Разработка методов расчета физико-химических свойств углеводородов и углеводородных систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.07, кандидат технических наук Трапезникова, Елена Фанисовна

• Трапезникова, Елена Фанисовна
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Трапезникова, Елена Фанисовна

СОДЕРЖАНИЕ

С.

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ФХС УГЛЕВОДОРОДНЫХ СИСТЕМ

1.1 Основные понятия и принципы моделирования ФХС

1.2 Методы расчета основных физико-химических свойств углеводородных систем

1.2.1 Молярная масса

1.2.2 Критические константы

1.2.3 Теплота испарения

1.2.4 Вязкость углеводородов

1.2.5 Методы математического описания термобарического состояния реальных газов

1.2.6 Плотность жидких углеводородов

1.2.7 Теплоемкость углеводородов

1.2.8 Энтальпия углеводородов

2. УПРОЩЕННЫЙ МЕТОД РАСЧЕТА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ УГЛЕВОДОРОДНЫХ СИСТЕМ

2.1 Упрощенный метод расчета молярной массы и массовой доли углерода углеводородных систем

2.2 Упрощенный метод расчета критических констант углеводородов

2.3 Упрощенный метод расчета плотности и температуры кипения углеводородов

2.4 Упрощенный метод расчета стандартной теплоты испарения углеводородов

3. РАСЧЕТ ФХС УГЛЕВОДОРОДНЫХ СИСТЕМ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕРМОБАРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТР АХ

3.1 Разработка формул для расчетов коэффициента динамической

вязкости жидких углеводородов

3.2 Метод расчета коэффициента сжимаемости реальных газов

3.3 Разработка метода расчета плотности при различных термобарических параметрах

4. МЕТОДЫ РАСЧЕТЫ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ УГЛЕВОДОРОДНЫХ СИСТЕМ

4.1 Расчет теплоемкости паров углеводородов при разных температурах

4.2 Расчет энтальпии паров углеводородов

5. Оценка адекватности предложенных формул для расчета

ФХС углеводородов и углеводородных систем

ВЫВОДЫ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методов расчета физико-химических свойств углеводородов и углеводородных систем»

ВВЕДЕНИЕ

Разработка нефтяных, газовых и газоконденсатных месторождений, транспортировка нефти и газа, а также их дальнейшая переработка требует решения различных научных задач, касающихся умения не только измерить, но и рассчитать физико-химические свойства (ФХС) жидкостей и газов. Возможность рассчитать ФХС имеет огромное значение на этапе проектирования технологических процессов и их аппаратов, т.к. поиск необходимых данных составляет 1/5 часть всего времени потраченного на проектирование. Разумеется, что и качество научно-исследовательских и проектно-конструкторских работ при разработке новых или интенсификации действующих промышленных химико-технологических процессов непосредственно связано с проблемами адекватности (максимально правдоподобного) моделирования и инженерных расчетов ФХС исходного сырья, промежуточных и конечных продуктов переработки и их термобарических закономерностей.

Как будет показано в главе 1, до настоящего времени полностью не разработано учение о ФХС веществ, изучающее методологию, исторические аспекты, методы математического моделирования и расчетов свойств углеводородных систем. Такое учение как дифференцированный раздел химии можно назвать химометрологией [5-7]. Большинство предложенных за длительный период развития химии методов моделирования и формул для расчетов ФХС углеводородных систем не удовлетворяет по теоретической обоснованности, степени адекватности и универсальности применения.

На протяжении более чем десяти лет в УГНТУ аспирантами во главе с профессором Ахметовым С.А. изучаются взаимосвязи ФХС, их зависимости от температуры и давления (т.е. основы химометрологии углеводородных систем) и разрабатываются универсальные

высокоадекватные модели для расчетов ФХС, которые могут быть использованы в инженерных расчетах технологических процессов и аппаратов нефтехимических производств.

Цель работы. Разработка: упрощенных формул для расчета характеристических констант углеводородов и углеводородных систем; двухпараметрических моделей для расчета коэффициента динамической вязкости и плотности жидких углеводородов при различных термобарических параметрах, теплоемкости и энтальпии паров углеводородов при разных температурах, математического описания термобарического состояния реальных газов.

Задачи исследований.

1. Для расчета молярной массы, критических констант и теплоты образования углеводородов и углеводородных систем разработать упрощенную модель, которая отличалась бы от ранее предложенных меньшим количеством коэффициентов, но обладала бы средней относительной погрешностью не более 5 %.

2. Разработать двухпараметрические модели для расчетов ФХС углеводородов и углеводородных систем.

3. Предложить формулу для расчета коэффициента сжимаемости реальных газов и с ее использованием новое математическое описание

их термобарического состояния.

В первой главе диссертации рассмотрено современно состояние методов моделирования характеристических констант

углеводородных систем и расчетов ФХС, представленных в

современной литературе.

Во второй главе представлен разработанный упрощенный метод для расчетов ФХС углеводородных систем: молярной массы, критических параметров, теплоты парообразования.

В третьей главе диссертации приведены методы расчета ФХС углеводородов и углеводородных систем при различных

термобарических параметрах: вязкости, плотности и коэффициента сжимаемости.

