Глава 13

ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА НЕФТЕЙ И НЕФТЕПРОДУКТОВ

§ 13.1. Современная концепция оценки качества нефтей и нефтепродуктов

Процессы переработки нефти, газа и газового конденсата являются наиболее многотоннажными современными химико-технологиче­скими процессами. Так, мощность современных установок первич­ной переработки нефти составляет 6—12 млн. т. в год. Просчеты при управлении такими процессами недопустимы. Это определяет жест­кие требования к контролю качества потоков в нефтегазоперерабатывающей и нефтехимической промышленности.

Характерной особенностью сырья, промежуточных и конечных продуктов указанных отраслей является то, что они представляют собой многокомпонентные смеси углеводородов и других соедине­ний, содержащие сотни и десятки сотен компонентов. Качество та­ких смесей в настоящее время оценивается комплексами характе­ристик, в которые входят физико-химические свойства (плотность, вязкость, молекулярная масса, упругость насыщенных паров и др.), содержание отдельных примесей, иногда компонентный состав, а также ряд показателей качества (см. гл. 9), определяющих пригод­ность названных смесей к переработке или потреблению. К таким показателям относится фракционный состав, выкипаемость при ха­рактерной температуре, октановое число бензинов, цитановое число дизельных топлив, радиирующая способность реактивных и ракет­ных топлив, температура вспышки и др. Указанные комплексы ха­рактеристик используются при полной лабораторной оценке качест­ва нефтей, нефтепродуктов и газового конденсата. Для управления технологическими процессами обычно используют измерительную информацию об одной или двух характеристиках, входящих в комп­лекс, значение которых для конкретного процесса наиболее сущест­венно.

Для получения измерительной информации о физико-химических свойствах, содержании отдельных компонентов и составе нефтепро­дуктов, нефтей и газового конденсата используются методы и сред­ства измерений, рассмотренные соответственно в гл. 10—12.

В настоящее время из нефти вырабатывается более 500 видов продуктов, однако в основном (90—95%) нефть перерабатывается на жидкие топлива (автомобильные и авиационные бензины, реак­тивные и дизельные топлива, мазут).

Практически все средства измерений показателей качества неф­тепродуктов относятся к тепловым средствам аналитической техни­ки (см.гл.9).

§ 13.2. Средства измерений фракционного состава

Под фракционным составом многокомпонентных смесей понимают зависимость температуры выкипания отдельных фракций от их со­держания в пробе анализируемого вещества или зависимость содер­жания этих фракций в пробе анализируемого вещества от темпера­туры их выкипания.

Для получения информации о фракционном составе использует­ся разделение (фракционирование) анализируемого вещества по температурам кипения путем перегонки обычно при атмосферном давлении.

Ввиду того что многокомпонентные смеси при повышении темпе­ратуры кипят непрерывно, для них и для их отдельных фракций нельзя определить температуры кипения. Вместо понятия «темпе­ратура кипения» чаще применяют понятие «температура перегонки».

Фракционный состав — один из основных показателей качества бензинов, керосинов, реактивных и дизельных топлив, мазута и других жидких нефтепродуктов, газового конденсата, различных растворителей и многих продуктов нефтехимической, химической отраслей промышленности.

Рассмотрим принцип измерения этого показателя, используемый в лабораторной практике.

На рис. 13.1, а показаны схемы лабораторной установки для определения фракционного состава по стандартному методу. Она позволяет осуществлять перегонку до температуры 320°С. Более высококипящие фракции на ней определить не удается ввиду на­чинающегося разложения.

Установка содержит стеклянную колбу 1 (колба Энглера), стеклянный термометр 2 (укреплен на пробке, имеет шкалу от 0 до 360°С), газовую горелку 6 (или электрический нагреватель), холодильник 4, снабжаемый проточной водопроводной водой, и мерный цилиндр 5 (на 100 см³). Размеры и конструкции всех узлов установки стандартизованы, что в сочетании со стандартизованной методикой проведения измерения обеспечивает получение воспроиз­водимых результатов. Для анализа в колбу 1 заливают 100 см³ обезвоженного анализируемого вещества, имеющего температуру (20±3)°С, вставляют термометр 2 и располагают горелку 6 под колбой 1. Расход газа подбирают таким, чтобы время предвари­тельного нагрева при перегонке бензина и лигроина составляло 5— 10 мин, керосина, реактивного и легкого дизельного топлива— 10— 15 мин, тяжелого дизельного топлива— 10—20 мин. Образующиеся при нагревании в паровом пространстве колбы 1 пары анализируе­мого вещества поступают в холодильник 4, конденсируются и в виде конденсата стекают в мерный цилиндр 5. Температуру, при которой

в мерный цилиндр 5 из холодильника выпадает первая капля ана­лизируемого вещества, называют температурой начала перегонки, (начала кипения) t_НП (см. рис. 13.1, б, в).

