Свойства нефтей и нефтепродуктов

Лекция №1

Свойства нефтей и нефтепродуктов

Основные физико-химические и термодинамические свойства нефтей

В настоящее время промысловая подготовка нефти и газа представляет сложные физико-химические процессы с применением достижений науки и техники, для управления которыми и выполнения технологических расчетов необходимо иметь основные данные о физико-химических свойствах нефти, ее характеристике и попутных газов.

1 Плотность.

Очень часто нефти одного и того же месторождения имеют разную плотность, что объясняет характер их залегания и фракционный состав. С появлением возможности испарения легких фракций в естественных условиях плотность нефти возрастает. Нефти с парафиновым основанием имеют меньшую плотность, чем с нефтеновым. Наибольшая плотность у нефтей с большим содержанием ароматических углеводородов.

Рекомендуемые материалы

Как и для природного газа плотностью нефти является масса единицы ее объема.

где m – масса жидкости, кг, V – объем жидкости, м³.

Определение плотности смеси при стандратных условиях, если известны составы смеси нефтепродукта определяется по алгоритму аналогичному для природного газа.

Существенно влияет на плотность нефти температура:

где ρ_tи ρ₂₀ – плотность газа при искомой температуре и стандартных условиях, кг/м³, t – температура перекачивания продукта, ⁰С, α – коэффициент объемного расширения, зависящий от температуры нефтепродукта.

2 Молекулярная масса (молекулярный вес).

Одна из основных физико-химических величин, характеризирующих нефть и нефтепродукт.

Молекулярная масса сырой нефти является средней величиной молекулярных масс компонентов смеси. Молекулярная масса возрастает с повышением температуры кипения фракций.

Если известны молекулярные концентрации компонентов, входящие в состав нефтяной смеси, то молекулярную массу находят по уравнению:

где М_і – молекулярная масса і-компонента, х_і – молекулярная концентрация компонента в смеси.

Для определения молекулярной массы пользуются эмпирической формулой Б.П. Воинова:

,

а для нефтепродуктов парафинового ряда:

где t – средняя температура кипения, зависящая от температуры кипения отдельных компонентов нефтяной смеси, а,b,c  - постоянные химической природы рассматриваемых фракций.

Характеризирующий фактор принимают по формуле:

где ρ – плотность нефтепродукта, кг/м³, Т – средняя молекулярная температура кипения нефтепродукта, К.

Средняя молекулярная температура кипения нефтепродукта (⁰С) определяется по формуле:

где m – молекулярная масса компонента нефти, t – температура кипения соответствующего компонента.

3 Вязкость.

Один из главных праметров, характеризирующий газ или жидкость – свойство всякой среды оказывать сопротивление при движении одной ее части относительно другой.

В технологических расчетах оперируют понятиями динамической (измеряется в пуазах) и кинематической вязкостей (отношение динамической вязкости к плотности смеси, измеряется в стоксах (сотая часть – сантистокс)).

Для сравнительной характеристики нефтей отдельных месторождений, скважин или нефтепродуктов применяют понятие условной вязкости по Энглеру – отношения времени истечения определенного объема рассматриваемой жидкости ко времени истечения такого же объема воды (выражается в градусах ⁰ВУ).

С повышением температуры вязкость  жидкости уменьшается, а с повышением давления – увеличивается.

4 Упругость паров

Упругостью паров жидкости называют давления паров данной жидкости, находящихся в равновесии с ней. При двухфазной системе в условиях равновесия не происходит ни конденсации паров в жидкость, ни испарения последней, т.е. при динамическом равновесии число молекул, переходящих в единицу времени из жидкой фазы в паровую, равно числу молекул, перешедших из паровой фазы в жидкую.

С повышением температуры упругость паров повышается и достигает своего максимума, когда содержание паров в единице объема доходит до предельной величины, т.е. при условии насыщенности.

Увеличение числа молекул, стремящихся выйти из связанного состояния, вызывает увеличение числа их ударов об ограничивающие поверхности, что вызывает повышение давления. Это наблюдается, когда жидкость находится в закрытой емкости. Когда нет жидкости, увеличение давления газов с повышением их температуры является следствием объемного расширения. Жидкость закипает, когда упругость паров оказывается равной внешнему давлению. Каждой температуре соответствует определенная упругость паров.

Давление, развиваемое парами нефти, определяют как сумму парциальных давлений отдельных компонентов, входящих в ее состав. Поэтому на практике упругость паров нефти и нефтепродуктов определяют экспериментальным путем по одному из существующих способов:

- статическому;

- динамическому;

- методом изотерм.

Для углеводородных компонентов чаще всего используют формулу Ашворта для определения давления упругости паров:

где

где Т, Т₀ – температура кипения при определенном давлении и атмосферном давлении, ⁰С, Р – упругость насыщенных паров при температуре Т, кгс/см².

- или формулу Кокса:

где t – необходимая температура, ⁰С, А и С – эмпирические константы.

5 Летучесть (фугетивность).

Упругость паров зависит не только от температуры, но и от давления.

Такая корректировка упругости паров на давление в литературе приобрела название фугетивности (летучести). Летучесть характеризирует стремление компонента смеси в зависимости от давления и температуры перейти из одной фазы в другую. Кроме того эта величина характеризирует отклонение поведения реального газа от законов идеального.

Реальные газы по своим свойствам приближаются к идеальным в процессах, происходящих при высоких температурах и очень низких давлениях, близких к вакууму. И, наоборот, с повышением давления и понижением температуры отклонение возрастает, что объясняется тем, что газы и пары стремятся занять как можно больший объем. Если же такой возможности нет, газ стремиться занять меньший объем, что сопровождается повышением давления, отсюда следует, что летучесть как и упругость паров, определяют в единицах давления.

