НЕФТЕБАЗ И НЕФТЕХРАНИЛИЩ 1 часть
.pdfСПГУАП группа 4736 https://new.guap.ru
В технологических процессах транспорта и хранения нефти и неф- тепродуктов имеют место три основных явления теплообмена: тепловое излучение, конвенция, теплопроводность.
Излучение (лучеиспускание, радиация) – теплообмен между тела- ми, находящимися на расстоянии друг от друга, посредством лучистой энергии, носителем которой являются электромагнитные колебания.
Конвекция – перенос теплоты перемешиванием и перемещением частиц вещества. Различают свободную (естественную) и вынужденную (искусственную) конвенцию.
Теплопроводность – молекулярный процесс распространения теп- лоты внутри вещества от более нагретых к менее нагретым.
Количество теплоты, передаваемое конвективным поверхностям, определяется основным уравнением теплопередачи
Qкон = KН t , |
(2.43) |
где K – коэффициент теплопередачи, кВт/(м К); Н – площадь поверхности теплообмена, м2;
t – температурный перепад, ° С.
Коэффициент теплопередачи K – количество тепла, передаваемое от греющего потока к нагреваемому в единицу времени через единицу поверх- ности при разности температур в 1°, Вт/м2град,
K = |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
, |
(2.44) |
1/ α + δ |
c |
/ λ |
c |
+ δ |
cм |
/ λ |
cм |
+ 1/ α |
2 |
|||
1 |
|
|
|
|
|
|
||||||
где α1 и α2 – коэффициенты теплоотдачи от вещества к поверхности на- грева и от поверхности нагрева нагреваемому веществу;
σсм – толщина промежуточной стенки; λсм – коэффициент теплопроводности стенки.
Коэффициент теплопроводности – количество тепла, которое про-
ходит через единичную площадь 1 м2 при разности температур в 1о, Вт/м·град. При нормальном давлении теплопроводность можно определить по следующей формуле
λ = |
156,6 |
(1 − 0,00047T ), |
(2.45) |
|
|
||||
|
ρ |
293 |
|
|
|
|
|
|
|
где ρ293 – плотность нефтепродукта, кг/м3, при температуре t, °C.
В пределах температур от 0 до 50 ° С теплопроводность топлив изме- няется от 0,124 до 0,114 Вт/м·К, т.е. с увеличением температур значения λ уменьшается. Теплопроводность вещества зависит также от его химического состава, влажности, давления.
121
СПГУАП группа 4736 https://new.guap.ru
Коэффициент теплообмена α – количество тепла, передаваемое в единицу времени единице площади поверхности нагрева (или от единицы площади к нагреваемому потоку) при разности температур поверхности потока в 1о, Вт/м2 К. Этот коэффициент представляет собой сумму коэф- фициентов теплопроводности, конвекции и излучения.
7. Технические характеристики
Нефть и нефтепродукты – хорошие диэлектрики и способны сохра- нять электрические заряды в течение длительного времени. Значение от- носительной диэлектрической постоянной ε ~ 2, что в 3,5 раза меньше та- кого изолятора, как стекло (ε = 7). У безводных, чистых нефтепродуктов электропроводность совершенно ничтожна. Это свойство широко исполь- зуется на практике. Так твердые парафины применяются в электромехани- ческой промышленности в качестве изолятора, специальные нефтяные масла для заливки трансформаторов конденсаторов и другой аппаратуры в электро- и радиопромышленности.
Высокие диэлектрические свойства нефтепродуктов способствуют накоплению на их поверхности зарядов статического электричества. Обра- зование статического электричества может произойти от ряда самых разно- образных причин. При перекачке нефтепродуктов с большей скоростью в результате трения о трубы или в результате ударов жидкой струи при за- полнении емкостей возникают заряды иногда очень высокого напряжения.
Для предупреждения возникновения опасных искровых разрядов с поверхности нефти и нефтепродуктов, оборудования, а также с тела чело- века необходимо предусматривать меры, уменьшающие величину заряда и обеспечивающие стекание возникающего заряда статистического электри- чества.
