Материал: 2482
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 1.4 |
|
Изменение молекулярной массы нефтепродукта от температуры |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Температура, °С |
50–100 |
101–150 |
151–200 |
201–250 |
251–300 |
301–350 |
351–400 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Молекулярная масса, |
90 |
110 |
130 |
155 |
187 |
220 |
|
260 |
кг/кмоль |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Из анализа таблицы 1.4 видно, что легкие фракции с равными интервалами кипения имеют примерно одинаковую молекулярную массу [59]. С повышением температуры кипения фракций увеличивается и разница в молекулярных массах, так как молекулы становятся тяжелее.
Для бензина марки Аи-80 молекулярная масса равна 110 кг/кмоль, для дизельного летнего топлива – 206 кг/кмоль.
Потери нефтепродукта происходят от испарения самых легких фракций, например пентана С5Н12. Его плотность при 20 °С равна 626 кг/м3, температура кипения плюс 36 °С, молекулярная масса 72 кг/кмоль.
Бензин состоит из различных углеводородов от пентана С5Н12, гексана С6Н14 до декана С10Н22. Пентан, гексан, декан переходят в газообразное состояние, соответственно, при температуре 36 °С, 69 °С и 180 °С. В составе бензина может быть бензол (С6Н6), толуол (С7Н8), но их температура кипения достигает 80 °С и 110 °С. При хранении, сливе, наливе потери бензина будут происходить от испарения легких фракций и в первую очередь пентана.
Для определения плотности паров нефтепродукта у воспользуемся фор-
мулой Клапейрона – Менделеева, которая устанавливает связь между абсолютным давлением Р, Н/м2 (Па), абсолютной температурой Т, К, объемом V, м3, массой газа m, кг и газовой постоянной R, Дж/(кг∙К):
P V m R T . |
(1.11) |
Один кмоль паров нефтепродукта занимает объем V |
22,4 м3. Для кмоля |
объемом 22,4 м3 уравнение состояния газа имеет вид: |
|
PV |
m |
8314 |
T ; |
P |
m |
|
8314 |
T |
или |
P |
у |
|
8314 |
T . |
|
|
V |
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Откуда |
|
|
|
|
у |
|
P |
, |
|
|
(1.12) |
||||
|
|
|
|
8314 T |
|
|
|||||||||
где – молекулярная масса нефтепродукта, кг/кмоль; 8314 Дж/(кмоль∙К) – универсальная газовая постоянная.
16
Для примерного нахождения плотности нефтепродукта, который находится в газовом состоянии, используем выражение
у 22,4. |
(1.13) |
Например, молекулярная масса метана СН4 равна 16 кг/кмоль. Если данный газ сосредоточить при атмосферных условиях в объеме 22,4 м3, то его плотность будет равна 0,714 кг/м3.
В жидкой фазе плотность метана равна 424 кг/м3. Объем метана в жидком состоянии занимает в 600 раз меньше, чем объем в газовой фазе. Это является важным фактором при транспортировке метана и использовании его в качестве топлива.
Свойства топлив и смазочных материалов условно разделяются на три группы: физико-химические, эксплуатационные и экологические.
Кфизико-химическим относят свойства, определяемые в лабораторных условиях, например, плотность, вязкость, испаряемость, теплота сгорания [22].
Кэксплуатационным относят свойства, проявляемые непосредственно в двигателе, например, детонационная стойкость бензина, испаряемость, образование нагара, износостойкость деталей.
Кэкологическим относят свойства, оказывающие влияние на человека и окружающую среду, например, загрязнение воздуха отработавшими газами, пожарную и взрывоопасность опасность.
Контрольные вопросы
1.Что называют плотностью, как она определяется и с какой целью?
2.Что называют удельным весом и удельным объемом?
3.Определение давления, абсолютное, избыточное (манометрическое) и вакуумметрическое давление, единицы величины.
4.Методика определения величины вакуумметрического давления.
5.Что называют давлением насыщенных паров?
6.Кинематическая и динамическая вязкость, единицы величины.
7.Дайте определение объемному и массовому расходам жидкостей или газов?
8.Сжимаемость жидкости или газа.
9.Что называют молем и киломолем?
10.Как определяется плотность жидкого нефтепродукта, находящегося в газовой
фазе?
11.Что относят к физико-химическим, эксплуатационным и экологическим свойствам
топлив?
17
2. НЕФТЬ И ЕЕ ПЕРЕРАБОТКА
Нефть – это углеводородное топливо, состоящее в основном из углерода (83 – 87 %), водорода (12 – 14 %) и малого количества серы, кислорода, азота
(1 – 3 %) [7, 8, 9, 28].
Нефть (от перс. просачиваться) – горючая маслянистая жидкость темного, иногда буро-зеленого цвета, плотностью ρ = 850 – 900 кг/м3, теплотой сгорания 42 – 44 МДж/кг (М – мега (миллион) 106).
Нефть содержит парафины от 4 до 8 %. При содержании в нефти более 6 % парафина появляются сложности с её добычей и транспортировкой. При перекачке парафин отлагается на внутренних стенках трубопровода. Высокопарафиновые нефти перед закачкой в трубу нагревают до 70 – 80 °С (Мангышлакские нефти, Казахстан).
Молекулярная масса нефти 190 – 220 кг/кмоль. Температура самовоспламенения 380 – 530 °С. Температура кипения от 60 до 80 °С. Температура застывания достигает величины от минус 8 до плюс 10 °С.
