Содержание к диссертации
Стр.
Введение 7
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
Основные понятия и определения 17
Понятие информации и информационной энтропии 20
Характеристика межмолекулярных взаимодействий 21
1.2.3.1. Фазовое состояние веществ. Межмолекулярные 22
взаимодействия. Принцип (закон) соответственных состояний
Дипольные моменты молекул 23
Типы межмолекулярных взаимодействий в газах и жидкостях 24
Принцип (закон) соответственных состояний 26
Критерий ацентричности молекул химических веществ 28
Характеристический фактор Ватсона 2 8
1.2.4. Принципиальные основы математических методов обработки 29
информации физико-химических свойств веществ
1.2.4Л. Метод опорных точек 29
1.2.4.2. Энтропийно-информационный метод обработки информации 30
2. Методы моделирования и расчета критических и стандартных 31
физико-химических констант углеводородов и нефтяных фракций
Энтропийно-информационная модель для расчетов критических 31 констант углеводородов по их температурам кипения и плотностям
Методы групповых составляющих Лидерсена 34
2.3. Универсальная модель для расчета молекулярной массы 36
углеводородов
2.4. Математическая модель для расчета молекулярной массы узких 40
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 58
3.1.1. Универсальная энропийно-информационная модель ДНП 58
углеводородов и узких нефтяных фракций
Унифицированная модель ДНП Антуана 61
Унифицированная модель ДНП Питцера 64
3.1.4. Термическая модель Ашворта 66
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 72
3.3-2. Модель Джиаколоне-Нернста 74
3.4. Универсальные математические модели термической 75
зависимости плотности жидкофазных углеводородов и узких
нефтяных фракций
Термическая модель для расчетов энтальпий нефтяных фракций 79 при атмосферном давлении
Математические модели для расчетов энтропии и изобарной 80 теплоемкости углеводородных газов
Стандартная и термическая модели вязкости углеводородных 84
газов
4. Моделирование и расчет стабилизации нефти сепарации 94
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 99
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
Приложение 2. Сравнение экспериментальных и расчетных значений 125
критической температуры углеводородов Ткр>
Приложение 3. Сравнение экспериментальных и расчетных значений 127
критического давления углеводородов Ркр,
Приложение 4. Сравнение экспериментальных и рассчитанных 130
значений давления насыщенных паров углеводородов
Приложение 5. Сравнение экспериментальных и вычисленных 133
значения р^ углеводородов
Приложение 6. Сравнение экспериментальных и расчетных значений 137
1?ис углеводородов
Приложение 7. Сравнение экспериментальных и расчетных значений 138
изобарной теплоемкости углеводородных газов
Приложение 8. Погрешность расчетов критической температуры 142
Приложение 9. Погрешность расчетов критического давления 142
Приложение 10. Погрешность расчетов критического коэффициента 143
сжимаемости
Приложение 11. Погрешность расчетов плотности 143
Приложение 12. Погрешность расчетов теплоты парообразования 144
Приложение 13. Погрешность расчетов изобарной теплоемкости 144
6 Основные условные обозначения
Т - абсолютная (термодинамическая) температура, К t — температура в С
X - безразмерная приведенная температура
9 — комплексированная температура
Р давление насыщенного пара
П - внешнее давление (давление в системе)
% - безразмерное приведенное давление
V - мольный объем
v - безразмерный приведенный объем М - молекулярная (молярная) масса Z - коэффициент сжимаемости L — теплота (энтальпия) парообразования Ср - изобарная теплоемкость Н - энтальпия AS - изменение энтропии р — плотность
Т|г1 — показатель преломления
dH - безразмерная изомольная плотность
а - поверхностное натяжение
V - кинематическая вязкость
(J, - динамическая вязкость
СО - коэффициент ацентричности Питцера
С*о, oti, Ct2 - коэффициенты математической модели
Дф - инкременты свойств
Д - относительная погрешность модели
Введение к работе
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;
ф - 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 2003 г.) 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.
Библиография содержит 109 источников.