В четвертой главе представлены методы расчета теплофизических свойств: теплоемкости и теплосодержания.

В пятой главе проведена оценка адекватности предложенных формул.

В заключении приведены основные выводы по работе.

Научная новизна.

1. Предложен метод расчета следующих ФХС углеводородов и углеводородных систем: молярной массы, критических констант, плотности и температуры кипения. Метод отличается от ранее известных методов своей простотой, но в то же время обеспечивает достаточную точность, при этом формула является двухпараметрической и универсальной, поэтому может применяться не только для индивидуальных углеводородов, но и для углеводородных систем.

2. Разработаны двухпараметрические модели для расчетов коэффициента динамической вязкости и плотности жидких углеводородов при различных температурах и давлениях. Предложенная модель для расчета плотности является универсальной и может использоваться для расчетов плотности углеводородных систем.

3. Предложен метод расчета коэффициента сжимаемости реальных газов, который отличается высокой адекватностью, универсальностью и простотой.

4. Разработаны формулы для расчета теплоемкости и энтальпии паров углеводородов при разных температурах, которые весьма просты в применении и отличаются высокой точностью.

Практическая ценность. Разработанные формулы для расчета физико-химических свойств углеводородов и углеводородных систем и

программа для расчета реактора гидрокрекинга применяются студентами специальности 24.08.02 - «Основные процессы химических производств и химическая кибернетика» на практических занятиях по дисциплине «Искусственный интеллект и экспертные системы», а также в курсовом и дипломном проектировании.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на:

Международной научно-практической конференции «Нефтегазоперерабтка - 2009», г.Уфа, 2009 г.;

Всероссийской научной конференции «Переработка углеводородного сырья. Комплексные решения (Левинтерские чтения)», г. Самара, 2009 г.;

- 5-ой Международной научно-технической конференции «Глубокая переработка нефтяных дисперсных систем», г. Москва, 2009 г.;

- 1-ая Международной конференции молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники», г. Уфа, 2009 г.;

Международной научно-практической конференции «Нефтегазоперерабтка-2010», г. Уфа, 2010 г.;

Международной научно-практической конференции «Нефтегазоперерабтка-2011», г. Уфа, 2011 г.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 8 научных работ, в том числе 3 статьи в журналах рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и изложена на 134 страницах, включает 21 таблицу, 13 рисунков.

Библиография содержит 110 источников.

1. ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ФХС УГЛЕВОДОРОДНЫХ СИСТЕМ

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 качестве, т.е. совокупности 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.

От назревающего кризиса в результате лавинообразного возрастания необработанного информационного потенциала могут избавить лишь разработка и массовое внедрение в химию и химическую технологию универсальных математических моделей, адекватно описывающих ФХС и физико-химические закономерности поведения в широком интервале варьирования технологических и термодинамических параметров.

Как отмечалось выше, расчетам аппаратов технологических процессов предшествуют расчеты ФХС перерабатываемого сырья и продуктов его переработки при тех термобарических параметрах, при которых проводится технологический процесс в тепло-массообменных и реакционных аппаратах. Как показали наши исследования, большинство предложенных и все еще широко применяемых формул для расчетов ФХС нефтяных систем не удовлетворяют современным требованиям из-за их низкой адекватности. Так, например, широко используемая формула Крэго для расчетов молярной массы дает погрешность более 100%. Нынешний

уровень научно-технического развития требует более высокого качества расчетов, тем более широкое использование компьютерной техники позволяет разработать высокоадекватные, теоретически обоснованные и универсальные модели, которые в последствии могут служить информационным обеспечением систем автоматизированного проектирования технологических процессов (САРР- Computer-Aided Process Planning).

В химической технологии более 50 % исходных данных на проектирование и оптимизацию процессов составляют физико-химические и теплофизические свойства веществ. Причем точность их имеет решающее значение для определения параметров процесса. Другим видом информации, необходимой для работы САПР и САРР, являются данные о технологическом оборудовании. Данные по оборудованию необходимы для работы подсистемы конструкционного расчета, а стоимостные характеристики - для оценки эффективности реализации процесса. По существу, это то, что содержится в ГОСТах на оборудование. Третий вид информации связан с типовыми решениями, составляющими своего рода «память», или опыт, системы. Эта информация может потребоваться при работе любой из подсистем.

Применительно к задачам химической технологии все данные обычно подразделяются на несколько баз данных, основными из которых являются базы «Физико-химические, термодинамические и теплофизические свойства компонентов и смесей», «Оборудование» и «Технологические решения». Состав данных в базе определяется уровнем задач, решаемых САПР. По мере расширения функций САПР в соответствующие базы могут добавляться и необходимые данные.

База данных «Физико-химические свойства» обычно содержит свойства чистых компонентов, представляемых константами или функциями, которые могут храниться в виде коэффициентов, аппроксимирующих зависимостей или в виде таблиц. Представление

данных в виде коэффициентов более удобно, если учитывать объем занимаемой ими памяти и оперативность выборки, но требует предварительно обработки. Таким образом, разработка математических моделей для расчета ФХС углеводородов, это важная составная часть создания информационного обеспечения для САРР и САПР [43,49,50,52].

