Сборник задач по химии и технологии нефти и газа Новополоцк 2001 Глава 1

Задачи

1.11 Нефть находится в резервуаре при температуре 12°С. Определить ее плотность (относительную) в данных условиях, если .

1.12 При перекачке нефти по нефтепроводу ее температура изменяется от 8 до 15°С. Найти относительную плотность нефти в начальной и конечной точках транспортировки, если ее .

1.13 Нефть закачали в резервуар при температуре 15°С; плотность, определенная нефтеденсиметром, составила 0,845. На следующий день температура нефти поднялась до 25°С. Определить ее плотность при этой температуре.

1.14 Дизельная фракция 180-230°С на выходе из холодильника атмосферно-вакуумной трубчатки (установка АВТ) имеет температуру 30°С. Найти ее относительную плотность при этой температуре, если .

1.15 Самотлорская нефть имеет плотность при 20°С 852,5 кг/м³. Определить ее относительную плотность .

1.16 Плотность керосинового дистиллята (фракция 120-230°С) при температуре 27°С равна 805 кг/м³. Найти.

1.17 Бензиновая фракция () нагревается в теплообменнике от 30 до 52°С. Определить изменение относительной плотности этой фракции.

1.18 В топливный бак автомобиля залили при температуре 5°С 30 л бензина А-76 (). Определить массу заправленного в этих условиях бензина.

1.19 Средняя молярная температура кипения легкой нефтяной фракции равна 97°С, характеризующий фактор  12,3. Определить ее относительную плотность .

1.20 Температура 50%-го отгона нефтепродукта равна 145°С. Найти его , если К=11,3.

1.21 Мазут выходит из колонны К-2 атмосферной трубчатки (установка АТ) с температурой 330°С. Определить его плотность при этой температуре, если известны и К=10,1.

1.22 Дизельная фракция (, К=11,3) нагревается в промежуточном теплообменнике до 210°С. Найти ее плотность при этой температуре.

1.23 Для проведения испытаний приготовили пробу бензина, состоящего из 5 кг прямогонной бензиновой фракции () и 15 кг бензина каталитического крекинга (). Определить относительную плотность () полученной смеси.

1.24 Для получения товарного масла смешивают две масляные фракции в соотношении 1:3 (по объему). Их относительные плотности () равны соответственно 0,8793 и 0,8576. Найти смеси.

1.25 Найти молярные массы прямогонных бензиновых фракций, если их средние температуры кипения t_ср.м равны 115°С и 132°С.

1.26 Компонент дизельного топлива имеет среднюю молярную температуру кипения 274°С, его характеризующий фактор 10,8. Рассчитать молярную массу компонента.

1.27 Бензин-растворитель БР-1 "Галоша" характеризуется t_ср.м=97°С и К=12,5. Какова его молярная масса?

1.28 Плотность авиакеросина при 20°С составляет 776 кг/м³. Определить его среднюю молярную массу.

1.29 Для летнего дизельного топлива . Какова его молярная масса?

1.30 Эталонная смесь приготовлена из изо-октана и н-гептана, взятых в отношении 9:1 по массам. Найти среднюю молярную массу смеси.

1.31 Проба товарного бензина состоит из следующих компонентов:

где  давление насыщенных паров при температуре Т, Па; Т₀ – средняя температура кипения фракции при атмосферном давлении, К.

Функция температур f(T) и f(T₀) выражается уравнением

Значения функции при различных температурах даны в прил.4.

Формула Ашворта дает достаточно хорошие результаты, однако применима только при атмосферном давлении.
Пример 1.7 Определить давление насыщенных паров узкой бензиновой фракции при 150°С, если средняя температура кипения этой фракции составляет 95°С.

Решение. Для подсчета давления насыщенных паров воспользуемся формулой Ашворта (1.5).

Определим вначале по прил.4 значение функции f(T) и f(T₀) для температур 150°С и 95°С, причем для температуры 95°С с помощью интерполяции: f(T)=4,48 и f(T₀)=5,73.

Найденные значения подставляем в формулу (1.5):

По таблицам антилогарифмов или с помощью микрокалькулятора определяем:

Решение. На графике Кокса (прил. 5) находим точку с координатами 10⁵ Па и 127°С (400 К). Из найденной точки проводим равноудаленную от двух соседних лучей прямую до пересечения с вертикалью, соответствующей давлению 210⁵ Па. Из полученной точки проводим горизонталь, параллельную оси абсцисс, до пересечения с осью ординат, на которой получим точку, соответствующую температуре 151°С (424 К). Эта температура и является температурой кипения фракции при давлении 210⁵ Па.

Решение. Воспользуемся номограммой прил. 6. На правой шкале отметим остаточное давление 133,3 Па (1 мм рт.ст.), на левой – температуры начала и конца кипения фракции при данном давлении. Тогда на средней шкале получим точки, соответствующие температурам кипения при атмосферном давлении: 400°С и 420°С.

