Новые методы расчета физико-химических свойств нефтяных углеводородных систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.07, кандидат технических наук Шамова, Наталья Александровна

• Шамова, Наталья Александровна
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шамова, Наталья Александровна

Введение

1. Литературный обзор о современном состоянии теории физико-химических свойств веществ fl' 1.1. Общие сведения

1.2. Основные понятия и определения учения о ФХС веществ

2. Методы моделирования и расчетов характеристических констант углеводородных систем

2.1. Аналоговый метод

2.1.1. Конститутивный метод

2.1.2. Комбинированный метод

2.2. Информативный метод

3. Методы расчетов молярной массы углеводородных систем.

3.1. Молярная масса чистых углеводородов ф 3.2. Молярная масса узких нефтяных фракций

3.3. Критерий идентификации индивидуальных углеводородов и оценки химического состава узких нефтяных фракций

4. Методы моделирования и расчетов температурной зависимости физико-химических свойств углеводородных систем

4.1. Критериальные термические модели

4.2. Информативные термические модели ФХС

4.3. Стандартная и термическая модели вязкости углеводородных газов т 4.4. Математическая модель для расчета индекса вязкости базовых компонентов смазочных масел

Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Новые методы расчета физико-химических свойств нефтяных углеводородных систем»

Химия - древнейшая наука о строении, свойствах веществ и их химических превращениях. За многовековой период эволюции в теоретической и прикладной химии накоплен громаднейший информационный потенциал в виде несистематизированных и необработанных надлежащим образом сведений о физико-химических свойствах (ФХС) неорганических и органических веществ. Сегодняшние исследователи в области химии и химики-технологи, имеющие возможность использовать мощь современных компьютерных систем, все еще вынуждены пользоваться информацией, представленной в многотомных справочниках в виде таблиц, номограмм и графических зависимостей.

Несмотря на существенные достижения современных авторитетнейших наук и теорий (статистической термодинамики, физической химии, молекулярной физики, кибернетики, теории подобия, моделирования и др.), актуальнейшей и до конца не решенной остается проблема математической обработки первичной информации о ФХС огромной «армии» химических соединений, существенно различающихся по молярной массе, молекулярному строению, химическому составу и фазовому состоянию при нормальных условиях.

От назревающего в XXI в. информационного кризиса могут избавить лишь разработка и массовое внедрение в химию и химическую технологию универсальных математических моделей, адекватно описывающих совокупность ФХС и физико-химические закономерности исследованных и, что наиболее важно, вновь синтезируемых веществ в широком интервале варьирования термодинамических и технологических 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 молярную массу, то для оценки влияния химического строения (конституции) молекул на их ФХС нет количественной меры измерения. Разумеется, одной лишь информации об элементном составе и молярной массе узких нефтяных фракций абсолютно недостаточно для идентификации углеводородов, содержащихся в нефти. Так, по молярной массе нельзя различить н-алканы от изоалканов или от алкенов, цикланов и аренов, хотя все они состоят только из углерода и водорода [1].

Цель работы. Применительно к индивидуальным углеводородам и нефтяным фракциям (углеводородным системам) разработать:

- математические модели для расчетов характеристических констант

ФХС;

- математическую модель для расчета молярной массы;

- математические модели для расчета термическ'их зависимостей ФХС;

- математическую модель для расчета индекса вязкости базовых компонентов смазочных масел.

В первой главе диссертации 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 предлагаются новые методы моделирования для расчетов характеристических констант физико-химических свойств углеводородных систем.

В третьей главе представлены результаты модельных исследований по моделированию молярной массы углеводородных систем.

В четвертой главе диссертации рассматриваются методы моделирования термической зависимости ФХС углеводородных систем, а также предлагается математическая модель для расчета индекса вязкости базовых компонентов смазочных масел.

В заключении приводятся основные выводы по работе.

Научная новизна.

