WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |

На правах рукописи

АЛЬ-ОКЛА ВАХИБ АБДЕЛЬ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ УГЛЕВОДОРОДОВ И ПОДГОТОВКА НЕФТИ Специальность 05.17.07 – «Химия и технология топлив и специальных продуктов»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа – 2004 2

Работа выполнена в Уфимском государственном нефтяном техническом университете Научный руководитель доктор технических наук, профессор Ахметов Сафа Ахметович

Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор Доломатов Михаил Юрьевич;

кандидат технических наук Чуракова Светлана Константиновна.

Ведущая организация ГУП «Институт нефтехимпереработки» АН РБ.

Защита состоится 28 мая 2004 года в 11-30 на заседании диссертационного совета Д212.289.03 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете (УГНТУ) по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Автореферат разослан “27” апреля 2004 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Абдульминев К.Г.

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. 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 их термобарических закономерностях разнообразных химических веществ и их смесей. Без данных о ФХC участвующих в химикотехнологических 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 может 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.

Актуальность разработки математических моделей ФХС углеводородных систем обусловливается также переходом на электронный тип носителей информации, необходимостью создания электронных библиотек, совершенствования автоматизированных систем проектирования технологических процессов разработки и переработки нефти, газоконденсатов и природных газов.

Цель работы. Разработать универсальные математические модели для расчетов критических и стандартных физико-химических свойств и их термической и барической зависимостей, а также для идентификации углеводородов; выбрать оптимальные режимы работы трехступенчатой сепарации нефти в соответствии с возрастающими экологическими требованиями.

Научная новизна. Разработаны математические универсальные модели для расчета стандартных и критических свойств и термобарических зависимостей углеводородов и узких нефтяных фракций, молекулярной массы, идентификации углеводородов и оценки химического состава узких нефтяных фракций, ряд термодинамических свойств углеводородов, в том числе теплоемкости, энтальпии и энтропии, термобарической зависимости констант фазового равновесия узких нефтяных фракций.

Практическая ценность. Предложена математическая модель для расчета физико-химических свойств углеводородных систем и узких нефтяных фракций, которая может быть использована при инженерных расчетах и проектировании массообменных аппаратов и химических реакторов технологических процессов нефтепереработки и нефтехимии.

Разработанная модель для расчета физико-химических свойств углеводородов и нефтяных систем используется 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 250400 «Химические технологии природных энергоносителей и углеродных материалов» и специализации 251800 «Основные процессы химических производств и химическая кибернетика».

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на секции «Нефтепереработка и нефтехимия» III, IV и V Конгресса нефтегазопромышленников России (2001, 2002 и 2003 гг.) 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, пяти глав, основных выводов и изложена на 144 страницах, включает таблицы и 7 рисунков.

Библиография содержит 109 источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цели и практическая значимость работы.

В первой главе дан анализ современного состояния теории моделирования ФХС газов и жидкостей, рассмотрены известные методы их расчета. Применительно к нефтехимической технологии предложены и находят достаточно широкое применение приближенные модели ФХС, например, для расчетов давления насыщенных паров нефтяного сырья, такие формулы как Кокса, Ашворта, Максвелла и др., базирующиеся на информации только о температурах кипения фракций, что нельзя считать теоретически обоснованными. Рассмотрены теоретические основы учения о ФХС веществ и основы математических методов обработки информации, основные понятия информации и информационной энтропии, характеристики межмолекулярных взаимодействий в жидкостях и газах, принцип соответственных состояний, критерии ацентричности молекул химических веществ, методы моделирования ФХС.

В предлагаемой модели используется в качестве базовой функции так называемое трансцендентное параболическое регрессионное уравнение вида 1 xi zi Yi = y0xi(0+ +2xi + +4zi +...), (1) где xi, yi, zi - приведенные информационные параметры модели.

Как показали модельные исследования, математические модели на базе уравнения (1) всегда оказываются универсальными, высокоточными и применимыми в широком интервале варьирования параметров.

Значение коэффициентов вычисляются на ЭВМ методом наименьших квадратов по массиву ФХС веществ, представленных в справочной литературе.

Во второй главе представлены методы моделирования и расчетов критических физических констант и молекулярной массы индивидуальных углеводородов и нефтяных фракций.

