Моделирование физико-химических свойств углеводородов и подготовка нефти тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.07, кандидат технических наук Аль-Окла Вахиб Абдель

• Аль-Окла Вахиб Абдель
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Аль-Окла Вахиб Абдель

Введение

1. Современное состояние теории моделирования физико- 10 химических свойств газов и жидкостей. Особенности подготовки нефти на нефтегазодобывающих предприятиях

1.1. Современное состояние теории моделирования физико- 10 химических свойств газов и жидкостей

1.2. Теоретические основы учения о физико-химических свойствах 17 веществ

1.2.1. Основные понятия и определения

1.2.2. Понятие информации и информационной энтропии

1.2.3. Характеристика межмолекулярных взаимодействий

1.2.3.1. Фазовое состояние веществ. Межмолекулярные взаимодействия. Принцип (закон) соответственных состояний

1.2.3.2. Дипольные моменты молекул

1.2.3.3. Типы межмолекулярных взаимодействий в газах и жидкостях

1.2.3.4. Принцип (закон) соответственных состояний

1.2.3.5. Критерий ацентричности молекул химических веществ

1.2.3.6. Характеристический фактор Ватсона

1.2.4. Принципиальные основы математических методов обработки 29 информации физико-химических свойств веществ

1.2.4.1. Метод опорных точек ф 1.2.4.2. Энтропийно-информационный метод обработки информации

2. Методы моделирования и расчета критических и стандартных 31 физико-химических констант углеводородов и нефтяных фракций

2.1. Энтропийно-информационная модель для расчетов критических 31 констант углеводородов по их температурам кипения и плотностям

2.2. Методы групповых составляющих Лидерсена

2.3. Универсальная модель для расчета молекулярной массы 36 углеводородов

2.4. Математическая модель для расчета молекулярной массы узких 40 It нефтяных фракций

2.5. Математическая модель для идентификации индивидуальных 42 углеводородов и оценки химического состава узких нефтяных фракций

3. Методы моделирования и расчетов термической и барической 58 зависимостей физико-химических свойств углеводородов и нефтяных фракций

3.1. Термические модели давления насыщенных паров жидкостей

3.1.1. Универсальная энропийно-информационная модель ДНП 58 углеводородов и узких нефтяных фракций

3.1.2. Унифицированная модель ДНП Антуана

3.1.3. Унифицированная модель ДНП Питцера

3.1.4. Термическая модель Ашворта

3.2. Универсальная барическая модель температуры кипения 67 жидкостей

3.3. Стандартная и термическая модели теплот парообразования 71 жидкостей

3.3.1. Энтропийно-информационная модель

3.3.2. Модель Джиаколоне-Нернста

3.4. Универсальные математические модели термической 75 зависимости плотности жидкофазных углеводородов и узких нефтяных фракций

3.5. Термическая модель для расчетов энтальпий нефтяных фракций 79 при атмосферном давлении

3.6. Математические модели для расчетов энтропии и изобарной 80 теплоемкости углеводородных газов

3.7. Стандартная и термическая модели вязкости углеводородных газов

4. Моделирование и расчет стабилизации нефти сепарации

4.1. Особенности подготовки нефти на нефтегазодобывающих 94 предприятиях

4.1.1. Особенности технологических схем сбора, подготовки и 97 хранения нефти

4.1.2. Процесс сепарации

4.2. Расчет констант фазового равновесия углеводородов и узких 102 нефтяных фракций

4.3. Выбор оптимального режима работы трехступенчатой сепарации 105 Выводы 111 Библиографический список 112 Приложение 1. Методы расчета физико-химических свойств 120 углеводородов

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование физико-химических свойств углеводородов и подготовка нефти»

В связи с быстрым развитием химической науки и химической технологии, в т.ч. нефтегазохимической, непрерывно возрастает потребность в информации о физико-химических свойствах (ФХС) и термобарических закономерностях разнообразных химических веществ и их смесей. Без данных о ФХС, участвующих в химико-технологических процессах реагентов, не возможен ни один научный или инженерный расчет.

