Визначення кількісного вмісту компонентів парової фази скрапленого нафтового газу

Размещено на http://www.allbest.ru/

Визначення кількісного вмісту компонентів парової фази скрапленого нафтового газу

Запропоновано метод визначення кількісного вмісту компонентів парової фази суміші скрапленого нафтового газу, що дозволяє підвищити загальну точність завдяки врахуванню не тільки кількісного складу пропану й бутану, але й домішок, які впливають на якість скрапленого газу та згубно діють на технологічне обладнання. Проведено моделювання, яке дозволило оцінити вплив температур та тисків на результати вимірювання кількісного вмісту компонентів парової фази скрапленого нафтового газу.

На сьогодні знаходять широке використання скраплені нафтові гази як паливо в двигунах автомобільного транспорту, так і установках муніципальних, промислових і сільськогосподарських об'єктів [1]. Скраплений нафтовий газ - це суміш пропану (С3Н8), бутану (С4Н10) і домішок (приблизно 1%) [2].

Варто відзначити, що в зимовий і літній час співвідношення в суміші пропан-бутан різне: зимовий варіант пального складає 70/30; літній варіант - 50/50 або 60/40. Це пояснюється тим, що при низьких температурах навколишнього середовища тиск пропану вищий, ніж у бутану, а, відповідно, вища його випаровуваність, що гарантує безперебійну подачу газу в сильні морози [3]. Бутан, вартість якого менша, ніж в пропану, випаровується менш інтенсивно, тобто при високих температурах навколишнього середовища знижується ризик виникнення високого тиску [4].

Крім суміші пропан-бутан в скрапленому нафтовому газі присутня незначна частка домішок - етилен, пропілен, бутилен, амілен, гексилен, гептилен. Їх вплив протягом довготривалого періоду на технологічне обладнання погіршує його роботу та може призвести до виходу з ладу. Це пов'язано з їх недостатньою розчинністю (етилен, пропілен, бутилен) та активним окисленням (амілен, гексилен, гептилен) [5]. Тому, постійне визначення кількісних складових скрапленого нафтового газу є надзвичайно важливим актуальним завданням, оскільки необхідно знати не тільки суміш пропан-бутану, але й наявність домішок.

Існує ряд методів і засобів визначення кількісного вмісту парової фази скрапленого нафтового газу. До них відносяться арбітражний метод, за яким по тиску охолодженої суміші скрапленого нафтового газу визначають кількісний вміст [6], методи виконання вимірювання маси скрапленого нафтового газу з подальшим визначенням його компонентного складу, розроблені компанією «АВК-Петербург» і широко впроваджені в ГНС «Лукойл» [7], радіочастотний метод, який дозволяє проводити автоматичний контроль [8]. На основі останнього реалізований сенсор комплексного вимірювання ДЖС-7М та вимірювальна система СУ-5Д, створені ЗАТ «Техносенсор» та ЗАТ «ЭЛСИ ПЛЮС», відповідно [9, 10]. Основними недоліками вищенаведених методів і засобів визначення кількісного вмісту парової фази скрапленого нафтового газу є складність технічного виконання і, відповідно, висока вартість, складність процесу вимірювання та низька точність, що пов'язана з визначенням співвідношення лише суміші пропан-бутан, тоді як наявність домішок не враховується.

Метою роботи є розробка методу визначення кількісного вмісту компонентів парової фази суміші скрапленого нафтового газу при використанні різних температурних режимів.

Для систем газозабезпечення найбільш придатним є технічний пропан (C3H8), оскільки він має високу пружність парів до -35°C (температура кипіння пропану при атмосферному тиску - -42,1°C). Навіть при низьких температурах з балону легко відбирати потрібну кількість парової фази в умовах природного випаровування. Це дозволяє встановлювати газові балони зі скрапленим пропаном на вулиці зимою і відбирати парову фазу при низьких температурах.

На відміну від пропану, при згоранні молекули бутану в реакцію вступають чотири атоми вуглецю і десять атомів водню, що пояснюється його більш високою теплотворністю. Бутан (C4H10) - більш дешевий газ, але відрізняється від пропану низькою пружністю парів, тому використовується тільки при температурах вище нуля. Температура кипіння бутану при атмосферному тиску - -0,5°C.

Тиск як самого пропану, так і бутану так і їх суміш суттєво залежать від температури [11]. З підвищенням температури тиск збільшується. Залежність абсолютного тиску бутану та пропану від температури зображена на рис. 1.

Рис. 1. Залежність абсолютного тиску бутану і пропану від температури

тиск нафтовий газ фаза

З рисунка видно, що залежність абсолютного тиску бутану є практично лінійною в діапазоні від -15оС до 15оС та від 20 оС до 40 оС, для пропану - від 5оС до 20оС та від 20оС до 40оС, що полегшує процес визначення вмісту складових скрапленого газу.

В роботі запропоновано метод визначення кількісного вмісту компонентів парової фази скрапленого нафтового газу при використанні різних температурних режимів. При цьому тиск скрапленого газу при відповідних температурних режимах можна описати системою рівнянь

де , , - кількісний вміст пропану, бутану та домішок, відповідно; , , - тиски пропану при температурах , , , відповідно; , , - тиски бутану при температурах , , , відповідно; , , - тиски домішок при температурах , , , відповідно; , , - тиски скрапленого нафтового газу при температурах , , відповідно.