1. На основании обобщения проведенных модельных исследований закономерностей изменения ФХС углеводородных систем от информативных параметров сформулированы основные подходы, являющиеся математической основой для моделирования физико-химических свойств углеводородных систем.

2. В связи с отсутствием прямого экспериментального метода измерения и оценки влияния химической структуры молекул на свойства веществ предложен универсальный высокоадекватный аналоговый метод моделирования ФХС и разработаны следующие математические модели для расчетов характеристических констант:

- конститутивный метод применительно к чистым индивидуальным углеводородам;

- комбинированный и информативный методы применительно к углеводородным системам с неустановленной химической структурой.

3. Предлагается использование метода опорных точек при моделировании термической зависимости ФХС углеводородных систем и разработаны математические модели с использованием критических и стандартных констант в качестве опорных точек.

Практическая ценность. Предлагаются следующие математические модели физико-химических свойств углеводородных систем:

1) математическая универсальная модель для расчета молярной массы;

2) математическая модель для расчета индекса вязкости базовых компонентов смазочных масел;

3) математические модели для расчета стандартных и критических свойств Ркр, ZKp, Т°кип, pl\ L°uc , термодинамические свойства);

4) информационная модель термической зависимости ФХС углеводородных систем (плотности, энтальпии, энтропии, теплоемкости и ДР-)

Разработанные модели используются в Уфимском государственном нефтяном техническом университете студентами в учебном процессе при проведении лабораторных работ по дисциплине «Инженерные расчеты физико-химических свойств веществ», курсового и дипломного проектирования для специальности 240403 «Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов» и специализации 240802 «Основные процессы химических производств и химическая кибернетика».

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались:

- на секции «Современное состояние процессов переработки нефти» конференциях «Газ Нефть 2004», «Газ Нефть 2005»;

- секции «Технология переработки нефти и газа» конференции «Молодежная наука нефтегазовому комплексу», Москва, РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2004 г.;

- 55-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ, Уфа, 2004 г.;

- II межотраслевой научно-практической конференции «Проблемы совершенствования дополнительного профессионального и социогуманитарного образования специалистов топливно-энергетического комплекса», Уфа, 2005 г.;

- секции «Нефтегазопереработка и нефтехимия - 2005» VI Конгресса нефтегазопромышленников России, Уфа, 2005 г.;

II Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», Санкт-Петербург, 2006 г.;

- секции «Химическая переработка нефти и газа» Международной конференции «Перспективы развития химической переработки горючих ископаемых», Санкт-Петербург, 2006 г.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 11 научных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и приложений и изложена на 95 страницах, включает 19 таблиц и 4 рисунка.

Заключение диссертации по теме «Химия и технология топлив и специальных продуктов», Шамова, Наталья Александровна

выводы

1. На основании обобщения проведенных модельных исследований закономерностей изменения ФХС углеводородных систем от информативных параметров сформулированы основные подходы.

2. Предложен универсальный высокоадекватный аналоговый метод моделирования ФХС и разработаны следующие математические модели для расчетов характеристических констант:

- конститутивный метод применительно к чистым индивидуальным углеводородам;

- комбинированный и информативный методы применительно к углеводородным системам с неустановленной химической структурой.

3. Предложена математическая модель для расчета термической зависимости следующих физико-химических свойств углеводородов и нефтяных фракций: теплота парообразования, энтальпия, энтропия, теплоемкость и вязкость.

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

5. Предложено уравнение для расчета молярной массы углеводородов и нефтяных фракций.

6. Предлагается математическая модель для расчета индекса вязкости базовых компонентов смазочных масел.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шамова, Наталья Александровна, 2006 год

1. Ахметов С.А., Аль-Окла В.А. Моделирование и инженерные расчеты физико-химических свойств углеводородных систем. Учебное пособие. -Уфа: РИО РУНМЦ МО РБ, 2003. 160 с.

