книги из ГПНТБ / Большаков Г.Ф. Восстановление и контроль качества нефтепродуктов

где g — ускорение силы тяжести, м/сек2; М п, М в — молекулярные веса соответственно пара и воздуха; Т и Тв — температуры соот­ ветственно поверхности испарения и воздуха, °К.

Наибольшей концентрация паров будет в пограничном, сравни­ тельно тонком слое б (рис. 2). После пограничного слоя концентра­ ция паров с увеличением расстояния от поверхности испарения уменьшается.

Процессы испарения топлив обусловлены не только разностью концентраций паров, но и температурными эффектами, которые

Концентрация пара с

Рис. 2. Концентрационные и температурные поля около поверхности испарения топлива.

всегда сопутствуют диффузии паров в окружающее пространство. Возможны три случая температурного поля при испарении топ­ лива [24]. В первом температура топлива ниже температуры окру­ жающей среды < tB); температурное поле показано на рис. 2 (кривая 1). Необходимое для испарения тепло берется из окружа­ ющего пространства, и испарение происходит в адиабатических условиях. Такое испарение встречается, например, при откачке нефтепродуктов из подземного резервуара летом. Во втором случае температура окружающей среды ниже температуры топлива (£ > /> Q ; поток тепла направлен от топлива в окружающую среду, и температурное поле описывается кривой 2 на рис. 2. В третьем случае температуры топлива и внешней среды равны (£[" = tB')\ температурное поле подчиняется прямолинейному закону (рис. 2, прямая 3), испарение протекает в изотермических условиях, а тепло­ вой поток отсутствует, происходит только молекулярная диффузия.

Поскольку молекулярный вес нефтепродуктов больше молеку­ лярного веса воздуха, то вышеприведенным трем случаям будут соответствовать процессы испаре­ ния, показанные на рис. 3. Из рисунка видно, что процессы ис­ парения будут протекать более интенсивно во втором случае, что существенно важно для практики.

Скорость испарения в дина­ мических условиях с поверхно­ сти, когда воздух движется па­ раллельно ей, выражается .урав­ нением

Коэффициент испарения ßc за­ висит от физических свойств жид­ кости и аэродинамических усло­ вий испарения. Он связан с кри­ терием Нуссельта

Поскольку в процессах испарения критерий Прандтля близок к единице, а т — 0,30 — 0,44, то скорость испарения в этом случае

18

где Н — ширина пути смешения, перпендикулярная к движению воздуха, м; Тт — температура пограничного слоя, °К.

После обозначения

Мы рассмотрели испарение жидкостей в динамических условиях с плоских поверхностей. Между тем в практике часто имеет место испарение нефтепродуктов в виде капель в движущемся потоке, например при наливе в резервуары, цистерны и др.

Испарение капель нефтепродуктов в условиях вынужденной кон­ векции существенно отличается от испарения капель в статических

X — коэффициент теплопроводности, ккал/(м2-сек); Q — скрытая теплота испарения при температуре поверхности капли Ts, ккал/кг;

тепла, проходящего через пленку вокруг испаряющейся капли и достигающего ее поверхности; pf — давление в окружающей среде; Nuq — тепловое число Нуссельта; Num — диффузионное число Нуссельта; р' — логарифм среднего давления недиффундирующего газа в неподвижном слое; Ср — теплоемкость диффундирующего пара, ккал/(м3сек).

19

Если скорость движущегося воздуха направлена по касательной к каплям, то теплообмен капли с внешней средой при Re > 2 0 0 описывается так:

ду каплей и воздухом, м/сек; р0 — плотность внешней среды, кг/м3; ц0 — динамическая вязкость внешней среды, спз; — теплопро­ водность внешней среды, ккал/(кг• град); СРо — коэффициент, зави­ сящий от системы измерения.