Для компонента жидкой фазы летучесть определим по формуле:

где f^/ - летучесть компонента в жидкой фазе при данном давлении,f₀ – летучесть того же компонента при давлении р_і^/ и определенной температуре насыщенного пара компонента і, V_ж– объем одного моля компонента в жидком состоянии при данной температуре

где М – молекулярная масса компонента, ρ_t – плотность компонента в жидком состоянии при определенной температуре t.

Термодинамические свойства нефти и нефтепродуктов

Основу большинства технологических расчетов нефтезаводской и нефтепромысловой аппаратуры составляют данные о тепловых свойствах нефтей и ее продуктов: теплоемкости, теплосодержании, скрытой теплоте парообразования, теплопроводности, теплоты сгорания и др.

1 Теплоемкость

Теплоемкостью называют отношения количества тепла, поглощенного системой при каком-либо процессе, к соответствующему повышению температуры. Удельной теплоемкостью называют количество тепла (в ккал), необходимое для подогрева 1 кг вещества на 1⁰С. Значение теплоемкостей отдельных нефтей довольно близки между собой. С изменением температуры теплоемкость изменяется, поэтому в практике отличают истинную теплоемкость при данной температуре и среднюю в интервале температур от t₁ до t₂. Зависимость истинной теплоемкости от температуры и плотности описывает формула Крэга:

где с_t – теплоемкость при температуре t в ккал/кг∙⁰С; ρ – плотность нефти или ее продукта при 15⁰С.

Если при нагревании 1 кг нефти от температуры t₁ до t₂ было затрачено q ккал, то теплоемкость:

, ккал/кг∙⁰С.

2 Теплота парообразования

Теплотой парообразования называется количество тепла, которое необходимо сообщить 1 кг жидкости, чтобы превратить ее в пар. При этом часть энергии расходуется на преодоление межмолекульных сил взаимного притяжения в жидкости, а другая – на преодоление работы, совершаемой выделяющимися парами. Теплоту парообразования для углеводородов определяют по правилу Трутона:

где М – молекулярная масса жидкости, l – скрытая теплота парообразования, Т – абсолютная температура кипения жидкости, К – константа Трутона, величина которой для большинства углеводородов и смесей находится в пределах 20-22.

3 Внутренняя энергия. Энтальпия.

Полный запас энергии, заключенной в твердом, жидком или газообразном теле, называется его внутренней энергией, представляющей собой сумму внутренней кинетической энергии и внутренней потенциальной энергии.

Часть внутренней энергии одного тела может быть передана другому, например: от рабочего тела к внешней среде или обратно. Процесс может быть представлен в форме теплоты или в форме работы. Под теплотой понимают энергию, передаваемую от одного тела к другому теплопроводностью, конвекцией и излучением.

Энтальпию (теплопередачу или теплосодержание) выражают уравнением:

u– внутренняя энергия 1 кг вещества, р – давление, V – объем 1 кг вещества.

Энтальпия жидкости может быть определена по эмпирической формуле:

где і  - энтальпия жидкости, ккал/кг, ρ – плотность жидкости при 15⁰С, кг/м³, t – температура, ⁰С.

Для определения энтальпии нефтяных паров используют формулу Воинова:

где t – температура паров, ⁰С, ρ – плотность паров при 15⁰С, кг/м³.

4 Коэффициент теплопроводности.

Коэффициентом теплопроводности называется количество тепла, проходящее за 1 час через слой материала толщиной 1 м, площадью 1 м ² при разности температур по обеим сторонам слоя 1⁰С. Теплопроводность зависит от химической природы вещества и температуры. Для жидких нефтепродуктов этот коэффициент колеблется в пределах 0,09-0,12 ккал/м∙ч∙⁰С.

Если не учитывать природы нефтепродукта, теплопроводность его может быть определена по формуле Гретца

где λ_t – искомая теплоемкость при определенной температуре, ккал/м∙ч∙⁰С, λ₀=0,000311 – коэффициент теплопроводности при 0⁰С, α=0,011 температурный коэффициент.

5 Теплота сгорания.

Для различных нефтей теплота сгорания колеблется в достаточно узком диапазоне от 10400 до 11000 ккал/кг и зависит от плотности, при чем, чем меньше плотность тем выше теплота сгорания.

Различают высшую теплоту сгорания – количество тепла, выделяемое при сгорании 1 кг топлива при наличии в нем воды в жидком состоянии, и низшую – количество тепла, выделяемое при полном сгорании 1 кг топлива, за вычетом тепла на испарение влаги и воды, образующейся при сжигании водорода.

В технологических расчетах для определения теплоты сгорания используют формулу Менделеева:

где Q_в, Q_н – соответственно высшая и низшая теплота сгорания, ккал/кг, С, Н, S, W – процентное содержание углерода, водорода, серы и влаги в топливе соответственно.

6 Взрываемость газов.

Горючие газы и пары нефти и нефтепродуктов с кислородом из воздуха образуют гремучую смесь, взрывающую с большой силой. Горение и взрыв – это по существу одинаковые химические процессы, резко отличающиеся по интенсивности протекающей реакции. При взрыве реакция происходит очень быстро в замкнутом пространстве без доступа воздуха к очагу взрыва.

Сила взрыва максимальна, когда содержание воздуха в смеси приближается к количеству, теоретически достаточному для полного сгорания. Газы и пары нефти взрываются при определенной концентрации, характеризирующейся низшим и высшим пределом:низший предел, когда незначительное уменьшение газа делает смесь невзрывоопасной, высший – когда дальнейшее увеличение концентрации газа делает смесь взрывоопасной (таблица 1).

Таблица 1 – Пределы взрываемости горючих газов