Плотность нефти и нефтепродуктов
.pdfСПБГУАП | группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
3
1 Плотность нефти и нефтепродуктов
Плотность является важнейшей характеристикой, позволяющей в совокупности с другими константами ориентировочно оценивать химический и фракционный состав нефти и нефтепродуктов. На ранних этапах развития нефтяной промышленности плотность была основным показателем качества нефти и продуктов ее переработки, который применяли для примерной оценки бензина и (особенно) керосина,
получаемых из сырой нефти. Однако установленные зависимости между плотностью нефти и ее фракционным составом были применимы только по отношению к определенному типу нефти и неприменимы к другим. Тем не менее, плотность все еще используют в качестве показателя примерной оценки качества нефти и нефтепродуктов.
Плотность принято выражать абсолютной и относительной величиной. Абсолютной плотностью (далее по тексту плотность)
считается масса вещества, заключенная в единице объема. Плотность имеет размерность кг/м3 или г/см3 . В практике нефтепереработки принято использовать безразмерную величину относительной плотности нефти
(нефтепродукта) t1t2. Это безразмерная величина, показывающая отноше-
ние плотности нефтепродукта при температуре t1 к плотности дистил-
лированной воды при температуре t2. Стандартными температурами в нашей стране приняты: для воды t2 = 4°С, для нефтепродукта t1 = 20оС и относительная плотность обозначается 204. Поскольку плотность воды при 4 °С равна единице, то числовые значение относительной и абсолютной плотности совпадают.
В некоторых зарубежных странах за стандартную принята одинаковая температура нефти (нефтепродукта) и воды, равная 60°F, что соответствует 15,5°С. В этом случае относительная плотность обозначается 1515 .
СПБГУАП | группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
4
Взаимный пересчет значений 204 и 1515
15 |
|
|
|
0,0035 |
||
15 |
= |
20 |
+ |
|
20 |
|
4 |
|
|||||
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
4 |
||
|
|
|
|
|
||
производится по формулам (1, 2):
(1)
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
20 |
+5 |
|
, |
(2) |
|
|
15 |
= |
4 |
||||||
|
|
15 |
|
|
|
|
|
|
|
где |
|
- поправка на изменение плотности при изменении температуры на |
|||||||
|
|
||||||||
один градус (таблица А6). |
|
||||||||
|
|
|
В США и других странах широко используется величина плотности, |
||||||
измеряемая в градусах API связанная c 1515 соотношением: |
|
||||||||
|
|
|
|
141,5 |
131,5 |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
15 |
|
|
|
|
ºAPI= |
15 |
|
|
|
(3) |
||||
|
|
|
Плотность большинства исследованных нефтей находится в |
||||||
пределах |
830-960 кг/м3. Чем меньше плотность нефти, тем |
меньше в |
|||||||
ней содержится смолисто-асфальтеновых веществ и больше алифатических соединений. В большинстве случаев, чем больше геологический возраст и соответственно больше глубина залегания пласта,
тем нефть имеет меньшую плотность.
Плотность является важным химмотологическим нормируемым показателем (таблица 1), определяющим эксплуатационные свойства
топлив и масел.
Таблица 1 – Значение относительной плотности нефтепродуктов при 20°С.
Наименование нефтепродукта |
Плотность, г/см3 |
Бензин |
0,710-0,750 |
Керосин |
0,750-0,780 |
Дизельное топливо |
0,800-0,850 |
Масляные погоны |
0,910-0,980 |
Мазут |
0,950 |
Гудрон |
0,990-1,0 |
Для углеводородных и других газов за стандартные условия прини-
мают давление 0,1 МПа (760 мм рт. ст.) и температуру 0 °С. Обычно оп-
ределяют относительную плотность, т. е. отношение плотности газа к
СПБГУАП | группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
5
плотности воздуха (1,293 кг/м3). Плотность любого газа при стандартных условиях может быть найдена как частное от деления его молекулярной массы на объем 1 кмоля, т.е. 22,4 м3. Плотность газа ( , кг/м 3) при
условиях, отличных от стандартных (давлении Р, МПа; температуре Т, К),
можно определить по формуле (4):
= 11,8 МР/Т , |
(4) |
где М- молекулярная масса газа.
В таблице 2 приведены данные о плотности углеводородных и
некоторых других газов при 0°С и 760 мм рт. ст.
Таблица 2 - Плотности углеводородных и других газов при 0°С и 760 мм рт. ст.