1.1 Основные понятия моделирования ФХС

Во всех имеющихся на данный момент химических дисциплинах до сих пор отсутствует теоретически обоснованный и методически удовлетворительно разработанный раздел химии, специально посвященный моделированию и расчетам ФХС неорганических и органических веществ. Тем не менее, попытки рассчитать ФХС веществ делались очень давно, и на данный момент предложено большое количество методов расчетов ФХС.

Методы расчета ФХС химических веществ можно подразделить на следующие типы:

1) эмпирические, т.е не имеющие теоретического обоснования;

2) полуэмпирические, частично обоснованные теоретической концепцией или постулатом;

3) теоретически и экспериментально обоснованные, подразделяемые:

на детерминированные, базирующиеся на результатах исследований механизма (химизма) процессов, протекающих на молекулярном уровне;

- стохастические, основанные на информационных принципах максимального правдоподобия математической модели на макроскопическом уровне строения веществ.

Недетерминированные формулы для расчетов ФХС веществ подвержены, как любая техника и технология, вполне закономерному

явлению «старения» и подлежат обновлению. Разумеется, формулы, предложенные до середины прошлого «некомпьютерного» столетия, были получены статистической обработкой экспериментальных данных того периода и без применения электронных вычислительных машин.

Весь многолетний опыт моделирования ФХС убеждает нас в том, что химическое вещество нельзя рассматривать как лишенное химической индивидуальности. В отличие от механических систем в химическом мире нет абсолютно подобных по свойствам индивидов. Химическое вещество подобно только само себе. Даже изомеры алканов, имея одинаковый химический состав и молярную массу, отличаются от н-алканов физическими и химическими свойствами.

Для адекватного и универсального моделирования ФХС веществ из теоретически обоснованных методов наиболее приемлем стохастический (т.е. вероятностный), поскольку измерения свойств осуществляются не на молекулярном, а на макроскопическом уровне состояния веществ. Разумеется, результаты, полученные с использованием вероятностных (статистических) принципов моделирования, не будут претендовать на абсолютную точность в детерминированном смысле.

Основное достоинство детерминированных методов - их исключительная универсальность и отсутствие коэффициентов с неизвестным физико-химическим смыслом. Однако надо отметить, что детерминированные модели часто уступают стохастическим по адекватности. Наибольшую популярность получили полуэмпирические модели, основанные на принципах конститутивности и аддитивности свойств химических веществ [5-7,68,104,105].

Принцип конститутивности является по существу следствием из теории химического строения Бутлерова A.M. и исходит из того, что между свойствами веществ и структурными составляющими (группами атомов, функциональными группами, связями между ними) его молекул существует количественная взаимосвязь. Согласно принципу

аддитивности свойство чистого индивидуального вещества может быть представлено в виде сумм парциальных величин структурных составляющих (С.С.) его молекулы. Это означает, что на структурный элемент определенного вида в любых молекулах (веществах) приходится приближенно одинаковая парциальная величина (инкремент) моделируемого свойства. В основе этого, получившего название метода групповых составляющих, лежит концепция о том, что число С.С. значительно меньше числа веществ [27,41,51].

Основная претензия, предъявляемая всем полуэмпирическим методам расчета ФХС веществ, основанных на принципах конститутивности и аддитивности - это то, что они не применимы для нефтяных систем, представляющих собой сложную смесь углеводородов, а применимы лишь для индивидуальных веществ с известной молекулярной структурой [23,24,76,77].

Из обзора зарубежной и отечественной литературы следует вывод о том, что из предложенного к началу XXI века большого обилия методов моделирования и расчетов ФХС лишь единицы удовлетворяют современным и перспективным требованиям информационной технологии по теоретической обоснованности, степени адекватности и универсальности применения.

Необходимо сформулировать требования к математическому моделированию ФХС, которые будут влиять на результаты моделирования. Математическая модель должна быть:

- теоретически и экспериментально обоснованной;

- адекватно описывать свойства в дозволенной области фазового состояния веществ, при строгом соблюдении граничных условий;

- универсальной или уникальной в смысле применимости для расчетов любых свойств как можно большего числа видов химических веществ;

- простой и удобной для обратных расчетов;

- надежной в смысле гарантии от абсурдных результатов;

- для гарантии от ошибок, связанных с размерностью свойств и информационных параметров, представлена в безразмерных и приведенных или комплексированных свойствах и параметрах.

Также стоит отметить, что причиной низкого качества прежних моделей ФХС является, на наш взгляд, игнорирование классической теории химического строения Бутлерова A.M., и как следствие некорректная постановка задачи.

При разработке наших формул, мы основывались на следующих принципах:

1. Для оценки влияния строения молекул на ФХС углеродных систем наиболее чувствительными, аналитически легко и точно определяемыми

свойствами являются стандартная (нормальная) температура кипения (7^)

и относительная плотность (р24°).

2. Математическая модель для расчетов характеристических констант применительно к алканам нормального строения представляет собой однофакторную функцию зависимости Ф, только от нормальной температуры кипения (Г^) или только от плотности (pf).

3. Математической моделью для расчетов характеристических констант нефтяных систем, представляющих собой сложные смеси углеводородов, является двухфакторная функция зависимости Фу и от температуры кипения (Т°к) и от плотности {pf).