Сегодняшние исследователи в области теоретической и прикладной химии, имеющие возможность пользоваться информационной и вычислительной способностью мощных современных компьютерных систем, все еще вынуждены пользоваться информациями, представленными в многотомных физико-химических справочниках в виде таблиц, номограмм или графических зависимостей. Количество синтезированных и идентифицированных индивидуальных углеводородных соединений ныне исчисляется сотнями миллионами.

От назревающего кризиса в результате лавинообразного возрастания необработанного информационного потенциала могут избавить лишь разработка и массовое внедрение в нефте и нефтехимическую технологию универсальных математических моделей, адекватно описывающих ФХС и физико-химические закономерности поведения исследованных и, что не менее важно, вновь синтезируемых углеводородов в широком интервале варьирования технологических и термодинамических параметров.

Из обзора зарубежной и отечественной литературы следует вывод о том, что из обилия методов моделирования и расчетов ФХС многие не удовлетворяют современным требованиям информационной технологии по теоретической обоснованности, степени адекватности и универсальности применения. Надо отметить, что если химический состав углеводородов можно выразить через молекулярную массу, то для оценки влияния химического строения (конституции) молекул на их ФХС нет количественной меры измерения. Разумеется, одной лишь информации об элементном составе и молекулярной массе узких нефтяных фракций абсолютно недостаточно для идентификации углеводородов, содержащихся в нефти. Так, по молекулярной массе нельзя различить н-алканы от изоалканов или от алкенов, цикланов и аренов, хотя все они состоят только из углерода и водорода [1].

В данной работе разработанные методы моделирования и инженерных расчетов ФХС углеводородных систем использованы применительно к технологии промысловой подготовки нефти.

Цель работы

Разработать универсальные математические модели:

- для расчетов критических и стандартных физико-химических свойств углеводородов и узких нефтяных фракций, а также их термической и барической зависимостей;

- для идентификации индивидуальных углеводородов и оценки химического состава нефтей.

В первой главе рассмотрено современное состояние теории моделирования ФХС газов и жидкостей, приведены теоретические основы учения о физико-химических свойствах веществ и принципиальные основы математических методов обработки информации при моделировании физико-химических свойств веществ.

Во второй главе рассматриваются методы моделирования и расчетов критических и стандартных физико-химических констант углеводородов.

В третьей главе представлены термические и барические зависимости физико-химических свойств углеводородов и узких нефтяных фракций.

В четвертой главе представлены результаты стабилизации нефти сепарацией.

В заключении приводятся основные выводы по работе.

Научная новизна. На основе информационно-энтропийного метода разработаны:

• математические универсальные адекватные модели для расчета физико-химических и критических свойств углеводородов и узких нефтяных фракций, в том числе давления насыщенных паров (ДНП), плотности и молекулярной массы;

• математические универсальные адекватные модели для расчета термодинамических свойств углеводородов, в том числе теплоемкости и энтропии;

• математическая модель для идентификации и оценки химического состава углеводородов и узких нефтяных фракций.

Предложена информационно-энтропийная модель термобарической зависимости констант фазового равновесия узких нефтяных фракций.

Практическая ценность. Предложенные математические модели ФХС углеводородных систем и узких нефтяных фракций могут быть использованы при инженерных расчетах и проектировании массообменных аппаратов и химических реакторов технологических процессов нефтепереработки и нефтехимии.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на секции «Нефтепереработки и нефтехимии» III, IV и V Конгресса нефтегазопромышлиников России (2001, 2002 и 2003г.) и научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 12 научных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и изложена на 144 стр., включает 34 таблиц и 7рисунков.

Заключение диссертации по теме «Химия и технология топлив и специальных продуктов», Аль-Окла Вахиб Абдель

выводы

1- Разработаны применительно к углеводородным системам методы расчетов их критических и стандартных констант по двум легкоизмеряемым физическим свойствам - по плотности и температуре кипения.

2- Предложены методы расчетов термической и барической зависимостей физико-химических свойств углеводородов и нефтяных фракций, таких как давление насыщенных паров, температура кипения жидкости при нестандартных давлениях, плотность, теплота парообразования, энтальпия, энтропия, теплоемкость и вязкость.