Для снижения интенсивности накапливания электрических зарядов нефтепродукты должны закачиваться в резервуары, цистерны, тару без разбрызгивания, распыления или бурного перемешивания. В резервуары нефтепродукты должны поступать ниже уровня находящегося в нем ос- татка нефтепродукта. Налив светлых нефтепродуктов свободно падающей струей не допускается. Расстояние от конца загрузочной трубы до конца приемного сосуда не должно превышать 200 мм, а если это невозможно, то струя должна быть направлена вдоль стенки. Скорости движения нефте- продуктов по трубопроводам не должны превышать предельно допусти- мых значений, которые зависят от вида проводимых операций, свойств
122
СПГУАП группа 4736 https://new.guap.ru
нефтепродуктов, содержания и размера нерастворимых примесей и свойств материала стенок трубопровода. При заполнении порожнего ре- зервуара нефтепродукты должны подаваться в него со скоростью не более 1 м/с до момента затопления конца приемно-раздаточного патрубка.
Для обеспечения стекания возникшего электрического заряда все металлические части аппаратуры, насосов и трубопроводных коммуника- ций заземляются. Автоцистерны, находящиеся под наливом и сливом по- жароопасных нефтепродуктов, в течение всего времени заполнения и опо- рожнения должны быть присоединены к заземляющим устройствам.
Взрываемость – свойства паров, находящихся в определенных про- порциях с воздухом, взрываться. В характеристиках нефтепродуктов обычно дают интервал взрываемости с нижним и верхним пределами
взрываемости (Vпаров/Vвоздуха), %; |
бензин – 0,8 – 5,1, керосин – 1,4 – 7,5; |
пропан – 2,1 – 9,5; метан – 5 – 16; |
этилен – 3 – 3,2. |
При концентрации паров меньше нижнего предела смесь не взрыва- ется и не горит. При концентрации паров выше верхнего предела смесь го- рит и по мере уменьшения концентрации, вследствие выгорания углеводо- родов, возможен взрыв.
Релаксация – потеря упругих свойств масел и смазок под действием нагрузки во времени.
Старение масла – изменение вязкости и других свойств в процессе эксплуатации.
Стабильность – способность вещества сохранять свой состав и ос- новные свойства в условиях его транспорта, хранения и потребления.
Регенеративностъ – способность продукта к восстановлению ис- ходных свойств и качеств.
Токсичность – способность вещества вызывать отравление человека (животного). Наиболее токсичным является оксид углерода, значительное количество которого имеется в искусственных газах. Оксид углерода пре- пятствует усвоению кислорода эритроцитами. Углекислый газ ядовит, в малых концентрациях раздражает дыхательный центр, a в больших – ухудшает его состояние. Сильное вредное воздействие оказывают серово- дород, оксиды серы и азота (табл. 2.8). Метан и другие углеводородные га- зы неядовиты, но вдыхание их вызывает головокружение, а значительное содержание в воздухе приводит к удушью из-за недостатка кислорода.
Действующие санитарные нормы допускают содержание в воздухе производственных помещений, к которым относятся и котельные, сле- дующих предельно-допустимых концентраций (ПДК) вредных примесей,
123
СПГУАП группа 4736 https://new.guap.ru
мг/л: оксид углерода – 0,02, сероводород – 0,01, сернистый газ – 0,01; ок- сид азота (в пересчете на NO2) – 0,005. Особенно токсичны этилированные продукты и пары сернистых нефтей. Предельно допустимые концентрации паров нефтепродукта в воздухе, г/м3: бензин – 0,1 – 0,3; лигроин – 0,3; тет- раэтилсвинец – 0,000005.
