Pr2

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Инженерная школа природных ресурсов

Направление 21.03.01 Нефтегазовое дело

Отделение нефтегазового дела

Специализация – Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений

ОТЧЕТ

по практической работе № 2

Определение компонентного состава газов

Вариант - 5

по дисциплине: Химия нефти и газа

Студент,

группы О-2Б11 В.Д. Бочкарев

(подпись, дата)

Преподаватель

к.т.н., доцент ОНД ИШПР С.Н. Джалилова

_______________

оценка

Томск – 2023

Цель работы: определение компонентного состава газов методом хроматографии, плотности, относительной плотности смеси, вклад каждого компонента смеси. Изучение устройства типового хроматографа. Зависимость плотности от температуры и коэффициента сжимаемости.

Теоретическая часть.

В настоящее время лидирующее положение при исследовании состава нефти, конденсатов, нефтепродуктов, природных и попутных газов, сжиженного газа получили физико-химические методы анализа, в том числе, хроматография.

Любую разновидность хроматографии можно определить как динамический метод разделения смеси веществ, основанный на многократно повторяющемся процессе перераспределения компонентов между двумя несмешивающимися фазами, одна из которых является неподвижной, а другая – подвижной:

• неподвижная фаза – твердый адсорбент или суспензия адсорбента в жидкости, или жидкость, наносимая на поверхность твердого носителя;

• подвижная фаза – газ или жидкость, протекающие вдоль слоя неподвижной фазы.

Понятие (термин) газовая хроматография объединяет все методические варианты хроматографии, в которых подвижная фаза газообразна. К газожидкостной (распределительной) хроматографии (ГЖХ) относятся все методические варианты газовой хроматографии, в которых в качестве неподвижной фазы используется слой жидкости, нанесенный на поверхность твердого носителя (зернистый мелкодисперсный материал или внутренние стенки колонки).

Газоадсорбционная хроматография (ГAX) включает все методические варианты газовой хроматографии, в которых неподвижной фазой является активное дисперсное твердое тело (адсорбент): древесный уголь, силикагель, графитированная сажа и др.

Газовый аналитический хроматограф представляет собой совокупность взаимодействующих систем, предназначенных для проведения анализа в оптимальном режиме хроматографического разделения исследуемой смеси с целью определения ее состава.

Дозирующие устройства. На эффективность разделения влияет величина и способ ввода пробы в хроматограф. При введении пробы необходимо обеспечить идентичность ее состава с анализируемой смесью. Нарушение идентичности может быть вызвано потерей части пробы при введении ее в колонку (например, вследствие испарения), наличием в дозаторе непродуваемых («мертвых») объемов и другими причинами. Для дозирования и ввода газообразных смесей применяют краныдо-заторы. Объем сменных калиброванных петель позволяет вводить пробы от 0,1 до 10 мл. Жидкие пробы вводят в колонку с помощью специальных микрошприцев через термостойкое резиновое уплотнение испарителя. Объем пробы в зависимости от типа детектора колеблется в пределах 0,1–50 мкл.

Хроматографические колонки. Различают три основных типа аналитических колонок – насадочные (набивные), микронасадочные и капиллярные. Эффективность работы насадочных колонок зависит от типа и количества жидкой фазы, размера частиц твердого носителя и метода заполнения колонки. Капиллярные колонки для ГЖХ представляют собой трубки диаметром 0,2–0,5 мм, внутренние стенки которых покрыты тонким слоем жидкой фазы. Длина таких колонок от 10 до 100–200 м. Эффективность капиллярных колонок доходит до 1000 теоретических тарелок на метр длины.

Детекторы. Хроматографический детектор – это устройство, предназначенное для обнаружения и количественного определения выходящих из колонки в потоке газа-носителя компонентов анализируемой смеси. В газовой хроматографии чаще используют дифференциальные детекторы, которые в отличие от интегральных измеряют мгновенную концентрацию компонента в потоке газа-носителя.

Система термостатирования. Хроматографические колонки, детекторы, испарители работают при определенных температурных режимах. Выбранная температура колонки должна поддерживаться постоянной с погрешностью, не превышающей 0,2 °С. Точность поддержания температуры детектора зависит от его типа.

Программирование температуры. Программирование температуры колонки применяется при анализе сложных смесей с широким диапазоном температур кипения (более 100 К). Общее время анализа значительно сокращается по сравнению с работой в изотермическом режиме. Чаще всего используется линейный закон (постоянная скорость повышения температуры) или линейно-ступенчатый режим, при котором участки повышения температуры чередуются с изотермическими ступенями. Система программирования обеспечивает скорости нагрева от 0,5 до 25 ⁰С/мин.

Газ-носитель. Природа газа-носителя оказывает влияние на работу детектора и характеристики колонки. Кроме обеспечения высокой чувствительности детектора, газ-носитель должен быть инертным по отношению к разделяемым веществам и сорбенту, иметь небольшую вязкость для поддержания минимального перепада давления на колонке, быть взрывобезопасным и достаточно дешевым.