3- Предложено более точное по сравнению с формулой Воинова уравнение для расчета молекулярной массы углеводородов и нефтяных фракций.

4- Сформулирован безаналитический метод для идентификации углеводородов и оценки химического состава узких нефтяных фракций и предложен критерий классификации нефти.

5- На основе номограммы Уинна для нефтепродуктов предложено уравнение для расчета констант фазового равновесия и проведен сравнительный анализ.

6- По разработанной программе на ЭВМ определены коэффициенты модели для расчетов ФХС углеводородов и узких нефтяных фракций.

7- Применительно к нефти Оренбургского месторождения определены режимные параметры трехступенчатой сепарации, удовлетворяющие экологическим требованиям.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Аль-Окла Вахиб Абдель, 2004 год

1. Коршак А. А., Шаммазов А. М. Основы нефтегазового дела: Учебник для

2. ВУЗов. Уфа.: ООО «Дизайн Полиграф Сервис», 2001 - 544с.: илл.

3. Штрубе В. Пути развития химии: В2 -XT./; Пер. с нем. М.: Мир, 1984.1. Т. 1 239с.; Т.2. - 278с.

4. Быков Г.В. История органической химии. М.: Наука,1978. - 379 с.

5. Быков Г.В. История классической теории химического строения. М.:

6. Изд-во. АН СССР, 1960. 312 с.

7. Татевский В.М. Теория физико-химических свойств молекул и веществ.

8. М.: Изд.-во МГУ, 1987. 239 с.

9. Татевский В.М., БендерскийВ. А., , Яровой С. С. Закономерности и методы расчета физико-химических свойств парафиновых углеводородов. М. : Гостоптехиздат, 1980. - 114 с.

10. Карапетьянц М.Х., Чен Гуанг-Юл. Температура кипения и давление насыщенных паров углеводородов. М.: Гостоптехиздат, 1962. - 242 с.

11. Рид Р., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей. Л.: Химия, 1971. - 702 с.

12. Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей. Л.:1. Химия, 1982.-592 с.

13. Бретшнайдер С. Свойства газов и жидкостей. М.: Химия, 1966. - 535 с.

14. Татевский В.М. Физико-химические свойства индивидуальных углеводородов. М.: Гостоптехиздат, 1960. - 412 с.

15. Волькенштейн М.В. Строение и физические свойства молекул. М.: Химия, 1986.-191 с.

16. Яровой С.С. Методы расчета физико-химических свойств углеводородов.- М.: Химия, 1978. 256 с.

17. Уэйлес С. Фазовые равновесия в химической технологии. В 2-х ч. 4.1.1. М.: Мир, 1989.-304 с.

18. Методы расчета теплофизических свойств газов и жидкостей/ ВНИИПИНефть. М.: Химия, 1974. - 248 с.

19. Морачевский А.Г. , Сладков И.Б. Физико-химические свойства молекулярных неорганических соединений: (Экспериментальные данные и методы расчета): Справ, издание. Спб.: Химия, 1996. - 312 с.

20. Карапетьянц М.Х. Методы сравнительного расчета физико-химических свойств. М.: Наука, 1965. - 403 с.

21. Справочник химика. Изд. 2-е. Т. 1. - Л.: Химия, 1971. - 1072 с.

22. Перри Дж. Справочник инженера-химика: В 2-х Т. Л.: Химия, 1969. Т.1.-640 е.; Т. 2.-504 с.

23. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. 2-е изд., доп. и перераб. - М.: Наука, - 1972. - 708 с.

24. Химия: Большой энциклопедический словарь / Под ред. Кнунянца И.Л. -2-е изд. М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. - 792 с.

25. Физико-химические свойства индивидуальных углеводородов / Под. ред.

26. М.Д. Тиличеев. М. - Л., Гостоптехиздат. - Вып. 1. - 1945. - 287 е., Вып. 2.-1947.-320 е., Вып. 3.- 1951. - 538 е., Вып. 4. - 1953.-436 е., Вып. 5.-1954.-490 с.

27. Введенский А. А. Термодинамические расчеты нефтехимических процессов. Л.: Гостоптехиздат, 1960. -576 с.

