Физико-химические и теплофизические свойства сырья, промежуточных, побочных и конечных продуктов производства

      3 Физико-химические и теплофизические  свойства сырья, промежуточных,  побочных и конечных продуктов  производства 
 

      Дизельное топливо и бензин представляют собой  непрерывно кипящие смеси, которые  состоят из огромного числа компонентов. При расчете ректификации подобных смесей пользуются кривыми истинных температур кипения (ИТК). Кроме того, заменяют огромное число реальных компонентов на некоторое ограниченное количество псевдокомпонентов. Считается, что в каждом продуктовом потоке, чтобы расчет был достаточно точным, должно быть не менее 5-6 таких компонентов.

      Для расчета процессов разделения непрерывно кипящих смесей все свойства компонентов  рассчитывают на основании эмпирических зависимостей.

   Молярную массу часто определяют по эмпирическим формулам. Наибольшее применение нашла формула Б. П. Воинова упрощенная (1) и уточненная (2) [3]:

 

где t_ср – средняя молярная температура кипения продукта, °С.

   Средняя молярная температура кипения близка к среднеарифметической: 

                                                             ₍₂₎ 

где t_н – начальная температура кипения фракции, °С.

      t_к  – конечная температура кипения фракции, °С.

     Давления  насыщенных паров узких фракций  рассчитывают по уравнению Ашворта [3]: 

      ,                                            (3) 

где    Р  – давление насыщенных паров, МПа;

      f(Т), f(T₀) – комплексы, которые рассчитываются по уравнениям: 

                                                    (4) 

                                                 (5) 

где  Т – рабочая температура (при которой определяют давление насыщенных паров), К;

      T₀ - температура кипения вещества (для нефтяной фракции - средняя температура кипения), К.

     Плотность является важнейшей характеристикой, позволяющей в совокупности с другими константами ориентировочно оценивать химический и фракционный состав нефти и нефтепродуктов. Плотность принято выражать абсолютной и относительной величиной.

     Абсолютной плотностью считается масса вещества, заключенная в единице объема. Плотность имеет размерность кг/м³ или г/см³.

     В практике нефтепереработки принято  использовать безразмерную величину относительной плотности нефти (нефтепродукта), которая равна отношению плотности нефти (нефтепродукта) при 20 °С к плотности воды при 4 °С. Относительная плотность обозначается .

     Поскольку плотность воды при 4 °С равна единице, числовые значения относительной и  абсолютной плотности совпадают.

     В некоторых зарубежных странах за стандартную принята одинаковая температура нефти (нефтепродукта) и воды, равная 60 °F, что соответствует 15,5 °С. В этом случае относительная плотность обозначается

     Взаимный  пересчет значений и производится по формулам (6) и (7) [1]: 

 
 

где    α – поправка на изменение плотности при изменении температуры на один градус [1].

     Плотность нефтей и нефтепродуктов уменьшается с повышением температуры. Эта зависимость имеет линейный характер и хорошо описывается формулой Д. И. Менделеева [8]: 

 

где и – соответственно плотности при искомой температуре и при     20 °С.

     Для определения плотности узкой, 10 – 20 – градусной фракции нефти  можно использовать различные эмпирические формулы.

     Формула ГрозНИИ [1]: 

где _,

   n = 0,13-0,0011∙t_зн,

    - относительная плотность узкой  фракции,

    - относительная плотность нефти,

   t_ср – средняя температура кипения узкой фракции, °С,

   t_зн – температура застывания нефти.

     Для расчета удельной теплоемкости жидких нефтепродуктов (в кДж/(кг∙К)) широко используется эмпирическое уравнение Крэга [9]: 

 

где – относительная плотность нефтепродуктов,

   T – температура при которой определялась теплоемкость, K.

     Удельную  массовую теплоемкость нефтепродукта (кДж/(кг∙К)) в паровой фазе при атмосферном давлении можно рассчитать по уравнению Бальке и Кэй [4]: 

 

где    К  – фактор парафинистости нефтепродукта.

      Фактор  парафинистости нефтепродукта вычисляется по формуле [4]: 

 

где T_ср – средняя молекулярная температура кипения смеси, K.

     Теплоту парообразования (в кДж/кг) для нефтепродуктов можно вычислить по формуле Трутона [4]: 

 

где  M – мольная масса нефтепродукта, кг/кмоль;

     n – коэффициент, значение которого находиться в пределах от 10 до 30.

     Для определения n можно воспользоваться формулой Кистяковского [4]: 

 

     Энтальпия жидких нефтепродуктов при 0,1 МПа, характеризующем  факторе К=12 и при температурах до 510 ⁰С определяется уравнением [3]: 

                                  ,                            (15) 

где  – энтальпия жидких нефтепродуктов при 0,1 МПа, кДж/кг;

        – температура процесса, ⁰С.

      Энтальпия нефтяных паров описывается зависимостью [3]: 

                              (16)

где  – энтальпия нефтяных паров.

         По литературным данным теплоты парообразования [5], теплоемкости [5], плотности [5], динамической вязкости [5], средствами MS Excel графическим методом с помощью меню «Добавить линию тренда», «Параметры», «Уравнение аппроксимации» были получены уравнения аппроксимации, наиболее адекватно описывающие литературные данные, и по ним рассчитаны теплофизические свойства веществ, с точностью R²=0,999.

     Уравнение аппроксимации литературных данных физико-химических свойств имеет вид: 

y = а ^. t⁴ + b ^. t³ + c ^. t² + d ^. t + e                                  (17) 

где a, b, c, d, e – коэффициенты уравнения аппроксимации.

      Коэффициенты  уравнения аппроксимации для  теплоты парообразования представлены в таблице 1.

     Для некоторых компонентов теплота парообразования равна нулю, так как температура процесса выше их критической температуры. 

     Таблица 1 – Коэффициенты уравнения аппроксимации для теплоты парообразования 

 

     Коэффициенты  уравнения аппроксимации для  теплоемкости жидкости представлены в таблице 2.

     Коэффициенты  уравнения аппроксимации для  теплоемкости пара представлены в таблице  3. 

     Таблица 2 – Коэффициенты уравнения аппроксимации для теплоемкости жидкости