Перегонка проводится с примерно постоянной скоростью (4-5см³ /мин). Для представления результатов анализа используют один из двух способов.

Способ 1. Заранее задаются несколькими значениями концен­трации с₁ с₂, ..., с_і, ..., с_n (рис. 13.1, б) и определяют температуру выкипающих фракций.

Р ис.13.1. схема установки для определения фракционного состава стандартным методом (а) и кривые фракционного состава (б,в):

1 – колба ; 2 – стеклянный термометр; 3 – защитный кожух; 4 – холодильник; 5 – мерный цилиндр; 6 – горелка; 7 – асбестовая прокладка; 8 – решетка; 9 – штатив.

Способ 2 Задаются несколькими значениями температуры t₁, t₂, ..., t_j, ..., t_n и определяют концентрации выкипевших фракций. Концентрация определяется на рассматриваемой установке как от­ношение объема фракции, поступившей в мерный цилиндр, к объему пробы анализируемого вещества. Указанное отношение называют также выкипаемостью при соответствующей температуре или сте­пенью отгона (отгоном) (рис. 13.1, в).

Обычно определяют температуры перегонки для концентраций 10, 50, 90, 97-98 % или концентрации при температурах 75, 100, 200, 260, 270^оС. В процессе перегонки температура, показываемая термометром 2, постепенно возрастает (см. рис. 13.1, б в) достига­ет максимума, а затем уменьшается. Это вызвано тем, что практи­чески вся проба анализируемого вещества уже выкипела, вследст­вие чего количество паров, омывающих термометр, резко уменьшилось. Эту максимальную температуру называют температурой конца перегонки (конца кипения) t_КП (см. рис. 13.1, б, в).

Для двух параллельных перегонок допускается расхождение для температуры начала перегонки 4°С, а для конца и промежуточных точек фракционного состава 2°С или 1 см³.

Показанные на рис. 13.1, б, в кривые называют кривыми фрак­ционного состава.

Существуют стандартные методики и установки для определения фракционного состава, в соответствии с которыми содержание фрак­ций представляется массовой концентрацией. В настоящее время в разработках средств измерений фракционного состава сложились две тенденции.

В соответствии с первой в основном осуществляется автоматиза­ция стандартных установок для определения фракционного состава. Причем с помощью анализатора получают информацию сразу о всех перечисленных характерных точках кривой фракционного со­става. Анализатор при этом представляет собой достаточно слож­ное устройство циклического действия (продолжительность цикла 30—60 мин).

В соответствии со второй тенденцией работа анализатора стро­ится на принципе, отличающемся от стандартного. При этом он обеспечивает получение информации о какой-либо одной характер­ной точке кривой фракционного состава и является устройством не­прерывного или циклического действия с малой продолжительно­стью цикла.

В данном параграфе рассматриваются автоматические анализа­торы фракционного состава, построенные в соответствии с первой из названных тенденций. В § 13.3 приведены описания анализато­ров, реализованных в соответствии со второй тенденцией.

Известно несколько разновидностей автоматических анализато­ров фракционного состава, реализующих рассмотренный выше стан­дартный метод анализа. Эти анализаторы отличаются друг от дру­га в основном конструкцией узла измерения количества фракций, сконденсировавшихся после перегонки. На рис. 13.2 приведена принципиальная схема наиболее распространенного автоматиче­ского анализатора фракционного состава. Данный анализатор является устройством циклического действия и работает в двух режимах: «Подготовка» и «Анализ».

В режиме «Подготовка» анализируемое вещество из блока под­готовки 1, где оно охлаждается и очищается от механических при­месей и воды, поступает в металлическую колбу 3, снабженную электронагревателем 17 и термоэлектрическим чувствительным эле­ментом 4, через открытый электроуправляемый клапан 2. Вещество выводится из колбы через сифонную трубку 5 и открытый электро­управляемый клапан 6. Для управления клапанами 2 и 6 и всем анализатором в целом служит блок управления 15.