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 2.8 |
|
Физиологическое воздействие газов на организм человека |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
||
Газ |
|
Содержание |
|
Длительность и характер |
|||
|
|
|
|
|
воздействия |
||
|
|
об. % |
мг/л |
|
|
||
Оксид углерода |
|
0,1 |
1,25 |
Через 1 ч головная боль, тошнота, не- |
|||
|
|
домогание |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
||
|
|
0,5 |
6,25 |
Через 20 – 30 |
мин смертельное отравле- |
||
|
|
ние |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1,0 |
12,50 |
Через 1 – 2 |
мин очень сильное или |
||
|
|
смертельное отравление |
|
||||
|
|
|
|
|
|||
Сероводород |
|
0,01 – 0,015 |
0,15 – 0,23 |
Через несколько часов легкое отрав- |
|||
|
|
ление |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,02 |
0,31 |
Через 5 – 8 мин сильное раздражение |
|||
|
|
глаз, носа, горла |
|
||||
|
|
|
|
|
|||
|
|
0,1 – 0,34 |
1,54 – 4,62 |
Быстрое смертельное отравление |
|||
|
|
|
|
|
|
||
Сернистый |
|
0,001 – 0,002 |
0,029 – 0,058 |
При |
длительном воздействии раз- |
||
|
|
|
|
дражение горла и кашель |
|
||
|
|
0,05 |
1,46 |
Кратковременное воздействие опас- |
|||
|
|
но для жизни |
|
||||
|
|
|
|
|
|||
Оксидыазота |
|
0,006 |
0,29 |
При |
кратковременном |
воздействии |
|
|
|
раздражение горла |
|
||||
|
|
|
|
|
|||
|
|
0,010 |
0,48 |
Продолжительное воздействие опас- |
|||
|
|
но для жизни |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
||
|
|
0,025 |
1,20 |
При |
кратковременном |
воздействии |
|
|
|
смертельное отравление |
|
||||
|
|
|
|
|
|||
Одоризованностъ – насыщенность топлива сильно пахнущим веще- ством (одорантом) для возможности обнаружения его в воздухе по запаху. Наиболее часто в качестве одоранта применяют этилмеркаптан (С2Н6SH). По действующим нормам содержание одоранта должно быть таким, чтобы запах его ощущался при наличии в воздухе 20 % нижнего воспламенения (для природных газов 1 %).
Технические характеристики нефтей и нефтепродуктов не следует путать с эксплуатационными свойствами, под которыми понимаются свой- ства топлив, смазочных материалов и технических жидкостей, которые проявляются при использовании продукта непосредственно в двигателе, механизмах или системах (бензосистеме, маслосистеме, гидросистеме).
124
СПГУАП группа 4736 https://new.guap.ru
МАТЕРИАЛЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ПРОЦЕССЕ ОБУЧЕНИЯ И КОНТРОЛЯ
План лекций
1.Классификация и физико-химические свойства нефтей и нефте- продуктов.
2.Фракционный состав:
∙понятие фракции;
∙методы фракционной разгонки. 3. Плотность и молекулярная масса:
∙понятие плотности и относительной плотности;
∙пересчет плотности;
∙плотность газа;
∙методы определения плотности.
4. Давление насыщенных паров:
∙понятие давления насыщенных паров;
∙константы равновесия;
∙методы определения давления насыщенных паров. 5. Вязкость:
∙понятие вязкости;
∙псевдопластичные жидкости;
∙дилатантные жидкости;
∙динамическая, кинематическая и удельная вязкость. 6. Теплофизические свойства нефти и нефтепродуктов:
∙теплота конденсации;
∙теплота плавления;
∙температура застывания;
∙теплопроводность;
∙коэффициент теплопроводности.
7. Технические характеристики.
Вопросы для предварительного контроля
1.Классификация и физико-химические свойства нефтей и нефте- продуктов.
2.Условное деление товарных нефтепродуктов.
125
СПГУАП группа 4736 https://new.guap.ru
3.Как определяется фракционный состав нефтяной смеси?
4.Вязкость, единицы измерения динамической, кинематической и условной вязкости.
5.Давление насыщенных паров, единицы измерения.
6.Коэффициент теплопередачи.
Лабораторная работа №1
Определение вязкостно-температурной зависимости нефтепродуктов
Вязкость
Обычно вязкостью или внутренним трением называют свойство жидкости сопротивляться взаимному перемещению ее частиц, вызываемо- му действием приложенной к жидкости силы. Одна и та же сила создает в различных жидкостях разные скорости перемещения слоев, отстоящих один от другого на одинаковых расстояниях.
Впервые наличие внутреннего трения между слоями жидкости было отмечено И. Ньютоном, высказавшим в 1687 г. гипотезу о том, что «...сопро- тивление, которое возникает из-за недостаточного проскальзывания частиц жидкости, при прочих равных условиях пропорционально скорости, с кото- рой частицы жидкости перемещаются друг относительно друга».
Сила трения между слоями жидкости прямо пропорциональна гра- диенту скорости (скорости сдвига) dυ = dx , площади трущихся слоев F и динамической (абсолютной) вязкости η.
T = ηF |
dυ |
= ηγ. |
(2.46) |
||||
|
|
||||||
|
|
|
dx |
|
|||
Касательное напряжение между слоями |
|
||||||
σ = |
T |
= η |
d υ |
= ηγ. |
(2.47) |
||
|
|
||||||
|
F |
|
dx |
|
|||
Величина η характеризует сопротивляемость жидкости сдвигу.