Рішення системи рівнянь (1) дає змогу визначити кількісний вміст пропану, бутану та домішок , , , відповідно

Для узагальнення експериментальних даних досліджень різних процесів і речовин використовують критеріальні системи, що базуються на аналізі рівнянь руху та теплопровідності. Для використання таких рівнянь, які є рівняннями подібності необхідні таблиці фізичних властивостей робочих середовищ. Неточність визначення фізичних властивостей або відсутність їх для деяких речовин, зокрема скраплених нафтових газів, фізичні властивості яких в літературі мають досить суперечливі дані, звичайно при випадкових тисках і температурах, не дозволяє використовувати рівняння подібності. В той самий час існують точні дані про критичні параметри і молярної маси речовини. Це дозволяє, використовуючи приведені параметри і закон відповідних станів, який підтверджений численними дослідженнями і теоретично обґрунтований сучасною кінетичною теорією речовини, визначити невідомі параметри.

Для скраплених нафтових газів, які термодинамічно подібні, приведені рівняння стану, тобто рівняння стану, записані в приведених параметрах (; ; , де - критичний тиск, потрібний для скраплення газу при критичній температурі, - критичний об'єм, що відповідає критичній температурі, - критична температура, при підвищенні якої газ не може бути скраплений підвищенням тиску. Закони газового стану справедливі тільки для ідеального газу, тому в технічних розрахунках, пов'язаних з реальними газами, їх використовують в межах - 2 - 10 ·10-5 н/м2, - більше 0о С, - питомий об'єм (визначається за допомогою коефіцієнтом стиснення (ступінь відхилення від законів ідеальних газів)), для насичених вуглеводних газів (суміш рідкої і парової фази) при будь-яких ), мають однаковий вигляд. Найбільш відомим і вживаним рівнянням стану для реальних речовин є рівняння Ван-дер-Ваальса [12]:

,

де і - константи, які відповідають певній речовині; ; .

Таким чином, рівняння відповідних станів:

.

Звідси тиск скрапленого нафтового газу при температурі описується як

.

Тиски пропану при температурах , , , відповідно, використовуючи вираз (5), можна описати таким чином

,

де - критичний тиск пропану.

Тиски бутану при температурах , , , відповідно, використовуючи вираз (5), можна описати таким чином

,

де - критичний тиск бутану.

Тиски домішок при температурах , , , відповідно, використовуючи вираз (5), можна описати таким чином

,

де - критичний тиск домішок.

Враховуючи системи рівнянь (2), (6), (7), (8), можна визначити кількісний вміст пропану, бутану та домішок , , , відповідно.

На рис. 2 наведені результати моделювання запропонованої математичної моделі, які показують кількісний вміст пропану, бутану та домішок скрапленого нафтового газу , , , відповідно, в умовах зміни температури , а, отже, тиску .

Рис. 2. Кількісний вміст пропану, бутану та домішок скрапленого нафтового газу, відповідно, в умовах зміни температури , а, отже, тиску

тиск нафтовий газ фаза

У суміші скрапленого нафтового газу кількісний вміст пропану в умовах зміни тиску має тенденцію до падіння в той самий час, коли при аналогічній зміні кількісний вміст бутану зростає. Зміна кількісного вмісту домішок є незначною, однак, її варто враховувати. Причому, не лише тиск , але і відповідні значення температури , залежать від співвідношення сполук. На рисунку виділені температурні значення - 273 К ( ), 288 К ( ), 303 К ( ), які при відповідних співвідношеннях пропану та бутану відповідають зимовому варіанту пального - 70/30 ( ) і літньому - 60/40, 50/50 ( , )..

Висновок

Таким чином, встановлено, що запропонований підхід дозволяє підвищити загальну точність визначення кількісного вмісту компонентів парової фази скрапленого нафтового газу завдяки врахуванню не тільки кількісного складу пропану й бутану, але й домішок.

Проведено моделювання, яке дозволило оцінити співвідношення компонентів парової фази скрапленого нафтового газу в умовах зміни тиску та температури. Виділено температурні значення, в межах яких проводиться вимірювання, що відповідає різним варіантам пального при відповідних співвідношеннях пропану та бутану.

Список використаної літератури

1.Рачевский Б.С. Сжиженные углеводородные газы / Б.С. Рачевский. - М.: Нефть и газ, 2009. -- 640 с.

2.Газы углеводородные сжиженные, поставляемые на экспорт. Технические условия : ГОСТ 21443-75 - [Чинний від 2010 - 07 - 19]. - М: Миннефтехимпром СССР, 2004. - 13 с.

3.Все, что нужно знать о СУГ! [Електронний ресурс] : Ukrainian Context Optimizer. - Режим доступу : http://www.gaza-dostavka.ru/o-kompanii/stati/vse-chto-nuzhno-znat-o-sug.html.

4.Сжиженный углеводородный газ [Електронний ресурс] : Ukrainian Context Optimizer. - Режим доступу : http://www.etalongaz.ru/szhizhenniy_gaz.html.

5.Деркач Ф. А. Хімія / Ф. А. Деркач. - Л.: Вид.-во Львівського ун-ту, 1968. - 311 с.

6.Газы углеводородные сжиженные топливные для коммунально-бытового потребления: ГОСТ 20448-90 - [Чинний від 1992 - 01 - 01]. - М: Стандартинформ, 2005. - 7 с.

Размещено на Allbest.ru