Покажем наглядно теоретическую обоснованность п.З: проведем сравнение плотности, температур кипения и молярных масс М двух углеводородов, с одинаковым числом атомов углерода в молекуле - н-гептана (C7Hi6) и толуола (С7Н8) [71]:

И 20 Р4 Т°к, К

я-гептан 100 0,684 371,6

толуол 92 0,867 383,8

13

Видно, что плотность ароматического углеводорода - толуола по сравнению с алкановым углеводородом - //-гептаном примерно 1,3 раза выше, а по температуре кипения они различаются не столь существенно -всего на 12 градусов. Понятно, что для адекватного и универсального описания рассчитываемых свойств нефтяных систем применимы только двухфакторные модели.

В данной работе использовался т.н. информативный метод моделирования ФХС веществ [11]. Математическая формулировка задачи разработки модели ФХС этим способом сводится к следующему.

1. На основании известных данных физико-химических свойств /-го вещества определяется множество значений моделируемого у'-го свойства (Фу) и эмпирически выбирается математическая функция зависимости Фу от информационных параметров ц, г2, ... , 1т (или одного параметра в случае однопараметрической модели):

(1.1)

где т - число параметров.

В химической кибернетике в качестве таковой функции нередко принимается уравнение регрессии, которое применительно к однопараметрическим моделям имеет вид

Фу = а0 + а^ + а212 +... (1.2)

2. Имея массив экспериментальных значений Фу требуется так подобрать значения коэффициентов регрессии, чтобы математическая модель (1.2) наилучшим образом отвечала экспериментальным данным.

Математически эта задача сводится к минимизации суммы квадратов разностей экспериментальных и расчетных значений Фу и к определениею значений коэффициентов щ этого уравнения. Коэффициенты уравнения находились методом наименьших квадратов с помощью программы,

написанной на языке Pascal, и программы для работы с электронными таблицами Microsoft Excel.

В данной работе при моделировании ФХС углеводородных систем в качестве базовой функции вместо классического регрессионного использовано предложенное Доломатовым М.Ю. и Ахметовым С.А. теоретически обоснованное, так называемое трансцедентное параболическое уравнение вида [8,15,39]:

0i>j=(prXfo+cc1lxi+a2-xi+a3.yi+... ^ ^ ^

или степенного вида с меньшим числом коэффициентов:

Ф — (р • ха • z^, (1.4)

где х-г, yi - приведенные безразмерные информационные параметры, например, молярная масса, температура кипения (тк =Т% /100), относительная плотность р2/, показатель преломления n2£ и др.; а0, ccj, а2... - коэффициенты, характеризующие вклад межмолекулярных взаимодействий на энергетику макросостояния углеводородов; (р -значение Ф1 j при xt = 1.

1.2 Методы расчета основных физико-химических свойств

углеводородных систем 1.2.1 Молярная масса

Молярная масса вещества - это масса одного моля вещества. Для отдельных химических элементов молярной массой является масса одного моля отдельных атомов этого элемента, а для химических соединений, в т.ч. углеводородов, это сумма атомных весов элементов входящих в состав молекул. Молярная масса является важнейшей физико-химической

характеристикой всякого вещества. Молярная масса нефтепродуктов как смеси органических и неорганических соединений дает понятие об относительной молярной массе «средней» молекулы из числа молекул, входящих в состав нефтепродукта. В лабораторных условиях молярную массу вещества определяют криоскопическим методом.

Для определения молярной массы (М) узких нефтяных фракций были предложены графические зависимости, например номограмма Винна (Уинна) [2]. Учитывая широкое применение ЭВМ для выполнения расчетов вместо номограмм целесообразно использовать соответствующие аналитические зависимости.

Для расчета молярной массы узких фракций парафинистых нефтей наибольшее применение нашла формула Воинова Б.П.[29]:

М = 60 + 0,3- tcp + 0,001 • t2cp, (1.5)

где t^ - среднемольная температура кипения, °С.

Также для парафинистых нефтей предлагается однопараметрическая формула Крэга:

о*»

где рЦ - относительная плотность жидкости при 15 °С (60 °F)

(рЦ = 0,0093 +0,994-pf).

Для нефтяных фракций Воиновым Б.П. и Эйгенсоном A.C. была предложена модель, учитывающая влияние химической природы нефтей и нефтепродуктов [102]:

М = (7К-21,5) + (0,76 - 0,04К) tcp + (0,0003К - 0,00245) -t2cp, (1.7)

где К - характеризующий фактор (или фактор парафинистости Ватсона), вычисляемый по формуле:

к=.1,216 -ф^/р;:, (1.8)

где Тср=гср +273,15, К.

Из трехфакторных моделей стоит отметить формулу Мамедова [32]: 1ШМ = 1,9914 + 0,00194 • ^ + - А20), (1.9)

20

где пп - показатель преломления.

В современном мире наукоемких технологий графические методы не находят широкого применения из-за неудобства их использования и низкой точности. Отметим, что формула (1.9) является наиболее точной из выше представленных, но требует знания трех ФХС; формулы (1.5)-(1.6) обладают весьма низкой адекватностью.