Всистеме СИ динамическая вязкость выражается в Н·с/м2 или Па·с.
Всистеме СGS за единицу динамической вязкости принимается пуаз (П), равный 1 г·см -1 с –1 .
1Па·с = 0,102 кгс·с/м2 = 10 П.
126
СПГУАП группа 4736 https://new.guap.ru
Жидкости, подчиняющиеся закону (2.47), называются ньютоновски- ми. Вязкость таких жидкостей зависит только от температуры и давления и не зависит от скорости сдвига.
Ньютоновское поведение присуще жидкостям, в которых вязкая диссипация энергии обусловлена столкновением небольших молекул. Все газы, жидкости (в том числе и нефтепродукты) и растворы с небольшой молекулярной массой относятся к ньютоновским жидкостям.
График зависимости между напряжением и скоростью сдвига, назы- ваемой «кривой течения», для ньютоновских жидкостей представляет прямую линию с тангенсом угла наклона η (рис. 2.2, кривая а), и эта един- ственная постоянная полностью характеризует жидкость.
Для расчетов часто применяют кинематическую вязкость
ν = |
η |
, |
(2.48) |
|
ρ |
|
|
где ρ – плотность жидкости, кг/м3.
Всистеме СИ кинематическая вязкость выражается в м2/с.
Всистеме СGS за единицу кинематической вязкости принят стокс
(Ст). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 Ст = 1см2/с = 10-4 м2/с. |
|
σ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
в |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Сотая часть стокса называ- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
ется сантистоксом (сСт). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
б |
|
|
|||||
1 м2/с = 1ּ104 Ст = 1 106 сСт |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
С увеличением температу- |
|
|
|
|
|
|
|
а |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
ры |
вязкость |
нефтепродуктов |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
уменьшается. Связь между вели- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
чиной кинематической вязкости и |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
температурой может быть описа- |
|
|
|
arctg η |
|
|
|
|
|
|
|
||||
на формулой Рейнольдса |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
ν = ν0е |
−и(t −t0 ) |
(2.49) |
|
Рис. 2.2. График зависимости |
||||||||||
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
между напряжением и скоростью сдвига |
||||||||||
|
или формулой Вальтера |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
lg lg(ν + 0,8) = A − B lg(t + 273, 2), |
(2.50) |
|||||||||||
где |
ν и ν0 – кинематическая вязкость при температуре t и t0; |
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
u – показатель крутизны вискограммы, град-1 (величина, постоянная |
||||||||||||||
для данного нефтепродукта); |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
и, А, В – |
постоянные, определяемые по двум экспериментально най- |
|||||||||||||
денным значениям вязкости исследуемого нефтепродукта.
127
СПГУАП группа 4736 https://new.guap.ru
(2.50) применима для вязкости, большей 0,2 сСт. Следует отметить, что некоторые нефти и нефтепродукты при определенных условиях не следуют (2.47), т.е. не являются ньютоновскими жидкостями. Вязкость та- ких жидкостей изменяется в зависимости от скорости сдвига (рис. 2.2, кри- вые б, в). Это связано с выделением кристаллов парафина и образованием структурной решетки.
Одна и та же нефть в области высоких температур может быть нью- тоновской, а в области низких температур – неньютоновской.
Определение кинематической вязкости в капиллярных вискозиметрах
Приборы для определения вязкости называются вискозиметрами. Чаще всего для определения кинематической вязкости используются стек- лянные вискозиметры, в которых испытуемая жидкость протекает через капиллярные трубки определенного диаметра. Отмечая время протекания жидкости через капилляр, можно подсчитать величину ее вязкости.
Рассмотрим отрезок АВ цилиндрической трубки радиуса R, имею- щий длину L (рис. 2.3).
|
|
|
d υ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dr |
|
P1 |
|
A |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
v(r)
2r
R |
|
|
|
L |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
P2 |
B |
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 2.3. Изменение вязкости
боковую поверхность цилиндра.
В сечении А давление жидкости постоянно и равно Р1, а в сечении В – Р2. Разность давлений между А и В, заставляющую жид- кость течь по трубке, обозначим че- рез Р
P = P − P .
1 2
Сделаем предположение, что поток жидкости в трубке ламинар- ный и каждая частица жидкости движется с постоянной скоростью.
Выделим в жидкости цилиндр длиной L и радиусом r.