Применительно к нефтяным системам предлагается модель для расчетов критических констант углеводородного сырья по стандартной температуре кипения Т0кип и относительной плотности 20 + + + + 0 1 2 3 4 4 Ф =, (2) кр где = Т0кип / 100,,,,,, – коэффициенты модели.

0 1 2 3 В табл. 1 приведены значения коэффициентов модели для расчетов критических констант температуры Ткр (К), давления Ркр (бар), мольного объема Vкр (см3/моль) и коэффициента сжимаемости Zкр.

Таблица Значения коэффициентов модели для расчетов критических констант углеводородов Критические параметры Коэффициенты Ркр, (бар) Ткр, (0К) Vкр, (см3/моль) Zкр 191,4295 243,93 65,7138 0, -6,1405 -0,1666 5,4758 -0,2,2435 0,0065 -3,9963 -2,0,00334 -0,0046 -0,0578 -0,8,8838 1,8263 -5,9245 1,-4,4109 -0,9851 2,8085 -0,Сопоставление рассчитанных и экспериментальных значений критических констант Ткр, Ркр, Vкр индивидуальных углеводородов показывает адекватность предложенной математической модели, применимой и для узких нефтяных фракций (средняя, %= 1,4 и максимальная, %=2,8).

Разработана более точная по сравнению с эмпирической формулой Воинова Б.П. математическая модель для расчета молекулярной массы углеводородов:

20 3.1612+1.3014+0.0287 -2.3986 +1. 4 M = 3.9802, (3) где =Т0кип /100 - приведенная температура кипения.

Средняя погрешность предложенной модели составила менее 1,4 %, что показывает высокую адекватность предложенной математической модели, тогда как по модели Воинова Б.П. погрешность составляет 12,2 %.

Для узких нефтяных фракций при расчете молекулярной массы следует учитывать влияние содержания сернистых соединений в них (4) и разницу между реальной и среднеарифметической температурой кипения фракции (5):

20 3.1612+1.3014+0.0287 -2.3986 +1. 4 M = 3.9802, (3а) S ( 0,0954-0,768СS +0,2575СS ), (4) = 1 + 0,0794СS S Тср=1,01(Тн.к.+Тк.к.)/2, (5) где Сs – содержание сернистых соединений в пересчете на серу, % масс.; Тср – реальная средняя температура кипения; Тн.к., Тк.к. – температуры начала и конца кипения фракции соответственно. Результаты расчета для трех разных нефтей сведены в табл. 2.

Для безаналитической идентификации углеводородов и оценки химического (углеводородного) состава нефтей и нефтяных фракций в качестве количественного критерия идентификации предложена стандартная относительная изомольная плотность dиз, определяемая как отношение стандартных (при t=200 С) плотностей идентифицируемых химических соединений i20 и нормальных алканов на, имеющих одинаковые молекулярные массы 0 dиз = i20 / на. (6) Для расчета на получена следующая модель:

( -0,2373-11,606 / М +7,935.10-5 М ) на = 3,3539М. (7) Применительно к нефтяным системам с неизвестной молекулярной структурой расчет молекулярной их массы производился по формуле (3а).

Результаты расчетов dиз для углеводородов приведены в рис. 1.

Предложенный метод позволяет идентифицировать углеводороды по их температурам кипения и плотностям.

d0из 1,1,1,1,1,1,1,0,M 60 70 80 90 100 110 120 130 Рис.1. Номограмма для идентификации индивидуальных углеводородов:

- н-Алканы, - 1Алкены, + - 2- Метилалканы, ж - 3- Метилалканы, - Алкилциклопентаны, - Алкилциклогексаны, h - Алкилбензолы, - простые эфиры, – Спирты d0 из 1,1,1,1,1,1,0,М 70 100 130 160 190 220 250 280 310 340 370 Рис.2 Распределение dиз по молекулярной массе нефтей:

- - Балаханская, - Жетыбайская, - Тунгусская Таблица Сравнение экспериментальных и расчетных значений молекулярной массы узких нефтяных фракций Нефть Tср, (0К) Cs, % Mэкс. Mрасч., % 120,7 0,7625 0,0 105,0 107,75 -2,307,5 0,8640 0,0 225,0 223,18 0,395,9 0,8990 0,0 307,0 296,43 3,76,3 0,6955 0,010 94,0 94,49 -0,259,6 0,8390 0,900 207,0 205,31 0,344,4 0,8910 1,760 267,0 262,32 1,106,0 0,7170 0,080 112,0 111,98 0,298,0 0,8732 4,660 228,0 228,83 -0,449,5 0,9430 4,750 370,0 368,69 0,Из рис. 2, где представлены результаты расчетов dиз, видно, что наиболее высокими показателями dиз во всем интервале температур кая ская ская Шелканов Акташен Балаханс выкипания фракций характеризуется Тунгусская нефть ароматического типа, а наиболее низкими - Жетыбайская, относящаяся к парафиновому типу нефтей. Непрерывное возрастание значений идентификационного показателя dиз с повышением температуры выкипания нефтяных фракций обусловливается симбатным увеличением доли циклановых и ароматических составляющих в их молекулярной структуре.

Таким образом, изомольную плотность можно рассматривать как высокочувствительный идентификационный показатель не только применительно к углеводородам, но и нефтяным фракциям.

Третья глава посвящена разработке методов расчетов термической и барической зависимостей ФХС углеводородов и нефтяных фракций.

Давление насыщенных паров (ДНП) является одним из фундаментальных свойств химических веществ и важной термодинамической характеристикой равновесия жидкость – пар. С повышением температуры ДНП возрастает и при критической температуре Ткр принимает максимальное значение, равное критическому давлению Ркр.

Предложены модели, разработанные с использованием критических и стандартных констант (Ткр, Ркр, Ткип ) в качестве опорных точек:

- унифицированная модель Клапейрона-Клаузиуса:

ln PT P0 1 Tкип - 1 T = ; (8) ln Pкр P0 1 Tкип - 1 Tкр - унифицированная модель Антуана:

ln PT P0 1 (Tкип + C )- 1 (T + C ) =, (9) ln Pкр P0 1 (Tкип + C )- 1 (Tкр + С ) а также предлагаемая нами модель применительно к нефтяным системам:

20 20 ( + / + + + ( )2 + T / 273,15 ) 5 kun P = P0kun0 1 kun 2 kun 3 4 4 4, (10) где Р0 – стандартное давление, равное атмосферному; С – поправочный температурный коэффициент Антуана; = Т / Ткип.

Значения коэффициентов модели (10): 0 = –2,8718; 1 = 10,4113;

2 = 2,5858; 3 = –2,8981; 4 = 2,081 и 5 = 1,2406.

Показано, что унифицированная модель ДНП Клапейрона-Клаузиуса применима для любых химических веществ, однако, характеризуется посредственной адекватностью (до 5 %), что приемлемо только для приближенных расчетов. Унифицированная модель Антуана обладает по сравнению с (8) более высокой точностью, но требует предварительного вычисления значения С.

Сравнение экспериментальных и рассчитанных по модели (10) значений ДНП углеводородов показало адекватность < 3% и макс применимость для расчетов ДНП любого представителя гомологического ряда углеводородов, а также узких нефтяных фракций.

Барическую зависимость температуры кипения веществ следует рассматривать как обратную функцию термической зависимости ДНП при условии равенства ДНП жидкости внешнему (РТ=П). Решением унифицированной модели ДНП Клапейрона-Клаузиуса применительно к РТ = П :

0 п ln П / Р1 -Tкип Tкип, = Xп = (11) ln PKP P1 -Tкип Tкр П относительно Tкип является:

Tкип п Tкип =. (12) 1- Xп(1-Tкип TKP ) П Расчетами Tкип для углеводородов показано, что унифицированная модель (12) характеризуется достаточной точностью (MAX < 1,%).

Пользуясь табулированными справочными данными применительно к углеводородным системам, разработана следующая модель стандартной теплоты испарения L0 :

ис f ( 4 ) f (Tкип,4 ) L0 = 4659Ткип, (13) ис где 2,7365+ 4,4522Ткип+ 16,718+ 35,56784 -6,60954 20 f (Tкип,4 ) = -45,3939Ткип 8,20 f ( 4 ) = 26,869 - - 22,36554.

Сравнение расчетных по модели (13) и экспериментальных значений L0 показало адекватность предложенной модели (средняя =0,7, %), ис применимой и для узких нефтяных фракций.

По признакам адекватности и универсальности современным информационным требованиям в наибольшей степени удовлетворяют следующие термические модели плотности жидкостей:

- Мановяна А.К. применительно к нефтяным системам:

Pages:     || 2 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»