1.2.2 Критические константы

Критическое состояние - это состояние двух равновесно сосуществующих фаз, при достижении которого фазы становятся тождественными по своим свойствам. Критическое состояние характеризуется критическими значениями температуры, давления, удельного объема, коэффициента сжимаемости. В критическом состоянии системы жидкость - пар удельные объемы жидкой и паровой фаз становятся одинаковыми, теплота фазового перехода обращается в ноль, исчезает граница раздела фаз и поверхностное натяжение. Поэтому критическое состояние можно рассматривать как предельное состояние однофазной системы. Параметры критического состояния системы (давление Ркр, температура Ткр, объем Укр) называется критическими параметрами. Критические константы используются во многих технологических расчетах[4].

Критические параметры индивидуальных углеводородов являются константами, зависящими от их природы, и широко представлены в

справочниках. Критические параметры смесей углеводородов зависят от состава смеси и являются приближенными величинами, их принято называть псевдокритическими параметрами. Критические параметры нефтяных фракций можно определить по графическим зависимостям [32,75], но для этого необходимо знать их среднеобъемную температуру кипения, относительную плотность и тангенс угла наклона кривой разгонки по ГОСТ. Так же в литературе предлагаются формулы для расчетов критических параметров, некоторые из них будут рассмотрены ниже.

Для расчета критических параметров индивидуальных углеводородов предложено много расчетных формул, которые подробно рассмотрены, например, в работах [44,54,68], отметим формулы для расчета критических констант углеводородных систем.

Для расчета Ткр нефтяных фракций предлагается уравнение Итона и Портера [54,68]:

Ткр — 355,1 + 0,97 • а - 0,00049 • а2, (1.10)

где а = (1 ,8T50o/oASTM - 359) рЩ, T50o/oASm - температура выкипания 50% фракции по ASTM или среднемолекулярная температура кипения фракции, К; рЩ - плотность продукта при 288 К относительно плотности воды при 288 К.

Так же в литературе предлагается следующая математическая модель [28]:

Ткр = 273,15 + [1,05 ■ tcp + 160), (1.11)

где tcp - средняя объемная температура кипения фракции, °С.

Критическое давление Ркр (Па) может быть рассчитано по уравнению

Льюиса:

105 Ткр

0-12)

М

где М - молярная масса (г/моль); К - константа, которая определяется по

таблице [62] в зависимости от свойств углеводорода или нефтепродукта.

Критический коэффициент сжимаемости можно рассчитать через ацентрический фактор по формуле Питцера [10]:

1

= 1,28 со + 3,41. (1.13)

Для расчета критических параметров углеводородов наибольшую популярность получил аддитивный (конститутивный) метод Лидерсена:

то

Т =

кр

{о,567 + ^АТ-&АТуУ (1Л4)

Р«р=М1&АР + 0,34)2, (1.15)

Укр=40 + ^АУ, (1.16)

где AT, АР, AV- значение долей критических параметров.

В работах [64,65,109] приводится подробный обзор предложенных в литературе методов расчета критических констант. Ахметовым С.А. и его аспирантами предлагается несколько методик для определения критических свойств углеводородных систем с достаточно высокой точностью [3,31,46,95] по уравнениям типа (1.3).

1.2.3 Теплота испарения

Теплота, поглощаемая жидкостью при переходе ее в состояние насыщенного пара, называется теплотой испарения (парообразования). Теплота парообразования представляет собой разность энтальпий насыщенного пара и насыщенной жидкости при одной и той же температуре.

В технологических расчетах чаще всего используют массовую и мольную теплоту испарения.

Для приближенных расчетов теплоты испарения углеводородных жидкостей в литературе предлагается уравнение Джиаколоне [64,65]:

г» _RT!1"{PJP0)

"ис 1 —Т° /т ' V1 •1 ')

к/ Щ>

Г» _«ТкЧп(р„р/Р0)

"UC - 1ГП У ' U'1<V

Уравнение (1.17) отличается удобством и простотой, но дает постоянно завышенные результаты по сравнению с экспериментальными значениями L°uc, в частности для алкановых углеводородов. Нернст [64,65] модернизировал уравнение путем ввода поправочного коэффициента:

L0 =■

ис

1-ТЦТ к / кр

Заключение диссертации по теме «Химия и технология топлив и специальных продуктов», Трапезникова, Елена Фанисовна

ВЫВОДЫ

1 Для использования в инженерных расчетах разработан упрощенный метод расчета ФХС углеводородов и углеводородных систем, который отличается простотой, но тем не менее обладает высокой адекватностью.

2 Разработаны методы расчета вязкости и плотности углеводородов при различных термобарических параметрах.

3 Предложен новый подход к решению проблемы описания состояния реальных газов с помощью коэффициента сжимаемости газов. Предложенная математическая модель для расчета коэффициента сжимаемости проста в использование и отличается высокой адекватностью.

4 Разработаны формулы для расчета теплофизических свойств углеводородов и углеводородных систем: теплоемкости и энтальпии паров углеводородов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Трапезникова, Елена Фанисовна, 2011 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Абаев Т.Н. Определение молярной массы и плотности нефтепродуктов при помощи компьютерной системы // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2003. - №9. - С.17-18.

