Основные физические свойства и характеристики нефти и нефтепродуктов

Лекция №3.3: ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ Штарев Д.С. Нефть • от персидского нефт – вспыхивать, воспламеняться – горючая, маслянистая жидкость со специфическим запахом от светло-коричневого (почти бесцветного) до темно-бурого (почти черного) цвета. • В настоящее время в России действует государственный стандарт Р 518582002, в котором прописаны основные характеристики нефтей, добываемых на территории Российской Федерации. В соответствии со стандартом приняты два определения нефти: • Сырая нефть – жидкая природная ископаемая смесь углеводородов широкого физико-химического состава, которая содержит растворенный газ, воду, минеральные соли, механические примеси и служит основным сырьем для производства жидких энергоносителей (бензина, дизельного топлива, керосина, мазута), смазочных масел, битума и кокса. В соответствии со стандартом приняты два определения нефти: • Товарная нефть – нефть, подготовленная к поставке потребителю в соответствии с требованиями действующих нормативных и технических документов. • С химической точки зрения нефть представляет собой сложную смесь органических соединений, основу которой составляют углеводороды различного строения. Состав и строение нефти различных месторождений зачастую сильно отличаются друг от друга. В этой связи практически невозможно охарактеризовать нефть строгими характеристиками. К основны м характерист икам нефт и и нефтепродуктов от носятся: • • • • • • • • 1) плотность; 2) молекулярная масса (вес); 3) вязкость; 4) температуры вспышки, воспламенения и самовоспламенения; 5) температуры застывания, помутнения и начала кристаллизации; 6) электрические или диэлектрические свойства; 7) оптические свойства; 8) растворимость и растворяющая способность. Плот ност ь нефт и и нефтепродуктов. Бензин (плотность 0,710-0,750 г/см3) Керосин (плотность 0,750-0,780 г/см3) Нефть (плотность Дизельное топливо (плотность 0,8000,850 г/см3) Масляные погоны (плотность 0,800-0,950 г/ 0,980 г/см3) см3) Мазут (плотность  0,950 г/см3) 0,910- Гудрон (плотность 0,990-1,0 г/см3) Смолы (плотность > 1,0 г/см3) Относительная плотность () • это безразмерная величина, численно равная отношению массы нефтепродукта (mнt) при температуре определения к массе дистиллированной воды при 40С (mвt), взятой в том же объеме: t4 = mнt / (mвt). Относительный удельный вес () • отношение веса нефтепродукта при температуре определения к весу дистиллированной воды при 4 С в том же объеме. • В соответствии с ГОСТом в нашей стране принято определять плотность и удельный вес при температурах 15 и 20 С. • Зависимость плотности нефтепродуктов от температуры имеет линейный характер. Зная плотность нефти при температуре t градусов, можно найти ее плотность при 20 С: 204 = t4 + t ·( t - 20) • В ряде случаев эту формулу приводят в несколько измененном виде и называют формулой Д.И. Менделеева: t4 = 204 - t · ( t - 20) • t – температурная поправка к плотности на 1 град, находится по таблицам или может быть вычислены по формуле: t = (18,310 – 13,233·204) ·10-4 • Все нефтепродукты представляют собой смеси углеводородов. Среднюю плотность нефтепродукта определяют по правилу смешения и аддитивности: 1V1   2V2  ...   3V3  ср  V1 V2  ... V3 ср  m1  m2  ...  m3 m1 1  m2 2  ...  m3 3 • Для углеводородов средних фракций нефти с одинаковым числом углеродных атомов плотность возрастает в следующем ряду: • н.алканы  н.алкены  изоалканы  изоалкены  алкилциклопентаны  алкилциклогексаны  алкилбензолы алкилнафталины. • Для бензиновых фракций плотность заметно увеличивается с увеличением количества бензола и его гомологов. Для нефти и нефтепродуктов плотность является нормируемым показателем качества. Молекулярная масса (молекулярны й вес) • Нетрудно определить, что первый представитель жидких углеводородов, входящих в состав нефти, - пентан, имеет молекулярную массу 72. Молекулярная масса (молекулярны й вес) • У смолистых веществ она может достигать величины 1,5 – 2,0 тыс. у.е. • Для большинства нефтей средняя молекулярная масса находится в пределах 250-300 у.