В направлении оси на цилиндр действуют силы Р1пr2 и Р2пr2, при- ложенные к сечениям А и В, и каса- тельная сила 2πrLσ, действующая на
Из условия равновесия сил, приложенных к цилиндру, получим
128
СПГУАП группа 4736 https://new.guap.ru
|
|
s = |
|
P − P |
× |
|
r |
|
|
|
|||||||||
|
|
1 |
|
2 |
|
|
|
. |
|
|
(2.51) |
||||||||
|
|
|
|
|
L |
|
|
2 |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Т.к. скорость v уменьшается с увеличением радиуса r, закон тре- |
|||||||||||||||||||
ния Ньютона (2.47) запишется в виде |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
s = -h |
d υ |
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.52) |
|||||
dr |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
отсюда найдем |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
d υ |
= - |
|
|
P − P |
|
× |
|
r |
|
|
|
|||||||
|
|
|
1 |
|
2 |
|
|
|
. |
|
|
(2.53) |
|||||||
|
dr |
|
hL |
|
|
|
2 |
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Постоянная интегрирования С определяется из условия прилипа- |
|||||||||||||||||||
ния жидкости к стенке трубы, т.е. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
u(r) = - |
|
|
P - P |
|
|
× (C - |
r2 |
|
|||||||||||
|
1 |
2 |
|
|
|
) , |
|
||||||||||||
hL |
|
|
|
|
4 |
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
отсюда С = R2/4, следовательно, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
u(r) = - |
|
P − P |
|
× (R2 - r 2 ) , |
|
||||||||||||||
|
1 |
|
2 |
|
|
(2.54) |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
4hL |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таким образом, имеет место параболическое распределение ско- ростей по радиусу трубы. Расход жидкости через трубку равен
R
Q = 2p∫ urdr
0
или после интегрирования
Q = pR4 (P - P ) .
8Lh 1 2
(2.55)
(2.56)
Закон, выражаемый (2.56), впервые был выведен Г. Хагеном и вско- ре повторно найден Ж. Пуазейлем.
Для стационарного потока объем жидкости V, протекающей через капилляр (трубку) за время τ, равен
V = |
pR4 |
× Pt. |
(2.57) |
|
8Lh |
||||
|
|
|
При определении вязкости жидкость протекает через капилляр под давлением собственного веса, которое можно подсчитать, зная высоту столба жидкости h и ее плотность ρ; т.к.
129
СПГУАП группа 4736 https://new.guap.ru
P = ρgh , |
(2.58) |
где g – ускорение силы тяжести (для Москвы g = 9,815 м/с2),
то выражение для определения динамической вязкости будет иметь вид
h = |
pR4 |
(2.59) |
× ghrt . |
8LV
Учитывая, что величины h, R, L и V имеют постоянное значение для данного вискозиметра, можно обозначить
|
pR4 gh |
|
|||
|
|
|
|
= k |
|
|
8LV |
|
|
||
|
|
|
|
||
и тогда |
|
|
|
||
|
η = kρτ |
(2.60) |
|||
или |
|
|
|
||
k = |
η |
= ν . |
|
||
rt |
|
||||
|
|
|
t |
|
|
Величина k называется постоянной вискозиметра. Она не зависит от температуры, а зависит только от геометрических размеров вискозиметра.
Для определения постоянной вискозиметра пользуются эталонными жидкостями с известной кинематической вязкостью νэ. Замеряя на данном вискозиметре время истечения эталонной жидкости τэ, подсчитывают по-
стоянную вискозиметра, сСт/с,
k = νtэ .
На каждом вискозиметре имеются обозначения: тип стекла, номер, диаметр капилляра и дата изготовления. Кроме того, вискозиметр снабжа- ется паспортом, в котором указана его постоянная. Однако при наличии эталонной жидкости новые вискозиметры, а также вискозиметры, находя- щиеся давно в работе, желательно подвергать проверочной калибровке.
В зависимости от прозрачности нефтепродукта и уровня его вязкости по ГОСТ 33-66 следует применять вискозиметры указанных ниже конст- рукций:
·для измерения вязкости прозрачных жидкостей при температурах выше нуля – вискозиметр ВПЖ-1 (рис. 2.4);
·для измерения вязкости прозрачных жидкостей при любых тем- пературах – вискозиметры ВПЖ-2 (рис. 2.5) и типа Пинкевича (рис. 2.6);
·для измерения вязкости непрозрачных жидкостей — вискозиметр ВНЖ (рис. 2.7).
130