Кинематическая вязкость, мм2/с(сСт), при 20 °С 7 – 20, при 50 °С равняется 3 – 9. Давление насыщенных паров нефти должно быть не более 66650 Па.
По содержанию серы нефти подразделяются на 3 класса [57]:
малосернистые – до 0,6 %;
сернистые от 0,61 до 1,8 %;
высокосернистые более 1,8 %.
Сера в нефти находится в виде сероводорода, меркаптанов и сульфатов. Технология получения топлив из нефти с высоким содержанием серы сложная и требует больших затрат.
Теорию органического происхождения нефти высказал М.В. Ломоносов, который считал, что нефть образовалась в земных глубинах в результате разложения органических остатков растительного и животного происхождения под действием подземного тепла.
За 150 лет (1850 – 2000) из земли было добыто 70·109 т нефти. Объём добытой нефти приводят в баррелях (1 баррель = 158, 9 л).
Мировая добыча нефти в 1990 г составила 3100 млн т, а в 2008 г – 5280 млн т. Добыча нефти в России в 1990 г составила 300 млн т (при запасах
20 млрд т). В 2008 г. – 490 млн т.
Объем добычи газа в России за 2009 г составил более 500 млрд м3. Впервые в России в 1823 г. в городе Моздоке братьями Дубиниными была создана установка для переработки нефти. Основной продукцией был керосин. Установка имела подогреваемый котел с нефтью и холодильник (ёмкость с во-
дой) для конденсации паров топлива.
В нефти до 99 % содержатся углеводороды разнообразного строения: парафиновые, циклопарафиновые (нафтеновые), ароматические. Низшие газооб-
18
разные парафины сопутствуют нефти (попутный нефтяной газ), частично растворены в ней. В жидких углеводородах растворены также высшие твёрдые углеводороды.
Нефти, содержащие большое количество парафиновых углеводородов, называют парафиновыми (грозненская, среднеазиатская). Нефти, богатые циклопарафинами, называют нафтеновыми (бакинская). Есть нефть, богатая ароматическими углеводородами (уральская, украинская), ее называют ароматической.
Нефтепродукты – смеси газообразных, жидких и твердых углеводородов различных классов, полученные из нефти и нефтяных газов. К основным группам нефтепродуктов относят: топлива (газы, бензины, лигроины, керосины, соляры, мазуты), масла, консистентные смазки, твердые углеводороды (парафины, церезины), битумы.
Испаряемость характеризуется скоростью перехода топлива из жидкой фазы в газообразную. Нефть не имеет постоянной температуры кипения, так как в ее состав входят различные вещества.
Разделить нефть на отдельные фракции (части), виды топлив (бензин, керосин, газойль, соляр) можно методом прямой перегонки [3, 24]. Нефть нагревают до 380 °С и направляют в разделительную (ректификационную) колонну. Колонна имеет диаметр примерно 2 м и высоту 25 м. В колонне есть разделительные тарелки с отверстиями в виде цилиндров. На цилиндры установлены колпачки с прорезями для прохода паров топлив. Самые легкие фракции – пары бензинов – достигают верхних тарелок и там конденсируются и отводятся в отдельные емкости, более тяжелые оседают на нижних тарелках (рис. 2.1, 2.2).
Самая тяжелая фракция (мазут) снова нагревается и направляется в другую колонну, работающую под разрежением. Давление в колонне снижают до 0,1 атм. для того, чтобы мазут кипел и испарялся при меньшей температуре и разделялся на легкие, средние и тяжелые масла (веретённый, машинный, цилиндровый).
Температурные диапазоны выкипания нефтепродуктов.
Бензин 35 – 190 °С, лигроин 110 – 230 °С, керосин 140 – 300 °С, газойль
236 – 330 °С, соляр 286 |
– 380 °С, масла 320 – 500 °С. При смешении фракций |
получают топлива для различных видов техники. |
|
Лигроин и керосин |
– реактивное топливо для самолётов. |
Керосин и газойль |
– лёгкое дизельное топливо для автомобилей. |
Газойль и соляр – |
дизельное топливо для тракторов. |
Соляр – для тепловозов и судовых двигателей.
19
|
|
|
Нефть |
|
Газ |
7 Дистилляты |
|
|
3 |
4 |
|
|
Соляровый |
||
|
Бензин |
||
|
|
|
6 |
2 |
Керосин |
5 |
Веретенный |
1 |
Газойль |
|
Машинный |
|
|
||
|
|
|
Цилиндровый |
Мазут |
|
|
|
Нефть |
|
|
Гудрон |
8 |
|
|
|
Рис. 2.1. Комплексная атмосферно-вакуумная установка переработки нефти: 1 – трубчатая печь; 2 и 5 – ректификационные колонны; 3 – холодильник; 4 – конденсатор-газоотделитель; 6 – теплообменник; 7 – насос;
8 – испарительная колонна
4 |
|
|
3 |
|
7 |
|
|
|
5 |
|
|
5 |
6 |
8 |
|
||
2 |
|
|
1 |
|
|
Рис. 2.2. Схема ректификационной колонны и её принцип действия:
1 – приспособление для подачи водяного пара; 2 – труба (ввод паров нефти и её неиспарившейся части); 3 – приспособление для ввода орошения; 4 – труба для отвода лёгкокипящих фракций с испарившимся оросителем; 5 – металлические тарелки; 6 – отверстия в тарелках;
7 – колпачки с прорезями; 8 – сливная трубка
20