28. Сталл Д., Вэстрам Э., Зинке Г. Химическая термодинамика органическихсоединений. М.: Мир, 1971. - 800 с.

29. Дубовкин Н.Ф. Справочник по теплофизическим свойствам углеводородных топлив и их продуктов сгорания. М.: Госэнергоиздат, 1962.-288 с.

30. Гуревич И.Л. Технология переработки нефти и газа. 4.1. М.: Химия,1972.-359 с.

31. Сарданашвили А.Г. , Львова А.И. Примеры и задачи по технологии переработки нефти и газа. — М.: Химия, 1980. 256 с.

32. Столяров Е.А. , Орлова Н.Г. Расчет физико-химических свойств жидкостей. Л.: Химия, 1976. - 112 с.

33. Филиппов Л.П. Подобие свойств веществ. МГУ, 1978. - 256 с.

34. Дьяконов Г.К. Вопросы теории подобия в области физико-химических процессов. М.: АНСССР, 1956. - 206 с.

35. Майков В.М. Энтропийные методы моделирования в химической технике. М.: МИХМ, 1981.

36. Хакен Г. Синергетика. М.: МИР, 1980. - 400 с.

37. Mandelbrot В.В. The fractal geometry of nature. N.V.: Freeman, 1983. - 4001. P

38. Федер E. Фракталы. M.: МИР, 1991.-269 с.

39. Седов E.A. Одна формула и весь мир: Книга об энтропии. М.: Знание,1982.-176 с.

40. Волькенштейн М.В. Энтропия и информация. М.: Наука, 1986. - 192 с.

41. Шеннон К. Работа по теории информации и кибернетике. М.: ИП, 1963.- 830 с.

42. Винер Н. Кибернетика или управление и связь в животном и машине.1. М.: Наука, 1984.-326 с.

43. Кафаров В.В. Методы кибернетики в химии и химической технологии.1. М.: Химия, 1976.-464 с.

44. Мановян А.К. Технология первичной переработки нефти и природного газа. М.: Химия, 1999. - 568 с.

45. Ахметов С.А. Технология глубокой переработки нефти и газа. Уфа.: Гилем, 2002. - 672 с.

46. Хафизов А. Р. Повышение Эффективности технологических процессов сокращения потерь при сборе и подготовке углеводородного сырья. -Уфа.: УГНТУ, 1998.- 475 с.

47. Воинов Б.П. Новое уравнение зависимости мольного веса углеводородови фракций от их удельного веса и температуры кипения. // Нефт. хоз-во.- 1948.-№5.-С. 52-53

48. Золотов Ю.А. Очерки аналитической химии. М.: Химия, 1977. - 240 с.

49. Нефти СССР. Справочник. М.: Химия. - Т. 1. - 1971. - 504 е.; Т.4. -1974.-787 с.

50. Расчеты основных процессов и аппаратов нефтепереработки: Справочник/ Под ред. Судакова Е.Н. -М.: Химия, 1979. 568 с.

51. Ривкин C.J1. , Александров А.А. Термодинамические свойства воды и водяного пара. М.: Энергия, 1975. - 80 с.

52. Реология: Теория и приложения/ Под ред. Эйриха Ф.М. М.: Металлургиздат, 1962.

53. Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкостей; Отв. ред. Н.Н.Семенов,

54. Ф.Е.Глауберман. Л.: Наука, 1975. - 592,с.

55. Филатов В. Глобальные проблемы современности и пути решения. М.; 2000.

56. Нефть. Нефтепродукты: Методы испытаний. Ч. 1 и 2.- М.: Изд-во стандартов, 1987.-423 с.

57. ОСТ 5140-93. Требования к качеству газа.- М.: Изд-во стандартов, 1993.

58. Маринин Н. С. , Саватеев Ю.Н. Разгазирование и предварительное обезвоживание нефти в системах сбора. М.: Недра, 1982.- 171 с.

59. Байков Н. С. , Колесников Б.В., Челпанов П.И. Сбор, транспорт и подготовка нефти. М.: Недра, 1975.- 317 с.