Таким образом, искомая фракция выкипает в пределах 400-420°С при атмосферном давлении.
Критические и приведенные параметры. При определенных значениях температуры и давления двухфазная система (жидкость – пар) может переходить в однофазную (пар), которая характеризует критическое состояние вещества. Температуру и давление, соответствующие этому состоянию, называют критическими. Для многих индивидуальных углеводородов они известны и приведены в различных литературных источниках [4, 5].

Приближенно критические параметры нефтяных фракций определяют с помощью графика (рис.1.2) по известным молярным массам, средним температурам кипения и относительной плотности.

Константы а и k_p, входящие в уравнения (1.6) и 1.7), рассчитываются по формулам:

где t₁₀, t₇₀ – температуры отгона 10 и 70% нефтепродукта по ГОСТ 2177-82, °С.

Константа k_p имеет численные значения для парафиновых углеводородов 5,0-5,3; нафтеновых 6,0; ароматических 6,5-7,0; нефтепродуктов прямой перегонки 6,3-6,4 [2].

При определении константы а вместо средней молярной температуры кипения нефтяной фракции приближенно можно взять температуру ее 5-%-го отгона. Последняя также входит в упрощенную формулу подсчета критической температуры [1]:

При расчете тепловых и некоторых других свойств нефтепродуктов применяют так называемые приведенные температуру и давление.

Приведенная температура (Т_пр) представляет отношение температуры нефтепродукта (Т, К) в заданных условиях его критической температуре (Т_кр, К):

Т_пр=Т/Т_кр. (1.8)

Приведенное давление (_пр) – это отношение давления в системе (, Па), в которой находится нефтепродукт, к его критическому давлению (_кр, Па):

_пр=/_кр. (1.9)
Пример 1.10 Керосиновый дистиллят самотлорской нефти имеет фракционный состав: 10% - 132°С, 50% - 180°С, 70% - 203°С. Его плотность , молярная масса М=156 кг/кмоль. Рассчитать критические температуру и давление дистиллята.

Решение. Критическую температуру находим по формуле (1.6), предварительно подсчитав и константу а.

Примем вместо Т_ср.м температуру 50%-го отгона, выразив ее в кельвинах. Тогда а=(1,8453-359)0,7984=364,4 и Т_кр=355+0,97364,4-0,00049364,4²=643,4 К. Критическое давление найдем по формуле (1.7), определив вначале константу k_p.

Решение. Найдем вначале по графику (см. рис.1.2) критические параметры бензиновой фракции

По формулам (1.8) и (1.9) определим приведенные параметры:

где – молярная доля i-го компонента в жидкой и паровой фазе; – давление насыщенных паров i-го компонента, Па; р – общее давление в системе, Па; – константа фазового равновесия.

Большие давления и низкие температуры вызывают более или менее значительное отклонение от идеального состояния, и в расчетные формулы необходимо вводить поправки. В этих случаях выражение для константы фазового равновесия (1.10) можно записать в виде

или

Здесь величины и представляют собой фугитивность жидкости и ее паров. Фугитивность измеряется в тех же единицах, что и давление, и заменяет его в уравнениях идеального состояния. Это позволяет использовать последние для реальных газов и жидкостей.

В общем случае фугитивность является функцией приведенных температуры и давления. Для практических целей фугитивность находят по графикам [1, 2, 6, 7], один из которых приведен на рис.1.3.

Рисунок 1.3 – График для определения коэффициента фугитивности (сжимаемости) нефтепродуктов

Ось ординат этого графика представляет собой отношение фугитивности к реальному давлению:

Безразмерная величина z носит название коэффициента фугитивности. Иногда его называют коэффициентом сжимаемости [7]. Хотя коэффициент сжимаемости имеет несколько иной физический смысл, при проведении приближенных расчетов можно допустить равенство названных коэффициентов.

Решение. Определим приведенные температуру и давление:

По графику (см. рис.1.3) находим коэффициент сжимаемости z=0,57. По формуле (1.11) фугитивность равна f=zp=1,43 МПа.

Решение. Найдем фугитивность для паровой фазы н-пентана. Приведенные параметры

По графику (см. рис.1.3) определим z=0,76 и f^п=0,761,2=0,91 МПа.

Жидкая фаза находится при той же температуре, но под давлением собственных насыщенных паров р_н, которое определим по графику Кокса (прил.5): р_н=0,8 МПа. Приведенное давление в этом случае

Коэффициент сжимаемости для жидкой фазы (см. рис.1.3) z=0,81, фугитивность жидкой фазы f^ж=0,810,8=0,65 МПа. Константа фазового равновесия определится как отношение фугитивностей

Кроме рассмотренного способа, константу фазового равновесия можно находить по номограммам (прил.7, 8).