Тема 2.2. Физико-химические свойства нефтей и нефтепродуктов

2.2.1. Плотность, молекулярная масса, давление насыщенных паров. Лабораторные методы определения

Плотность.

Плотностью называется масса вещества, которой обладает единица объема этого вещества. Размерность плотности в системе СИ кг/м³. В практике нефтяного дела чаще используется относительная плотность, обозначаемая в общем виде . Эта величина показывает отношение плотности нефтепродукта при температуре t₂ к плотности дистиллированной воды при температуре t₁. Стандартная температура для нефтепродукта у нас обычно принята 20^оС, для воды – 4^оС. На Западе часто используют t₁ = t₂ = 60 F, что примерно соответствует 15 ^оС. Плотность воды при 4^оС равна 1, так что относительная плотность и абсолютная плотность совпадают по величине.

Величина обратная плотности также часто используется при расчете количества нефтепродуктов. Она именуется удельным объемом. Измеряется соответственно в м³/кг (м³/т).

Так как нефть и нефтепродукты – сложная смесь индивидуальных веществ часто встает задача поиска плотности смеси. При этом допускается аддитивность объемов (аддитивность – линейная зависимость свойства смеси от ее состава). Тогда среднюю плотность смеси находят по уравнению:

или

где

₁ ₂,…, _n – относительные плотности компонентов (при постоянной температуре);

V₁, V₂,…, V_n – объемы компонентов;

m₁, m₂, …, m_n – массы компонентов.

Вышеприведенные формулы не всегда точны, так как часто имеет место изменение объема при смешивании компонентов.

При возрастании температуры плотность нефтепродуктов резко уменьшается, а удельный объем возрастает. Для большинства малопарафинистых нефтепродуктов зависимость плотности от температуры близка к линейному виду и может быть выражена формулой Д.И. Менделеева:

где - относительная плотность нефтепродукта при заданной температуре;

 - поправка на изменение плотности при изменении температуры на один градус.

Для газообразных нефтепродуктов приняты следующие стандартные условия:

Давление – 760 мм. рт. ст.

Температура – 0^оС.

Обычно для газообразных нефтепродуктов определяют относительную плотность – по отношению к плотности воздуха (1.293 кг/м³). Плотность любого газа при стандартных условиях может быть найдена как отношение его молекулярного веса к объему одного киломоля газа (22.4 м³).

Определение плотности.

Простейший метод – ареометром. Градуировка ареометра отнесена к плотности воды при 4^оС.

Точность определения 0.001 для маловязких и 0.005 для вязких нефтепродуктов.

Для измерения ареометром плотности высоковязкого нефтепродукта последний разбавляют равным объемом керосина известной плотности (_к) и определяют плотность смеси _см. Плотности нефтепродукта (_н) находится по формуле:

_н = 2_см - _к

Для малых количеств жидких нефтепродуктов или твердых нефтепродуктов используют метод выравнивания плотностей или метод взвешенной капли. При этом каплю или кусочек нефтепродукта вводят в спирто-водный (1  ) или слабый водно-солевой раствор (  1) и добавляют в раствор воду или концентрированный раствор соли, пока испытуемый объект не будет взвешен в растворе. Затем ареометром определяют плотность раствора, она будет равна плотности испытуемого нефтепродукта.

С точностью до 0.0005 плотность определяют с помощью гидростатических весов, которые градуируются по плотности воды при 20^оС и дают показания .

Пикнометр позволяет определить плотность с точностью до 0.00005. Применяют пикнометры различной формы и емкости – в зависимости от агрегатного состояния и плотности исследуемого вещества.

Плотность характеризует химическую природу происхождение и товарное качество нефти или нефтепродукта. Для фракций с равными температурами начала и конца кипения плотность наименьшая, если они выделены парафинистых нефтей, наибольшая – если из высокоароматизированных нефтей.

Молекулярная масса. Важный показатель, используемый для подсчета теплоты парообразования, объема паров, парциального давления, химического состава узких нефтяных фракций.

Чем выше температура кипения нефтяных фракций, тем выше их молекулярная масса, также она зависит, ясное дело, от химического состава фракции.

Молекулярный вес смеси нефтяных фракций находится по формуле:

,

где m₁, m₂,…, m_n - массы нефтяных фракций;

М₁, М₂,…, М_n – их молекулярные массы.

Молекулярный вес нефтяных фракций находится по формуле Воинова с учетом характеризующего фактора – величины, производной от абсолютной средней температуры кипения смеси и плотности нефтяной фракции (см. учебник, если понадобится (с. 38)).

Для определения размеров реакторного и испарительного оборудования необходимо знать мольный объем жидких нефтепродуктов или их паров. Для определения мольного объема жидкостей существует формула:

где V – объем жидкости, м³;

N – число молей;

M – масса жидкостей, кг;

 - плотность жидкости, кг/м³.

Объем паров определяют, исходя из уравнения Клапейрона:

;

где m – масса паров, кг;

M – молекулярный вес нефтепродукта;

 - давление в системе, ат;

P – атмосферное давление, ат;

t – температура, ^оС.

Это уравнение можно использовать при давлении в системе менее 4 ат, так как при более высоком давлении вводится поправка на сжимаемость нефтепродуктов.

В лабораторной практике молекулярный вес определяют криоскопическим методом, основанном на снижении температуры застывания растворителя от прибавления к нему нефтепродукта. Редко используется эбуллиоскопический метод – основан на изменении температуры кипения растворителя при прибавлении нефтепродукта.

Давление насыщенных паров – давление, развиваемое парами при данной температуре в условиях равновесия с жидкостью. Температура, при которой ДНП становится равным давлению в системе – температура кипения вещества.

ДНП нефти и нефтепродуктов характеризует их испаряемость, наличие в них легких компонентов, растворенных газов и т.д. ДНП резко возрастает с возрастанием температуры. При одной и той же температуре у легких нефтепродуктов ДНП выше.

Высокое ДНП может иметь негативное последствие для авиационного бензина и летних сортов автомобильных бензинов, так как когда ДНП превышает внешнее давление возникают паровые пробки. В зимних бензинах повышенное до определенных пределов ДНП облегчает запуск двигателя.

Для определения ДНП используют аналитические методы (по формуле) и графические методы (по графикам). Примером может служить график Кокса, который представляет собой график зависимости ДНП (если точнее – логарифма ДНП, но величины ставят для давления (для удобства пользования) - ось абсцисс) от температуры (ось ординат). Графиком пользуются для технологических нужд, когда надо найти ДНП фракции при какой-либо температуре, когда известно ДНП при любой другой температуре.

В лабораторной практике пользуются номограммой UOP – она точнее, чем график Кокса.

Определяют ДНП в бомбе Рейда - приборе, снабженном манометром - при 38^оС и соотношении объемов жидкой и паровой фаз 1 : 4. Данный способ дает приблизительные результаты.