60. Маринин Н. С. , Каган Я.М. Совершенствование технологических схем сбора и подготовки нефти на месторождениях западной Сибири. М.: ВНИИОЭНГ, 1983.

61. Савватеев Ю.Н. , Маринин Н.С. Некоторые задачи оптимизации процесса дегазации нефти. М., 1983, - с, (Автоматизация и телемеханизация в нефт. Пром-сти: ОИ/ВНИИОЭНГ)

62. РД 39-0147103-388-87. Методические указания по определению технологических потерь нефти на предприятиях Министерства нефтяной промышленности. Уфа, 1987. - 81 с.

63. Тронов В. П. , Метельков В.П., Моргаев В.П. Совершенствование технологии улавливания легких фракций на промыслах. Нефтяное хозяйство. 1985.- № 3- С.49-50.

64. Гумеров М. Р. Борьба с потерями нефти и нефтепродуктов на нефтеперерабатывающих предприятиях. М., 1976. - 66 е.- (Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья: ОИ/ ЦНИИПЭнефтехим)

65. Тронов В. П. , Ахмадеев Г.М., Сатаров У.Г. Развитие техники и технологии промысловой подготовки нефти в Татарии. // Совершенствование методов подготовки нефти на месторождениях Татарии. Бугульма, 1980.- С. 12-34.

66. Нефть и наука: Материалы совместного заседания президиума АН Татарстана, технико-экономического состава объединения «Татнефть» и ученого совета ТатНИПИнефть. Казань: ФЭН, 1993.- 104 с.

67. Бронштейн И. С. Технологические потери нефти в системах промыслового обустройства и пути их сокращения. // Нефтепромысловое дело и транспорт нефти.- 1985.- № 8.-С. 21-24.

68. Эйгенсон А.С. , Шейх-Али Д.М. Закономерности компонентно-фракционного и химического состава нефтей. // Химия и технология топлив и масел. 1987. - № 4.- С. 32 - 37; № 6.- С. 27 - 31; № 10.- С. 32 -37.

69. Ахметов С.А. , Ратовская С.Г. Математическое моделирование фракционного состава нефтей. // Нефтепереработка и нефтехимия. -1998.-№7.- С. 56-58.

70. Gambill W.R. Chem. Eng., 1957. v. 64. № 2, p. 267-240.

71. Gambill W.R. Chem. Eng., 1957. v. 64. № 7, p. 263-268.

72. Gambill W.R. Chem. Eng., 1957. v. 64. № 12, p. 181-184.

73. Gambill W.R. Chem. Eng., 1957. v. 64. № 14, p. 157-160.

74. Gambill W.R. Chem. Eng., 1957. v. 64. № 23, p. 193-194.

75. Gambill W.R. Chem. Eng., 1957. v. 64. № 25, p. 169-172.

76. Gambill W.R. Chem. Eng., 1957. v. 64. № 1, p. 127-130.

77. Gold Ph. J. Ogle G.J. Chem. Eng., 1968, v. 75, № 12, p. 152-154.

78. Gold Ph. J. Ogle G.J. Chem. Eng., 1968, v. 75, № 23, p. 185-190.

79. Gold Ph. J. Ogle GJ. Chem. Eng., 1969, v. 76, № 24, p. 170-174.

80. Gold Ph. J. Ogle G.J. Chem. Eng., 1969, v. 76, № 1, p. 119-122.

81. Gold Ph. J. Ogle G.J. Chem. Eng., 1969, v. 76, № 5, p. 123-129.

82. Gold Ph. J. Ogle G.J. Chem. Eng., 1969, v. 76, № 7, p. 130-132.

83. Gold Ph. J. Ogle G.J. Chem. Eng., 1969, v. 76, № 14, p. 129-130.

84. Gold Ph. J. Ogle G.J. Chem. Eng., 1969, v. 76, № 15, p. 121-123.

85. Gold Ph. J. Ogle G.J. Chem. Eng., 1969, v. 76, № 17, p. 97-100.

86. Gold Ph. J. Ogle GJ. Chem. Eng., 1969, v. 76, № 19, p. 141-146.

87. Benko J. Acta chim. Acad. sci. hung. 1959, v. 21, № 4. - p. 251-361.

88. Partington J.R. An advanced treatise on Physical Chemistry. V. 1,2.- New-York, 1951. 631 p.

89. Трегер Ю.А. , Пименов И.Ф., Гольфанд E.A. Справочник по физико-химическим свойствам хлоралифатических соединений. Л.: Химия, 1973.- 184 с.