2. Александров H.A. Перегонка и ректификация в нефтепереработке. -1981. - 353 с.

3. Аль-Окла Вахиб Абдель Моделирование физико-химических свойств углеводородов и подготовка нефти. Диссертация ... кандидата технических наук. - Уфа: УГНТУ, 2004 - 144 с.

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

5. Ахметов С.А., Гайсина А.Р. Моделирование и инженерные расчеты физико-химических свойств углеводородных систем. - Санкт-Петербург: Недра, 2010.- 152 с.

6. 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.

7. Ахметов С.А., Гостенова H.A. Практикум по инженерным расчетам физико-химических свойств углеводородных систем. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2006. - 148 с.

8. Ахметов С.А. Одна формула и... вся химия. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2000.-33 с.

9. Ахметов С.А. и др. Технология, экономика и автоматизация процессов переработки нефти и газа: учебное пособие. - М.: Химия, 2005. - 736 с.

10. Ахметов С.А., Аль-Окла В.А. Новые универсальные модели физико-химических свойств углеводородов и узких нефтяных фракций. Универсальная модель для расчета молекулярной массы углеводородов и узких нефтяных фракций// Известия вузов. Нефть и газ. - 2002. - № 2.

11. Ахметов С. А., Гостенова H.A. Метод расчета стандартных и критических физико-химических свойств углеводородов по их структурным формулам// Известия ВУЗов. Нефть и газ. - 2005. - №6. -С. 92-95.

12. Ахметов С. А., Умергалин Т.Г., Ка A.C. Моделирование характеристических свойств индивидуальных углеводородов // Тезисы докладов 5 международной конференции «Методы кибернетики химико-технологических процессов». - Т.2, Кн.1. Уфа: УГНТУ, 1999. -С.99-100.

13. Ахметов С. А., Ка A.C. Математическая модель критического коэффициента сжимаемости // Тезисы докладов 5 международной конференции «Методы кибернетики химико-технологических процессов». - Т.2. Кн.1. Уфа: УГНТУ, 1999. - С. 101-102.

14. Ахметов С.А. Экологическая химмотология топлив и масел. - Уфа: УГНТУ, 2008. 150 с.

15. Ахметов С.А., Умергалин Т.Г., Ка A.C., Зидиханов Т.М, Астахов Е.О. Информационно - энтропийный метод моделирования стандартных свойств веществ // Тезисы докладов 5 международной конференции «Методы кибернетики химико-технологических процессов». - Т.2, Кн.1. Уфа: УГНТУ, 1999. - С.65.

16. Ахметов С.А. Универсальная математическая модель для расчета температур кипения при нестандартных давлениях // Тезисы докладов 5 Международной конференции «Методы кибернетики химико-технологических процессов». - Т.2, Кн.1. Уфа: УГНТУ, 1999. - С.98.

17. Ахметов С.А., Аль-Окла В. А., Умергалин Т.Г. Новые универсальные модели физико-химических свойств углеводородов и узких нефтяных фракций. Известия вузов. Нефть и газ. - 2005, №1, с.30-34.

18. Ахметов С. А., Трапезникова Е.Ф. Новый подход к решению термобарического состояния реальных газов и жидкостей //

Технологии нефти и газа. - 2011. - №1. - С. 24-29.

19. Ахметов С.А., Трапезникова Е.Ф., Шамова H.A. Новые модели для расчета теплоемкости и теплосодержания углеводородных паров// Технологии нефти и газа. - 2011. - №3. - С. 41-46.

20. Ахметов С.А., Трапезникова Е.Ф. Метод расчета динамической вязкости жидких углеводородов и газоконденсатов// Башкирский химический журнал.-2011.-Том 18. - №5. - С. 165-168.

21. Бачинский А.И. Избранные труды. - М.: Издательство АН СССР, 1960. -276 с.

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

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

24. Быков Г.В. История классической теории химического строения. - М.: Изд-во АН СССР, 1960. - 312 с.

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

26. Введенский A.A. Термодинамические расчеты нефтехимических процессов. - JI: Гостоптехиздат,1960. 570 с.

27. Веников В.А. Теория подобия и моделирования. - М.: Высшая школа, 1976.-479 с.

28. Власов В.Г. Физико-химические свойства нефтей, нефтяных фракций и товарных нефтепродуктов: учебное пособие для вузов. - Самара: СГТУ, 2005, 138 с.

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

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

31. Гайсина А.Р. Разработка методов оценки физико-химических свойств нефтяных углеводородных систем. Диссертация ... кандидата

технических наук. - Уфа: УГНТУ, 2009 - 122 с.

32. Галимов Ж.Ф. Химия природных энергоносителей. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2007. - 442 с.

33. Гаркушин И.К., Агафонов И.А., Копнина А.Ю., Калинина И.П. Фазовые равновесия в системах с участием н-алканов, циклоалканов и аренов. - Екатеринбург: УрО РАН, 2006. - 127 с.

34. Голубев И.Ф., Агаев H.A. Вязкость предельных углеводородов. - Баку: Азернешр. 1964. - 158 с.

35. Голубев И.Ф., Гнездилов Н.Е. Вязкость газовых смесей. - М.: Издательство стандартов, 1971. - 327 с.