Неподвижная фаза. Эффективность хроматографического разделения во многом зависит от выбора неподвижной фазы. Правильный выбор неподвижной фазы, в свою очередь, зависит от природы анализируемого вещества. При выборе стационарной фазы следует учитывать, что неполярные вещества обычно лучше разделяются на неполярных фазах. Сильное влияние на качество разделения оказывают водородные связи, которые возникают между анализируемым веществом и жидкой фазой. На процесс разделения влияют и донорно-акцепторные связи. Таким образом, основным фактором, определяющим качество разделения, является правильный выбор неподвижной фазы.

Расчетная часть

Задача 1. По рассчитанному из хроматограммы объемному (мольному) составу газа, вычислить:

• состав газа в массовых единицах,

• молярную массу смеси газов,

• плотность смеси газов при нормальных и стандартных условиях тремя способами,

• относительную плотность смеси газов при нормальных и стандартных условиях,

• рассчитать и построить температурную зависимость плотности газа, считая его идеальным, при давлении 2 МПа и температурах 0, 10, 20, 40, 50 °С,

• рассчитать и построить температурную зависимость плотности газа, считая его реальным, при давлениях 2 и 20 МПа и температурах 0, 10, 20, 40, 50 °С,*

• сделать вывод по влиянию учета состояния (идеальный, реальный) газа на величину его плотности.

* – Температурные зависимости плотности для идеального и реального газов при давлении 2 МПа построить на одном графике.

Решение.

Таблица 1 – Исходные данные.

Компоненты	Высота пика, h, мм	Ширина пика (на половине высоты), а, мм	Масштаб записи, b
Метан + неугл	160	3	2560
Диоксид углерода	-	-	-
Этан	110	2	128
Пропан	40	3	128
i-Бутан	35	4	64
n-Бутан	70	4	64
i-Пентан	47	6	32
n-Пентан	50	6	32
i-Гексан	15	15	16
n-Гексан	6	17	16

Компонент	Коэффициент чувствительности, Ki
Диоксид углерода	1,77
Метан	2,33
Этан	1,67
Пропан	1,30
i-Бутан	1,03
n-Бутан	1,00
i-Пентан	0,9
n-Пентан	0,8
n-Гексан	0,7

Таблица 2 - Поправочные коэффициенты чувствительности.

Посчитаем необходимые площади по следующим формулам:

Площадь пика ;

Приведенная площадь пика ;

Объемная доля компонента ;

Вычисления проведем в табличном редакторе Excel, результаты занесем в таблицу 3:

Таблица 3 – Таблица для записи результатов обработки хроматограммы.

Компоненты	Высота пика, h, мм	Ширина пика (на половине высоты), а, мм	Масштаб записи, b	Площадь пика, Si, мм2	Коэффициент чувствительности детектора, Ki	Приведенная площадь пика, Si пр , мм2	Объемная доля компонента, vi, %
Метан + неугл	160	3	2560	1228800	2,33	2863104	92,8758873
Диоксид углерода	-	-	-	0	1,77	0	0
Этан	110	2	128	28160	1,67	47027,2	2,12840575
Пропан	40	3	128	15360	1,30	19968	1,16094859
i-Бутан	35	4	64	8960	1,03	9228,8	0,67722001
n-Бутан	70	4	64	17920	1,00	17920	1,35444002
i-Пентан	47	6	32	9024	0,9	8121,6	0,6820573
n-Пентан	50	6	32	9600	0,8	7680	0,72559287
i-Гексан	15	15	16	3600	0,7	2520	0,27209733
n-Гексан	6	17	16	1632	0,7	1142,4	0,12335079
Сумма				1323056		2976712	100

Таблица 4 – Плотность и молекулярная масса газов.

Газ	Плотность, кг/м3, при		Молекулярная масса, г/моль	Молярный объем при н.у., м3/кмоль
	0 °С	20 °С
Метан	0,7172	0,6673	16	22,36
Этан	1,3548	1,2507	30	22,16
Пропан	2,0090	1,8342	44	21,82
i-Бутан	2,6803	2,4176	58	21,75
n-Бутан	2,7010	2,4176	58	21,50
i-Пентан	3,4531	3,0013	72	20,87
n-Пентан	3,4531	3,0013	72	20,87
Гексан	3,7484	3,5848	86	22,42
Гептан	4,4731	4,1680	100	22,42
Диоксид углерода	1,9767	1,8307	44	22,26
Сероводород	1,5358	1,4311	34	22,14
Оксид углерода	1,2499	1,1652	28	22,41
Водород	0,0898	0,0837	2	22,43
Азот	1,2501	1,1654	28	22,40
Гелий	0,1784	0,1664	4	22,42
Аргон	1,7843	1,6618	40	22,39

Рассчитаем с помощью Excel дополнительные необходимые параметры плотности (формулы в столбцах таблицы) и внесем в подготовленную таблицу 5.