Газы |
Плотность, кг/м3 |
Относительная плотность, (по воздуху) |
Метан |
0,717 |
0,554 |
Этан |
1,356 |
1,049 |
Пропан |
2,020 |
1,562 |
н-Бутан |
2,703 |
2,091 |
Этилен |
1,260 |
0,975 |
Водород |
0,090 |
0,069 |
Сероводород |
1,538 |
1,191 |
Окись углерода |
1,250 |
0,967 |
Двуокись углерода |
1,977 |
1,521 |
Воздух |
1,293 |
1,000 |
Плотность нефтей и нефтепродуктов уменьшается с повышением
температуры. Эта зависимость имеет линейный характер и хорошо опи-
сывается формулой Д. И. Менделеева (5):
t4= 204 - (t-20) , |
(5) |
|
где: |
t4 - |
относительная плотность нефтепродукта при заданной |
температуре; |
204 - относительная плотность нефтепродукта при |
|
стандартной температуре (20°С); - поправка на изменение плотности при изменении температуры на один градус (таблица А4).
Все нефтепродукты представляют собой смеси углеводородов различных групп. Допуская аддитивность их объемов, среднюю плотность нефтепродукта находят по правилу смешения:
СПБГУАП | группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
6
cр = |
V V |
..... V |
; |
|
||||||
1 |
1 |
2 |
2 |
|
|
n |
n |
|
||
|
|
|
|
|
||||||
|
|
V V |
... V |
|
|
|
||||
|
|
|
1 |
2 |
|
|
n |
|
|
|
ср = |
|
|
m m m ... m |
|
, |
|||||
|
|
1 |
|
2 |
3 |
n |
|
|||
|
m |
/ m |
/ |
... m |
/ |
n |
||||
|
|
1 |
1 |
|
2 |
2 |
|
n |
|
|
(6)
(7)
где 1, 2, ..., n - относительные плотности компонентов смеси;
Vl, V2, ..., Vn - соответственно их объемы; ml, m2 , ...,mn - массы компонентов смеси.
Расчет по предложенным формулам не всегда точен, так как в одних случаях смешение сопровождается расширением смеси (гексан +
бензол), а в других - сжатием, если нефтяные фракции резко различной плотности.
Существует несколько методов определения плотности нефте-
продуктов. Выбор того или другого зависит от имеющегося количества нефтепродукта, его вязкости, требуемой точности определения и отводимого для анализа времени.
Простейшим прибором для определения плотности жидких нефтепродуктов является ареометр (плотномер, нефтеденсиметр).
Применение нефтеденсиметров основано на законе Архимеда, согласно которому на тело, погруженное в жидкость, действует сила, направленная вертикально вверх и равная весу вытесненной жидкости в объеме погруженной части тела. Часто в среднюю часть нефтеденсиметра
(поплавок) впаивают термометр, шарик которого одновременно выполняет роль груза. Устройство такого ареометра показано на рисунке 1. За счет груза и симметричной формы нефтеденсиметр всегда находится в жидкости в вертикальном положении. Нефтеденсиметры выпускаются с ценой деления шкалы от 0,0005 до 0,005 с термометрами и без них.
СПБГУАП | группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
7
Рисунок 1 - Ареометры
Груз ареометров подбирается таким образом, чтобы при погружении в испытуемые жидкости они не тонули и не всплывали бы выше той части,
где нанесена градуировочная шкала плотности. По закону Архимеда,
нефтеденсиметр, плавая в жидкости, будет погружаться на большую
глубину в более легкой жидкости и на меньшую в более тяжелой.
В равновесном состоянии по верхнему краю мениска отсчитывают
на шкале плотность жидкости.
Градуировка ареометра отнесена к плотности воды при 4°С и его показания соответствуют t4. Ареометром можно определить плотность
только с точностью до 0,001 для |
маловязких и 0,005 для |
вязких |
||
нефтепродуктов. |
|
|
|
|
Для определения ареометром |
плотности |
высоковязкого |
(более |
|
200ссm при 50°С) нефтепродукта |
поступают |
следующим |
образом. |
|
Нефтепродукт разбавляют равным |
количеством |
керосина |
известной |
|
плотности (рк) и измеряют плотность смеси ( см). Затем подсчитывают плотность нефтепродукта по формуле (8):
н = 2 см - к |
(8) |
Для малого количества жидких нефтепродуктов (капли) либо для |
|
твердых веществ (парафина, |
битума и др.) пользуются методом |
СПБГУАП | группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
8
уравнивания плотности, или методом взвешенной капли: каплю или кусочек исследуемого нефтепродукта вводят в спирто-водный ( 1) или водно-солевой раствор слабой концентрации ( 1) и добавляют в сосуд воду или концентрированный раствор соли до тех пор, пока испытуемый нефтепродукт не будет взвешен внутри раствора. В этом случае плотность нефтепродукта равна плотности раствора, которую определяют ареометром.
Приведенные выше способы пригодны лишь для технических целей.
Более точно (с точностью до 0,0005) плотность нефтепродукта определяют с помощью гидростатических весов, которые градуируются по плотности воды при 20°С и дают показания 204.