В режиме «Подготовка» из колбы удаляется остаток и она ох­лаждается. После этого по команде блока 15 закрывается клапан 2 и излишки анализируемого вещества удаляются из колбы с помо­щью сифонной трубки 5. В колбе при этом остается 100 см³ анали­зируемого вещества. Затем закрывается клапан 6, подается напря­жение питания от блока 15 к нагревателю 17 и анализатор перехо­дит в режим «Анализ». Сигнал термоэлектрического чувствительного элемента воспринимается нормирующим преобразователем 7, пре­образуется в унифицированный сигнал постоянного тока, который при необходимости преобразуется с помощью электропневматиче­ского преобразователя 8 в пневматический унифицированный сиг­нал и одновременно измеряется и регистрируется а втоматическим потенциометром 9.

Рис. 13.2. Схема автоматического анализатора фрак­ционного состава

В режиме «Анализ» образующиеся при нагревании пары посту­пают в холодильник 10, и образовавшийся конденсат стекает в узел 12, служащий для измерения количества выкипевших фрак­ций. Здесь с помощью каплеформирователя 11 поток конденсата преобразуется в отдельные капли 13, которые, пролетая между лампой 16 и фотоэлементом 14, изменяют фотопоток, поступающий от первой ко второму. Таким образом, частота падения капель пре­образуется в частоту электрических импульсов, поступающих от фотоэлемента в блок управления 15. Здесь с помощью регулятора постоянства скорости перегонки число импульсов, поступающих в единицу времени (расход), сравнивается с заданным и соответст­вующим образом изменяется значение напряжения, подаваемого к нагревателю 17. Одновременно число импульсов используется в блоке 15 для управления лентопротяжным механизмом потенцио­метра 9, который включается в работу, а затем выключается при поступлении в блок управления количества импульсов, соответст­вующего перегонке 10, 50 и 90 % фракций. Продолжительность одно­го цикла работы прибора составляет 55 мин. Погрешность измерения температуры выкипания фракций ±2°С. Расход анализируемого вещества на один цикл работы 1500—2000 см³.

На рис. 13.3 показана принципиальная схема анализатора фрак­ционного состава [34], в котором количество фракций, выкипающих в единицу времени, т. е. расход, измеряется с помощью денситометрического газового детектора (см. гл. 10).

Анализаторы такого типа называют эвапорографическими (от лат. evaporation — испарение и от греч. grapho — пишу).

Измерение количества фракций в газовой фазе позволяет суще­ственно уменьшить количество анализируемого вещества (до 1 — 5см³), необходимого для измерения, и сократить на порядок время анализа. Такие возможности обеспечиваются тем, что объем паров фракций в несколько сотен раз больше объема этих фракций в жидкой фазе, а газовые детекторы имеют высокую чувствитель­ность.

Режим работы «Подготовка» в эвапорографическом анализато­ре фракционного состава аналогичен рассмотренному для анализа­тора (см. рис. 13.2).

Р ис. 13.3. Схема автоматического эвапорографического анализатора фракцион­ного состава:

1 — электронагреватель; 2 — привод электронагревателя; 3 — колба для перегонки; 4 — труб­ка; 5 и 15—управляемые клапаны; 6 — блок подготовки анализируемого вещества; 7 — блок подготовки газа-носителя; 8 — чувствительный термоэлектрический элемент; 9 — шту­цер ввода газа-носителя; 10 — денситометрический детектор; 11 — термостат; 12 — вычисли­тельное устройство; 13 — электронный потенциометр; 14 — устройство управления

В режиме «Анализ» привод 2 по сигналу блока управления 14 размещает электродвигатель 1 под колбой для перегонки 3. В про­цессе перегонки пары выкипающих фракций подхватываются газом-носителем, поступающим с постоянным объемным расходом в труб­ку 9 из блока 7, и транспортируются в денситометрический газовый детектор 10, размещенный в термостате 11, температура которого поддерживается большей температуры конденсации паров наиболее тяжелых фракций анализируемого вещества. По окончании режима работы «Анализ» нагреватель 1 приводом 2 удаляется из-под кол­бы 3.

Сигнал денситометрического детектора, пропорциональный мас­совому расходу паров выкипающих фракций, и сигнал термоэлек­трического чувствительного элемента 8 поступают в вычислитель­ное устройство 12. Последнее интегрирует сигнал детектора в процессе всего анализа, определяет температуры выкипания, соот­ветствующие анализируемым фракциям, и обеспечивает представ­ление информации в виде кривой фракционного состава на диаграмме электронного потенциометра 13.

Время одного цикла работы анализатора 5 мин; объем пробы анализируемого вещества 3 см³; расход анализируемого вещества 5000—8000 см³/ч; погрешность измерения ±(2 2,5)°С.