2. Осипов А. Л. Моделирование физико-химических свойств органических молекул с использованием компьютерных технологий // Тез. докл. конф. «Компьютерные технологии в учебном процессе». Казань, 1995.

3. Зацепин В. М., Осипов А. Л., Семенов Р. Д. Система компьютерного предсказания физико-химических и биологических свойств веществ // Автометрия, 1995. N 5.

4. Осипов А. Л., Семенов Р. Д. Модели прогнозирования токсикологических свойств химических веществ // Автометрия, 1995. N 6.

5. Евсеев А. М., Николаева Л. С. Математическое моделирование химических равновесий. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1988.

6. Прусаков Г. М. Математические модели и методы в расчетах на ЭВМ. М.: Физматлит, 1993.

7. Лебедев А. М. Моделирование в научно-технических исследованиях. М.: Радио и связь, 1989.

8. Самарский А. А., Гулин А. В. Численные методы: Учебное пособие. М.: Наука, 1989.

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

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

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

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

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

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

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

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

17. Морачевский А.Г., Сладков И.Б. Физико-химические свойства молекулярных неорганических соединений (экспериментальные данные и методы расчета): справ, издание. СПб.: Химия, 1996. - 312 с.

18. Справочник химика. В 5 т. 2-е изд., перераб. и доп. - Д.: Химия, 1968.

19. Перри Дж. Справочник инженера-химика: В 2 т. JT.: Химия, 1969. - Т. 1.-640 е.; Т. 2.-504 с.

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

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

22. Физико-химические свойства индивидуальных углеводородов / под. ред.

23. М.Д. Тиличеева. М. - Л.: Гостоптехиздат, 1945. - вып. 1. - 287 е.; 1947.-вып. 2.-320 е.; 1951. - вып. 3. - 538 е.; 1953.-вып. 4.-436 е.; -1954.-вып. 5.-490с.

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

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

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

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

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

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

30. Mandelbrot В.В. The fractal geometry of nature. N.V.: Freeman, 1983. -. 400c.

31. Киреев В.А. Методы практических расчетов в термодинамике , химических реакций. М., Химия, 1975, 535 с.

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

33. Ахметов С.А., Гостенова Н.А. (ныне Шамова). Метод расчета стандартных и критических физико-химических свойств углеводородов по их структурным формулам // Известия ВУЗов. Нефть и газ. 2005. -№6.-С. 92-95.

34. Ахметов С.А., Гостенова Н.А. (ныне Шамова). Конститутивный метод расчета стандартных и критических свойств углеводородов: материалыконференции «Газ Нефть 2004». Уфа: Изд-во ГУП ИНХП, 2004. - С. 267-268.

35. 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

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

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

38. Винер И. Кибернетика. М.: Наука, 1984.

39. Доломатов М.Ю., С.А. Ахметов. О связи энтропии и молекулярной массы вещества в критическом состоянии // Изв. вузов. Нефть и газ. -2001.-№2-С. 103-107.

40. Анисимов М.А., Рабинович В.А., Сычев В.В. Термодинамика ' критического состояния индивидуальных веществ. М.: Энергоиздат,1990.-190 с.

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

42. Нефти СССР. Справочник. М.: Химия. - Т. 1. - 1971. - 504 е.; Т.4.1974.-787 с.

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

44. Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкостей / отв. ред. Н.Н.Семенов,

45. Ф.Е.Глауберман. Л.: Наука, 1975. - 592 е.; собр. соч. Т.З. - М.: Физматиз, 1959.51; Ахметов С.А. , Ратовская С.Г. Математическое моделирование фракционного состава нефтей. // Нефтепереработка и нефтехимия. -1998.- №7. с. 56-58.

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

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

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

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

50. Сыркин Я.К., Дяткина М.Е. Структура молекул и химическая связь. -М.: Госхимиздат, 1946. 588 с.

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

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

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

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

55. Бергман JI. 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.

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

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

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