4.2. Объём, удельный объём, масса и плотность нефтепродукта

Объём газов V измеряют в кубических метрах (м³). Вследствие того, что объём газов сильно изменяется при нагревании, охлаждении и сжатии, за его единицу принимают 1 м³ газа при нормальных условиях (t=0⁰C, P=101,3кПа). Именно для указанных условий определяют основные характеристики газов и выполняют теплотехнические расчёты. Т.к. любой газ способен расширяться, следовательно, знание объёма недостаточно для определения его массы (количества). В любом объёме, целиком заполненным газом, его количество (масса) может быть различным.

Масса (т, кг) – мера вещества какого-либо тела (жидкости, газа) в состоянии покоя; величина, характеризующая инерционные и гравитационные свойства тела.

Удельным объёмом называется объём, занимаемый 1 килограммом массы газа, пара или жидкости (м³/кг).

Плотностью ρ называется масса 1 м³ газа, паров, жидкости или твёрдого тела (величина, обратная удельному объёму). Для нефтей и их узких фракций плотность принято выражать абсолютной и относительной величиной.

Абсолютная плотность – масса единицы объема, измеряется в кг/м³ или г/см³ при стандартных условиях (t = 20°С и Р = 101,3 кПа).

Относительная плотность – величина безразмерная, представляет собой отношение плотностей нефтепродукта и воды при определенных температурах:

, (4,1)

где – относительная плотность; – плотность нефтепродукта при температуре t_Н, кг/м³ (г/см³); – плотность воды при температуре t_В, кг/м³ (г/см³).

В России приняты t_Н = 20°С и t_В = 4°С, поэтому относительная плотность обозначается . Численно абсолютная (в г/см³) и относительная плотность в этом случае совпадают, так как плотность воды при 4^оС равна единице.

Для углеводородных и других газов относительную плотность принимают при 20^оС по отношению к плотности воздуха при той же температуре, т.е.:

(4,2)

Зная состав газовой смеси и плотность её компонентов, по правилу смешения можно определить среднюю плотность этой смеси по формуле:

(4,3)

где – плотность углеводородных компонентов газа;

– содержание компонентов, об.%.

Закон Авогадро позволяет определять плотность любого газа при нормальных условиях (0^оС и 101,3 кПа) по его молекулярной массе (глава 2):

(4,4)

и относительную плотность газа по отношению к воздуху:

(4,5)

где ρ – плотность данного газа, кг/м³; М – молекулярная масса газа, кг: V_М – молекулярный объём газа, м³/кмоль; d – относительная плотность по отношению к воздуху – безразмерная величина; 1,293 – плотность воздуха, кг/м³ при нормальных условиях.

Таблица 4.2.1

Некоторые физические параметры углеводородных газов

	Молекулярная масса М, кг/кмоль	Молекулярный объём VМ, м3/кмоль	ρ газовой фазы при 0оС и 101,3 кПа	Относительная ρ газа по воздуху, d
Метан СН4	16,04	22,38	0,717	0,554
Этан С2Н6	30,07	22,174	1,356	1,0487
Пропан С3Н8	44,097	21,997	2,0037	1,555
Н-Бутан С4Н10	58,124	21,50	2,7023	2,0905
I-Бутан С4Н10	58,124	21,743	2,685	2,0634
Н-Пентан С5Н12	72,146	20,87	3,457	2,6736

Рис. 4.2.1. Зависимость плотности нефтепродуктов ρ от температуры t (цифры на кривых – относительная плотность ρ²⁰)

При повышении температуры плотность углеводородов газа, нефти и конденсата снижается. Зависимость плотности (в г/см³) нефти и ее узких фракций от температуры выражается известным линейным уравнением:

(4,6)

где ρ^t и ρ²⁰ – соответственно плотности при искомой температуре t и 20^оС, г/см³; α – температурный коэффициент (находят из таблиц по ГОСТ 3900);

α – линейно зависит от ρ²⁰, и поэтому его проще вычислить по уравнению

(4,7)

Уравнения и справедливы для интервала температур 0–150 °С и ρ²⁰ = 0,7 – 1,0 г/см³ (погрешность составляет 5–8%).

Удобная для пользования графическая зависимость плотности от температуры приведена на рис. 4.2.1.

Лабораторный контроль.

Экспериментально плотность определяют следующими стандартными методами (по ГОСТ 3900).

Закон Архимеда: на погруженное в жидкость тело действует выталкивающая сила, равная весу жидкости в объёме тела.

Метод определения плотности ареометром (гидростатический) заключается в погружении отградуированного на нефтепродукты ареометра в стеклянный цилиндр, заполненный испытуемым нефтепродуктом, и отсчете плотности по нижнему мениску погружения ареометра при данной температуре. Пересчет отсчитанного значения плотности к плотности при 20°С производится по специальным таблицам.

Метод определения плотности пикнометром состоит в том, что заранее отградуированный по объему сосуд (пикнометр) заполняют по этому объему нефтепродуктом и, термостатировав при температуре 20^оС, взвешивают на аналитических весах с погрешностью не более 0,0002 г.

В зависимости от вязкости испытуемых нефтепродуктов (до 75 мм²/с при 50°С и более 75 мм²/с) используют стеклянные пикнометры разных форм и размеров, предусмотренные указанным ГОСТ.

Пикнометрический стандартный метод используют для определения плотности углеводородных (и других) газов (ГОСТ 17310).

Сущность метода состоит в том, что стеклянный пикнометр, точный объем которого известен (определяется по массе дистиллированной воды – водное число) заполняют поочередно сухим воздухом и сухим газом и взвешивают. По разности масс пикнометра с газом и воздухом вычисляют (с вводом поправок по ГОСТ) плотность сухого газа.