Рекомендованные скоррелированные данные для диффузионного

где Sc — число Шмидта, равное т](/(Ро^)-

Ошибка в значениях скорости испарения, вычисленных по урав­ нениям (38)—(42), составляет 5—10%. Как следует из вышеприве­ денных данных, на скорость испарения нефтепродуктов влияют их свойства и внешние условия.

Свойства нефтепродуктов, влияющие на скорость испарения

На интенсивность испарения нефтепродуктов оказывают влияние давление насыщенных паров, фракционный состав и средняя тем­ пература кипения, коэффициент диффузии. Меньше влияют на испа­ ряемость теплоемкость, теплопроводность, теплота испарения, по­ верхностное натяжение. Косвенное влияние оказывают вязкость, плотность и другие свойства нефтепродуктов.

Давление насыщенных паров. Для нефтепродуктов, являющихся сложными многокомпонентными жидкостями, давление насыщеных паров зависит от температуры, соотношения жидкой и паровой фаз и состава топлив и масел. При испарении топлив сначала испа­ ряются преимущественно легкие фракции с высоким давлением насыщенных паров. Поэтому давление насыщенного пара топлива всегда выше на 10—20%, чем следовало бы ожидать по закону адди­ тивности.

На рис. 4 показана зависимость давления насыщенных паров нефтепродуктов от температуры. Из рисунка видно, что максималь­ ное давление насыщенных паров имеют, естественно, бензины, кото­ рые характеризуются интенсивным нарастанием давления при тем­ пературах выше 60—80° С. Реактивные топлива по давлению насы­ щенных паров располагаются в соответствии с фракционным соста­ вом: максимальное давление насыщенных паров имеет топливо Т-2, минимальное — Т-5. Дизельные топлива характеризуются меньшим давлением насыщенного пара.

20

3000 мм pm. cm.

Рис. 4. Влияние температуры на давление насыщенных паров нефтепродуктов (средние данные) при соотношении жидкой и паровой фаз 1 : 4.

1 _ б -70; г — Т-2; з — ТС-1; 4 — Т-1; 5 — ДЗ; в — Т-5; 7 — изо-

октан; 8 — топливо с пределами кипения 238—350° С. Сплошная линия — исходные топлива, штрихпунктирная—дегазированные.

Приведенные экспериментальные данные с достаточной точностью подчиняются уравнению

В табл. 6 приведены значения коэффициентов А и Б и темпера­ турные пределы применения формулы (43) для некоторых топлив. Давление насыщенных паров после удаления из топлив газов умень­ шается (рис. 4), поэтому в табл. 6 приведены значения коэффициен­

где ts — температура кипения топлив, °С.

22

Для определения давления насыщенных паров топлив в интер­ вале от —30 до +100° С можно использовать формулу П. А. Рыба­ кова:

где р 38 — давление насыщенного пара при 38° С, мм рт. ст. Соотношение объемов, занимаемых жидкой и паровой фазами,

оказывает существенное влияние на давление насыщенных паров (рис. 5). С увеличением соотношения жидкой и паровой фаз ѴЖІѴП давление насыщенных паров возрастает. За истинное значение

Соотношение жидкой и паровой фаз

Рис. 5. Влияние соотношения жидкой и паровой фаз на давление насыщенных паров топлив.

с понижением температуры и давления, при которых происходит испарение топлива, при низких температурах пары богаче легкими фракциями. Давление насыщенных паров над криволинейной поверх­ ностью несколько выше, чем над плоской. Однако влияние кривизны поверхности испарения на давление насыщенных паров не очень значительно. Например, давление насыщенного пара у поверхности капли диаметром 0,3 мкм на 3% выше, чем над плоской поверх­ ностью.

Фракционный состав и средняя температура кипения. Фракци­ онный состав оказывает существенное влияние на скорость испаре­ ния. Важное значение имеет не только температура начала кипения,

23

но и температура выкипания головных фракций. С облегчением фракционного состава возрастает значение температур выкипания средних и даже концевых фракций. При понижении температур выкипания 10, 50 и 90% скорость испарения увеличивается.