90. Benko J. Acta chim. Acad. sci. hung. 1963. - v.35, № 4. - P. 347-452.

91. Краткий справочник физико-химических величин/ Под ред. К.П. Мищенко и А.А. Равделя. Изд-во 7 Л.: Химия, 1974. - 200 с.

92. Somayajuly G.R., Palit S.R.J. Chem. Soc. 1957. - № 6. - P. 2540-2544.

93. Кей Д., Лэби Т. Таблица физических и химических постоянных; Пер. с англ. под ред. К.П. Яковлева. М.: Физматгиз, 1962. - 247 с.

94. Томановская В.Ф., Колотова Б.Е. Фреоны. Л.: Химия, 1970. - 182 с.

95. Гиршфельдер Д. , Кертисс Ч., Берд Р. Молекулярная теория газов и жидкостей. Пер. с англ. под ред. Е.В. Ступоченко. М.: ИЛ, 1961. - 929 с.

96. Rossini F.D. et al. Selected values of Chemical Termodynamic Properties. -Washington, NBS, 1952. 500 p.

97. Gold Ph. J. Ogle GJ. Chem. Eng. 1969. - v. 76, № 4. - p. 109-112.

98. Сыркин Я.К. , Дяткина M.E. Структура молекул и химическая связь. -М.: Госхимиздат, 1946. 588 с.

99. Offermatt W.F. Tables of Bonds and Resonance Energies for Estimating Standart Heats of Formation. 1953.

100. Паулинг Л. Природа химической связи; Пер. с англ. под ред. Я.К. Сыркина. М.: Госхимиздат, 1947. - 440 с.

101. Бацанов С.С. Структурная рефрактометрия. М.: Изд. МГУ, 1959. - 224 с.

102. Хоуген О. , Ватсон К. Физико-химические расчеты в технике; Пер. с англ. под. ред. П.А. Семенова. М.: ГНТИ, 1947. - 598 с.

103. Попель С.И. , Павлов В.В., Есин О.А. Расчет поверхностного натяжения жидкостей по избыточному изохорно-изотермерму потенциалу. // Журнал физ. химии. 1963. - Т. 37, ;№ 3. - С. 622 - 627; Т. 37, №4.-С. 797-800.

104. Gold Ph. J. Ogle G.J. Chem. Eng. 1969, v. 76, № 11. - p. 192-194.

105. Rao M.R. Ind. J. Phys. 1940, v. 14. - p. 109; J. Chem. Phys. - 1941, v. 9. -p. 682; v. 14.-p. 699.

106. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике; Пер. с нем. под ред. B.C. Григорьева и Л.Д. Розенберг. 6-е изд. - М.: ИЛ, 1957. -726 с.

107. Рыков В.И. Скорость звука в жидкости и теплота испарения. // Журнал физ.химии. 1963. - т. 37, № 5. - С. 1137-1138.

108. Рыков В.И. Скорость звука в жидкости и поверхностная энергия. // Журнал физ.химии. 1965. - т. 39, № 5. - С. 938 - 941.

109. Глисстон С., Лейдлер К., Эйринг Г. Теория скоростей процессов; Пер. с англ. под ред. А.А. Баландина и Н.Д. Соколова. М.: ИЛ, 1948. - 583 с.

110. Предводителев А.С. О некоторых индивидуальных количествах в теории теплопроводности и вязкости жидкостей. // Журнал физ.химии. -1948. т. 22, № 3. - с. 339-348.

111. Padmini P., Rao B.R. Ind. J. Phys. 1961, v. 35. - P. 346-350.

112. Akgerman A., Gainer J.L.J. Chem. Eng. Data. 1972, v. 17, № 3. - P. 372377.