С.

Пример 2. При разгонке мазута из колбы Кляйзена температура паров в момент замера была равна 150˚С, а остаточное давление 2 мм рт. ст. Какова температура паров при атмосферном давлении?

Решение. Используют номограмму (см. Приложение 5). На левой шкале номограммы отмечают значение температуры 150 ˚С, на правой шкале — значение давления 2 мм рт. ст. Эти точки соединяют прямой и в точке пересечения со шкалой температура кипения при нормальном давлении» (при разгонке из колбы Кляйзена) находят значение искомой температуры — 330 ˚С.

Для подсчета давления насыщенных паров узких нефтяных фракций при низких давлениях пользуются формулой Ашворта [1 — 3):

(18)

где P — давление насыщенных паров, атм;.

Т' — соответствующая температура, К;

T₀ — температура кипения при атмосферном давлении, К;

f (T) — функция температуры Т, выражаемая уравнением:

(19)

Функцию f (T) определяют аналогично. Значения функции f (T) для различных температур приведены в Приложении 7.

 

Пример 3. Узкая нефтяная фракция при атмосферном давлении имеет среднюю температуру кипения 177˚С. Определить температуру кипения этой фракции при 6,4 атм.

Решение. Для решения задачи используем уравнение Ашворта (18) и решим его относительно температуры:

 

По Приложению 7 найдем значение f (T₀) для температуры 177˚ С. f( Tp) = 4,009; lg P = lg 6,4 = 0,8075. Подставляя эти значения, получаем:

0,8075

По Приложению 7 путем интерполяции находим искомую температуру: Т = 274 ˚С = 547 К.