Автомобильные бензины характеризуются близким фракционным составом. Бензины А-72, А-76, АИ-93 и АИ-98 имеют практически одинаковый фракционный состав и, следовательно, скорость испаре­ ния. Автомобильный бензин «Экстра» по фракционному составу приближается к авиационным бензинам Б-100/130, Б-95/130, Б-91/115, Б-70 и БА. Эти бензины имеют также практически одина­ ковый фракционный состав и отличаются от автомобильных бензи­ нов пониженными температурами выкипания средних, концевых фракций и конца кипения (рис. 6).

По сравнению с летними зимние сорта автомобильных бензинов имеют более легкий фракционный состав, что объясняется особен­ ностями их применения. Скорость испарения зимних сортов бензина, особенно в летний период, значительно выше скорости испарения летних сортов. Интересно отметить, что начало кипения и темпера­ тура кипения головных фракций у зимних сортов бензина значи­ тельно ниже, чем у авиационных и летних бензинов. Реактивные топлива по фракционному составу располагаются в следующий возрастающий ряд: ТС-1 (Т-7), Т-1, Т-5 (Т-6). Топливо Т-2 имеет широкий фракционный состав: температура начала 'его кипения лежит в пределах 60—80° С, а конец кипения выше, чем у топлива ТС-1 (реально 250—270° С). Начало кипения дизельных топлив практически совпадает с началом кипения реактивных топлив Т-5 и Т-6, а конец кипения лежит значительно выше. Еще более тяжелый фракционный состав имеют котельные топлива. Склонность их к испарению весьма невелика.

Часто возникает необходимость в определении средней темпера­ туры кипения топлив, как ориентировочной характеристики склон­ ности к испарению. Приближенно эта температура равна темпера­ туре выкипания 50% топлива по стандартному методу. С большей точностью среднюю температуру кипения можно определить по сле­ дующей формуле:

По формуле (47) средняя температура кипения топлива опреде­ ляется с достаточной для практики точностью.

Коэффициент диффузии. Несмотря на то, что коэффициент диф­ фузии входит практически во все уравнения скорости испарения,

.24

°с

Объем Выкипающего нефтепродукта, %

Рис. 6. Фракционный состав некоторых топлив.

25

коэффициенты диффузии нефтепродуктов исследованы недостаточно. Процесс диффузии описывается, как известно, уравнением Фика:

где dG — количество вещества, прошедшее за время dx через поверх­ ность dS, кг; dcldx — градиент концентрации, кг/м4; D — коэф­ фициент диффузии, мѴсек.

Наиболее удовлетворительные результаты получаются при опре­ делении коэффициента диффузии (при 760 мм рт. ст. и 0° С) по фор­ муле [40]:

где т = 1,5 -f- 2,0. В небольшом интервале температур изменение коэффициента диффузии с температурой можно принимать линейным.

В расчетах используют также коэффициент диффузии Dp, отне­ сенный к градиенту давления паров. Коэффициенты диффузии Dp и D связаны между собою уравнением

Если рассматривать диффузию как некоторый активационный процесс, то в этом случае коэффициент диффузии и энергия актива­ ции процесса будут связаны соотношением

уравнения составлена номограмма, с помощью которой можно опре­ делить коэффициенты диффузии «-алканов С5 — С32 с точностью ±2,5 % при температурах от —50 до 300° С и давлениях до 15 кгс/см2 [73].

При одинаковом молекулярном весе наибольшие коэффициенты диффузии имеют арены, а наименьшие — цикланы. Алкановые углеводороды занимают промежуточное положение. Различие в коэф­ фициентах диффузии паров разных углеводородов уменьшается с увеличением молекулярного веса. Коэффициент диффузии умень­ шается с увеличением молекулярного веса углеводородов и значи­ тельно увеличивается при повышении температуры (табл. 7).

26