36. Гуревич Г.Р., Брусиловский А.И. Справочное пособие по расчету фазового состояния и свойств газоконденсатных смесей. - М.: Недра, 1984.-264с.

37. Даниэльс Ф., Олберти Р. Физическая химия. - М.: Мир. 1978 - 645с.

38. Доломатов М.Ю. Фрагменты теории реального вещества. М.: Химия, 2005.-208с.

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

40. Дубовкин Н.Ф. Справочник по углеводородным топливам и их продуктам сгорания. - М. - Л.: Госэнергоиздат, 1962. - 288 с.

41. Дьяконов Г.К. Вопросы теории подобия в области физико-химического процессов. - M.: АНСССР, 1956. - 206с.

42. Евдокимов И.Н., Елисеев Н.Ю. Молекулярные механизмы вязкости жидкости и газа. Часть 1. Основные понятия. - М.: РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина. 2005. - 59 с.

43. Жук К. Д., Тимченко A.A., Родионов A.A. и др. Построение современных систем автоматизированного проектирования. - Киев: Наукова думка, 1983. - 248 с.

44. Жуков Н.П., Быченок В.И., Черепинников И.А., Кузьмин С.Н. К

расчету критических параметров нефтепродуктов. /Химия и технология топлив и масел, №4, 1993. - С. 29-32.

45. Илембитова Р.Н Разработка методов расчета теплофизических и физико-химических свойств нефтяных фракций и нефтепродуктов. Дис.. .канд.техн.наук. - Уфа: УНИ, 1984. - 278 с.

46. Ка Агостиньо да Сильва Конститутивный принцип моделирования физических свойств углеводородов - компонентов нефтяного сырья. Диссертация кандидата технических наук. - Уфа: УГНТУ, 2001 - 107 с.

47. Казарян В. А. Теплофизические свойства индивидуальных углеводородов и газовых конденсатов. - М: Издательство «Техника», 2002. - 448 с.

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

49. Кафаров В.В., Мешалкин В.П., Перов B.JI. Математические основы автоматизированного проектирования химических производств: Методология проектирования и теория разработки оптимальных технологических схем. - М.: Химия, 1979. - 320 с.

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

51. Кирпичев М.В. Теория подобия. - М.: Изд-во АН СССР, 1953. - 94 с.

52. Комиссаров Ю.А., Гордеев JI.C., Вент Д.П. Основы конструирования и проектирования промышленных аппаратов: Учебное пособие для вузов. - М.: Химия, 1997. - 368 с.

53. Краткий справочник физико-химических величин /под ред. К.П. Мищенко, A.A. Равделя. - JL: Химия, 1974. - 200 с.

54. Кузнецов A.A., Кагерманов С.М., Судаков E.H. Расчеты процессов и аппаратов нефтеперерабатывающей промышленности. - М., Химия, 1974.-335 с.

55. Кутепов А. М., Полянин А. Д., Запрянов 3. Д., Вязьмин А. В., Казенин Д. А. Химическая гидродинамика — М.: Квантум, 1996. — 336 с.

56. Магомадов A.C. Методика расчета плотности тяжелых нефтей при различных температурах и давлении // Известие вузов. Нефть и газ -2004 - №6. - С.46-49.

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

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

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

60. Нефти СССР: справочник. М.: Химия. - Т. 1. - 1971. - 504 е.; Т. 2. -1972.- 392 е.; Т. 3. - 1972. - 616 е.; Т.4. - 1974. - 787 с.

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

62. Ривкин C.JL, Александров A.A. Термодинамические свойства воды и водяного пара. - М.: Энергия, 1975. - 80с.

63. Рабинович Г.Г., Рябых П.М., Хохряков П.А., Молоканов Ю.К., Судаков Б.Н. / Под редакцией Судакова E.H. Расчеты основных процессов и аппаратов нефтепереработки. - М.: Химия, 1979. 568 с.

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

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

66. Рыбак Б.М. Анализ нефти и нефтепродуктов. - М.: Гостоптехиздат, 1969.-883 с.

67. Самарский А.А, Михайлов А.П. Математическое моделирование в информационную эпоху // Вестник Российской академии наук - 2004. -Т.4. - №9. - С.781-784.

68. Самойлов H.A., Ильина Е.Г. Инженерные методы расчета физико-химических свойств веществ: учебное пособие. - Уфа: Изд-во УГНТУ,

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

70. Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике. - М.: Наука, 1987.-432 с.

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

72. Статистика: Учебное пособие / Харченко Л.П., Долженкова В.Г., Ионин В.Г. и др. -М.: ИНФРА-М, 2002.-384 с.

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

74. Таблицы физических величин: справочник / под ред. И.К. Кикоина. -М.: Атомиздат, 1976. - 1008 с.

75. Танатаров М.А., Ахметшина М.Н., Фасхутдинов P.A. и др. Технологические расчеты установок переработки нефти. - М.: Химия, 1987.-352 с.

76. Татевский В.М. Теория ФХС молекул и веществ. - М.: Изд-во МГУ, 1987.-239 с.

77. Татевский В.М. Закономерности и методы расчета физико-химических свойств парафиновых углеводородов. - М.: Гостоптехиздат, 1980. - 114 с.