Наиболее точный результат достигается при определении плотности пикнометром (до 0,00005). Метод применяется для определения плотности нефти, жидких и твердых нефтепродуктов, а также гудронов, асфальтов,
битумов, креозота и смеси этих продуктов с нефтепродуктами, кроме сжиженных и сухих газов, получаемых при переработке нефти и легколетучих жидкостей, давление насыщенных паров которых превышает
50 кПа, или температура начала кипения которых ниже 40°С.
Обычно применяют пикнометры емкостью от 1 до 25 мл, несколько образцов которых показано на рисунке 2.
В зависимости от агрегатного состояния нефтепродукта, его количества и требуемой точности взвешивания применяют пикнометры разной формы и емкости. Преимуществом пикнометрического метода также является использование сравнительно малых количеств анализируемой пробы.
Определение плотности пикнометром заключается в определении массы испытуемого нефтепродукта, заключенного в точно установленном объеме.
СПБГУАП | группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
9
Пикнометры представляют собой стеклянные сосуды различной формы емкостью 5, 10 и 25 мл, закрывающиеся пришлифованной пробкой.
Они могут быть двух типов (рисунок 2): с капиллярным отверстием в пришлифованной пробке для удаления лишнего количества испытуемого нефтепродукта и с кольцевой меткой на горловине для точного заполнения пикнометра испытуемым нефтепродуктом.
Рисунок 2 - Пикнометры
Наиболее эффективным и современным способом определения плотности нефти и нефтепродуктов является метод определения при помощи электронных плотномеров (рисунок 3), работа которых основана на измерении периода собственных колебаний полой U-образной трубки,
заполненной исследуемой жидкостью. Измерение плотности таким методом позволяет получать точные результаты при минимальной трудоемкости и незначительных временных затратах. Дополнительными достоинствами этого метода измерения плотности являются малый объем пробы и закрытость измерительной ячейки.
Использование вибрационного метода измерения для светлых нефтепродуктов дает более точные результаты в сравнении с другими методами определения плотности. Для темных нефтепродуктов и сырой нефти сходимость и воспроизводимость результатов при вибрационном
СПБГУАП | группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
10
методе измерения хуже, чем при использовании ареометра или пикнометра.
Лабораторные приборы, обеспечивающие измерение плотности с пределом абсолютной погрешности в 0,1 кг/м3, выпускаются всеми ведущими производителями вибрационных плотномеров.
Рисунок 3 - Электронные плотномеры
Все приборы имеют схожую компоновку с характерным расположением датчика и боковым вводом пробы (рисунок 4). Также все приборы имеют встроенные термостаты с принудительной вентиляцией и близкие технические характеристики: диапазоны температур и диапазоны измерения, минимальный объем пробы и прочее, вплоть до набора внешних интерфейсов.
Рисунок 4 - Устройство электронного плотномера с боковым вводом пробы.
СПБГУАП | группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
11
Плотномер отечественной компании «ТЕРМЭКС», благодаря собственной конструкции датчика и термостата, имеет другую компоновку
(рисунок 5).
Рисунок 5 - Устройтройство электронного плотномера ВИП-2МР компании «ТЕРМЭКС»
У плотномера ВИП-2МР компании «ТЕРМЭКС» измерительная ячейка расположена на «плавающем» подвесе, а узел ввода пробы расположен на лицевой панели прибора и соединен с ней термоосаженной тефлоновой подводкой. Такая конструкция исключает возможность разгерметизации соединения и пролива пробы на внутренние узлы прибора.
СПБГУАП | группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts
12
2 Определение плотности нефти и нефтепродуктов
Задачей практикума является выработка у студентов четкого и последовательного представления о различных методах определения плотности нефти и нефтепродуктов, обработки полученных результатов и их сравнения с плотностью, соответствующей требованиям ГОСТов и технических условий нефтепродуктов и паспортам исследуемых нефтей.
Лабораторная работа № 1 (6 часов)
Определение относительной плотности ареометром (ГОСТ Р 51069-97)
и расчет плотности в градусах API
Цель работы: экспериментальное определение относительной плотности нефти и жидких нефтепродуктов ареометром, расчет плотности в градусах API и сравнение полученных данных по плотности с требованиями технических условий на нефтепродукт или с паспортом качества на конкретную партию нефти.
Задачи работы:
1.освоить методику определения относительной плотности нефти и жидких нефтепродуктов ареометром;
2.рассчитать плотность в градусах API;
3.сравнить полученные и обработанные результаты с требованиями технических условий на нефтепродукт или с
паспортом качества на конкретную партию нефти.
Плотность, относительная плотность (удельный вес) или плотность в градусах API является фактором, определяющим качество сырой нефти и нефтепродуктов, необходимым для пересчета измеренных объемов в объемы при стандартной температуре, при расчетных операциях при поставках на экспорт нефтей и нефтепродуктов. Цены на сырую нефть за рубежом часто указывают рядом со значениями плотности в градусах API.