Отметим, что относительная плотность смеси рассчитывается по формуле

Таблица 5 – Таблица для записи результатов расчета свойств исследованного газа.

Компоненты	Объемная доля компонента, vi	Молярная масса компонента, Mi, г/моль	Вклад компонента в молярную массу смеси, vi×Mi	Плотность компонента, ρi, кг/м3		Вклад компонента в плотность смеси, vi×ρi, кг/м3		Относительная плотность смеси
				при н.у.	при с.у.	при н.у.	при с.у.	при н.у.	при с.у.
Метан и неуглеводородные компоненты	0,9288	16	14,8601	0,7172	0,6673	0,66611	0,61976
Диоксид углерода	0,0000	44	0,0000	1,9767	1,8307	0,00000	0,00000
Этан	0,0213	30	0,6385	1,3548	1,2507	0,02884	0,02662
Пропан	0,0116	44	0,5108	2,0090	1,8342	0,02332	0,02129
i-Бутан	0,0068	58	0,3928	2,6803	2,4176	0,01815	0,01637
n-Бутан	0,0135	58	0,7856	2,7010	2,4176	0,03658	0,03274
i-Пентан	0,0068	72	0,4911	3,4531	3,0013	0,02355	0,02047
n-Пентан	0,0073	72	0,5224	3,4531	3,0013	0,02506	0,02178
i-Гексан	0,0027	86	0,2340	3,7484	3,5848	0,01020	0,00975
n-Гексан	0,0012	86	0,1061	3,7484	3,5848	0,00462	0,00442
Сумма (свойство смеси)	1	–	18,5414	–	–	0,83643	0,77322	0,64689	0,64167

Рассчитаем остальные свойства смеси по следующим формулам с использованием Excel:

Молекулярная масса ;

Плотность

Запишем полученные свойства в отдельную таблицу 6

Таблица 6 – Свойства исследованного газа

Свойства		Размерность	Значение
Плотность	при н.у.	кг/м3	0,82708
	при с.у.	кг/м3	0,77066
Относительная плотность		–	0,63966
Молекулярная масса		г/моль	18,5414

Для нахождения зависимости плотности от температуры воспользуемся данными таблицы 7 и кривой рисунка 1.

Таблица 7 – Критические параметры газов

Газ	Критические параметры
	Температура, К	Давление, МПа	Плотность, кг/м3
Метан	190,77	4,626	163,5
Этан	306,33	4,871	204,5
Пропан	369,85	4,247	218,5
i-Бутан	408,13	3,647	221,0
n-Бутан	425,16	3,796	226,1
i-Пентан	460,39	3,381	236,0
n-Пентан	469,65	3,369	227,8
Гексан	507,35	3,013	234,0
Гептан	540,00	2,700	-
Диоксид углерода	304,20	7,381	468
Сероводород	373,60	9,007	359
Азот	126,26	3,398	311
Гелий	5,20	0,229	69,2

Рисунок 1 – Зависимость коэффициента сжимаемости углеводородного газа от приведенных псевдокритических давлений и температур.

Рассчитаем псевдокритические температуры и давления для реальной смеси, найдем коэффициент сжимаемости используя Excel по следующим формулам, указанным в столюцах таблицы 8, а также:

Приведенное псевдокритическое давление

Приведенная псевдокритическая температура

Таблица 8 – Таблица для записи результатов расчета коэффициента сверхсжимаемости для реального газа.

Компоненты	Объемная доля компонента, vi	Критическое давление компонента, Pci, МПа	Вклад компонента в Pc смеси, vi× Pci, МПа	Критическая температура компонента,Tci, К	Вклад компонента в Tc смеси,vi× Tci, K	Давление смеси, МПа	Приведенное псевдокритическое давление смеси	Приведенная псевдокритическая температура смеси при температуре газа, 0С
								0	10	20	40	50
Метан и неуглеводородные компоненты	0,9288	4,626	4,29663	190,77	177,187	20	4,36202	1,3	1,4	1,45	1,5	1,6
Диоксид углерода	0,0000	7,381	0,00000	304,20	0,000
Этан	0,0213	4,871	0,10375	306,33	6,525			Коэффициент сверхжимаемости Z
Пропан	0,0116	4,247	0,04927	369,85	4,290
i-Бутан	0,0068	3,647	0,02480	408,13	2,775			0,68	0,74	0,76	0,79	0,83
n-Бутан	0,0135	3,796	0,05125	425,16	5,740
i-Пентан	0,0068	3,381	0,02299	460,39	3,131
n-Пентан	0,0073	3,369	0,02459	469,65	3,428
i-Гексан	0,0027	3,013	0,00814	507,35	1,370
n-Гексан	0,0012	3,013	0,00362	507,35	0,609
Сумма (свойство смеси)	1	–	4,58503	–	205,055