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

79. Темам Р. Уравнения Навье — Стокса. Теория и численный анализ — 2 - е изд. — М.: Мир, 1981,—408 с.

80. Термодинамические и транспортные свойства этилена и пропилена. Государственная служба стандартных и справочных данных. - М.: Издательство стандартов, 1971. - 182с.

81. Термодинамические свойства азота. Государственная служба стандартных справочных данных. - М.: Издательство стандартов, 1977. -351с.

82. Термодинамические свойства метана. Государственная служба стандартных справочных данных. - М.: Издательство стандартов, 1979. - 347с.

83. Термодинамические свойства кислорода. Государственная служба стандартных и справочных данных. - М.: Издательство стандартов, 1981.-303с.

84. Трапезникова Е.Ф. Новый подход к решению термобарического состояния реальных газов и жидкостей / С.А. Ахметов, Е.Ф. Трапезникова// Технологии нефти и газа. - 2011. - №1. _ с. 24-29.

85. Трапезникова Е.Ф. Новые модели для расчета теплоемкости и теплосодержания углеводородных паров / С.А. Ахметов, Е.Ф. Трапезникова, Н.А. Шамова // Технологии нефти и газа. - 2011. - №3. -С. 41-46.

86. Трапезникова Е.Ф. Метод расчета динамической вязкости жидких углеводородов и газоконденсатов/ С.А. Ахметов, Е.Ф. Трапезникова // Башкирский химический журнал. - 2011. - Том 18. - №5. - С.165-168.

87. Трапезникова Е.Ф. Термобарическая модель для расчета плотности углеводородов и их смесей / А.Р. Гайсина, Е.Ф.Трапезникова, С.А. Ахметов // Материалы Международной научно-практической конференции «Нефтепереработка - 2010». - Уфа: Изд-во ГУП ИНХП, 2010.-С.155-156.

88. Трапезникова Е.Ф. Метод расчета массовой доли углерода/ Е.Ф.Трапезникова, С.А. Ахметов // Материалы Международной научно-практической конференции «Нефтепереработка - 2011». - Уфа: Изд-во ГУП ИНХП, 2011. - С.211.

89. Физические величины: Справочник / И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. -М.: Энергоатомиздат, 1991. - 1232 с.

90. Филиппов Л.П. Подобие свойств веществ. - М.: МГУ, 1978. - 256 с.

91. Фасхутдинов Р.Р. и др. Химия природных энергоносителей. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2003. - 88 с.

92. Физико-химические свойства индивидуальных углеводородов / под. ред. 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 с.; - 1954.-вып. 5.-490 с.

93. Фукс Г.И. Вязкость и пластичность нефтепродуктов. - Москва -Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2003. - 328 с.

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

95. Шамова H.A. Новые методы расчета физико-химических свойств нефтяных углеводородных систем. Диссертация ... кандидата технических наук. - Уфа: УГНТУ, 2006 - 96 с.

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

97. Штрубе В. Пути развития химии. Пер. с нем. - М.: Мир, 1984 - т. 1 -239с.; т.2-278с.

98. Умергалин Т.Г., Галиаскаров Ф.М. Методы расчетов основного оборудования нефтепереработки и нефтехимии: учебное пособие. -Уфа: Изд-во «Нефтегазовое дело», 2007. - 236 с.

99. Умергалин Т.Г. Математическое моделирование основных химико-технологических процессов. Часть 1: учебное пособие. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2001. - 61 с.

100. Умергалин Т.Г. Основы вычислительной математики: учебное пособие.

- Уфа: Изд-во УГНТУ, 2003. - 106 с.

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

102. Эйгенсон A.C., Ивченко Б.Г. Методы расчета некоторых свойств дистиллятных нефтей // Сб. трудов ГрозНИИ. - 1976. - С.124-131.

103. Эрих В.Н., Расина М.Г., Рудин М.Г. Химия и технология нефти и газа.

- Л.: Химия, 1977. - 424 с.

104. Юхно Г.Ф. Расчет физико-химических свойств газов и газовых смесей

с использованием ЭВМ: учебное пособие. - Уфа: Изд-во УНИ, 1979. -80с.

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

106. Chuen C.F. Estimation of Liquid Heat Capacity / C.F. Chuen, A.C. Swanson //Can J. ofChem. Eng. -1973. - v.51. - p.596-600.

107. Hadden S.T. Heat Capacity of Hydrocarbons in the Normal Liquid Range / S. T. Hadden // J. Chem. and Eng. Data. - 1970. - v. 15. - № 1. - p.92-98.

108. Ruzicka V. Estimation of the Heat Capacities of Organic Liquids as a Function of Temperature Using Group Additivity. I. Hydrocarbon Compounds /V. Ruzicka, E.S. Domalski // J. Phys. Chem. Ref. Data. - 1993. - v.22. - №3. -p.597-618.

109. Hersch R.E., Fenske M.R. Ring analyses of Hydrocarbon mixtures // J. Inst. Petroleum - 1950. - v.36. - p. 624-630.

110. Smith A.S., Brown G.G. Correlating fluid viscosity // Ind. Eng. Chem. Ind. Ed. - 1943. - Vol. 35. - №6. - 705.