е. Молекулярная масса (молекулярны й вес) • По мере увеличения диапазона кипения нефтяных фракций молекулярная масса (Мср.) плавно увеличивается от 90 (для фракции 50-100 С) до 480 (для 550-600 С). • Для упрощенных технологических расчетов существует формула Войнова: Мср. = а + bt + 2 ct , cр. • В частности, для алканов эта формула имеет вид: Мср. = 60 + 0,3 tср. + 0,001 t2cр. • где tср. – средняя температура кипения. • За рубежом для характеристики молекулярной массы нефтей и нефтепродуктов нередко используют формулу Крега, в которой фигурирует значение плотности при 15 С: Мср. = 44,29·15/(1,03 - 15). • Молекулярные веса отдельных нефтяных фракций обладают свойством аддитивности, поэтому, зная молекулярную массу отдельных компонентов и их содержание в смеси, можно рассчитать средний молекулярный вес нефтепродуктов путем сложения: Мср.= M1n1 + M2n2 + M3n3 + … . • Связь между молекулярной массой и относительной плотностью нефтяных фракций определяется по формуле Крега: 15 44,29 М 15 1,03   • Вязкост ь (или внут реннее т рение) нефти и нефтепродуктов зависит от химического и фракционного состава. Различают динамическую (ή) и кинематическую () вязкость (из физики  = ή /  ). • Динамическая вязкост ь (ή) или внутреннее трение – это свойство реальных жидкостей оказывать сопротивление сдвигающим касательным усилиям соседних слоев жидкости. Это свойство проявляется при движении жидкостей. Единица измерения - Н·с/м2. Динамическую вязкость иногда характеризуют как сопротивление, которое оказывает жидкость при относительном перемещении двух слоев. • Кинемат ическая вязкост ь () – величина, равная отношению динамической вязкости (ή) к ее плотности () при той же температуре, т.е. =ή/ . • Для ряда нефтепродуктов нормированным параметром является так называемая условная вязкость, определяемая в металлических вискозиметрах. • Условной вязкост ью называется отношение времени истечения из вискозиметра 200 мл нефтепродукта при температуре испытания ко времени истечения 200 мл дистиллированной воды при 20 С. Условная вязкость – величина относительная, безразмерная и выражается в условных градусах (ВУ). • Для нефтяных фракций по мере увеличения их молекулярного веса и температуры кипения вязкость значительно возрастает. • Следует помнить, что вязкость смеси масел не обладает свойством аддитивности. Температ уры вспы шки, воспламенения и самовоспламенения • Температ урой вспы шки называется температура, при которой пары нефтепродукта, нагреваемого в определенных стандартных условиях, образуют с окружающим воздухом взрывчатую смесь и вспыхивают при поднесении к ней пламени. • Следует отметить, что при определении температуры вспышки бензинов и легких нефтей определяют верхний предел взрываемости, а для остальных нефтепродуктов – нижний предел взрываемости. • В среднем, температура вспышки бензинов находится в пределах 30-40 С, керосинов 30-60 С, дизельных топлив 30-90 С и нефтяных масел 130320 С. • Температ урой воспламенения называется температура, при которой нагреваемый в определенных условиях нефтепродукт загорается при поднесении к нему пламени и горит в течении не менее 5 секунд. Температура воспламенения всегда выше температуры вспышки. Чем тяжелее по составу нефтепродукт, тем больше эта разница. При наличии в маслах летучих примесей эти температуры сближаются. • Температ урой самовоспламенения называется температура, при которой нагретый нефтепродукт в контакте с воздухом воспламеняется самопроизвольно без поднесения внешнего пламени. • Чем ниже пределы кипения нефтяной фракции, тем она менее опасна с точки зрения самовоспламенения. Температура самовоспламенения уменьшается с увеличением среднего молекулярного веса нефтепродукта. Тяжелые нефтяные остатки самовоспламеняются при 300350 С, а бензины только при Температ уры заст ы вания, помут нения и начала крист аллизации. • Температ ура заст ы вания характеризует возможную потерю текучести нефтепродукта в диапазоне низких температур. Чем больше содержание парафинов (твердых углеводородов), тем выше температура застывания нефтепродукта. • Температ ура помут нения характеризует способность топлива поглощать при низких температурах влагу из воздуха (это особенно опасно для авиационных топлив, поскольку образующиеся кристаллики льда могут засорять топливоподающую аппаратуру, что может привести к катастрофе). • Температ ура помут нения характеризует способность топлива поглощать при низких температурах влагу из воздуха (это особенно опасно для авиационных топлив, поскольку образующиеся кристаллики льда могут засорять топливоподающую аппаратуру, что может привести к катастрофе).