Дослідження кількісного вмісту скрапленого газу шляхом використання модельних рідинних систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Дослідження кількісного вмісту скрапленого газу шляхом використання модельних рідинних систем

Білинський Й.Й., Книш Б.П., Юкиш М.Й.

Запропоновано методику експериментальних досліджень по вибору модельної рідинної системи, яка являє собою сполуку близьку до скрапленого нафтового газу, та визначенню її температурної залежності, що дає можливість підтвердити адекватність запропонованого термометричного методу визначення кількісного вмісту скрапленого нафтового газу.

Ключові слова: пропан, бутан, скраплений нафтовий газ, кількісний вміст, модельні рідинні системи.

Предложена методика экспериментальных исследований по выбору модельной жидкостной системы, которая представляет собой соединение близкое к сжиженному нефтяному газу, и определению ее температурной зависимости, которая дает возможность подтвердить адекватность предложенного термометрического метода определения количественного содержания сжиженного нефтяного газа.

Ключевые слова: пропан, бутан, сжиженный нефтяной газ, количественное содержание, модельные жидкостные системы.

Вступ. На сьогодні знаходить широке використання скраплений нафтовий газ як паливо в двигунах автомобільного транспорту, так і установках муніципальних, промислових і сільськогосподарських об'єктів [1]. Дослідження скрапленого нафтового газу передбачає наявність різноманітних методів вимірювання таких його параметрів як тиск, маса, густина, кількісний вміст тощо. Для кількісного вмісту найбільш відомими методами є хроматографічний, який дає змогу визначити вміст як основних компонентів, так і домішок [2], хімічний, за допомогою якого визначається наявність рідкого залишку, вільної води та лугу [3], радіохвильовий та радіочастотний методи, які дозволяють визначити масові частки складових скрапленого нафтового газу [4]. Основними недоліками вищенаведених методів визначення кількісного вмісту скрапленого нафтового газу є висока вартість, складність процесу вимірювання та низька точність, що пов'язана з визначенням співвідношення лише суміші пропан-бутан, тоді як наявність домішок не враховується [2-4]. Таким чином, існує необхідність у створенні методу визначення кількісного вмісту скрапленого нафтового газу, який дає змогу при різних його температурних режимах визначати кількісний вміст не тільки основних компонентів суміші (пропан і бутан), але й вміст домішок.

Аналіз літературних даних і постановка проблеми. Скраплений нафтовий газ - це суміш пропану (С3Н8), бутану (С4Н10) і домішок (приблизно 1%) - етилен, пропілен, бутилен, амілен, гексилен, гептилен тощо [5]. скраплений газ модельний рідинний

Скраплений нафтовий газ транспортується в залізничних і автомобільних цистернах, зберігається в резервуарах різного об'єму в стані насичення: у нижній частині цистерни розміщується кипляча рідина, а у верхній знаходяться сухі насичені пари. При цьому відбуваються процеси випаровування та конденсації, які в двофазних середовищах протікають при постійному тиску (4,9 - 6,8 кПа) і температурі (до 50оС) [6].

Таким чином, основна перевага скрапленого нафтового газу - можливість існування при температурі навколишнього середовища і помірних тисках, як у рідкому, так і в газоподібному стані. У рідкому стані він легко переробляється, зберігається і транспортується, в газоподібному має кращу характеристику згоряння. [7].

Важливим контролюючим параметром при зберіганні та транспортуванні скрапленого нафтового газу є його кількісний вміст, який визначається за допомогою запропонованого термометричного методу [8]. Оскільки експериментальні дослідження скрапленого нафтового газу є складними, то їх проводять з використанням модельних рідинних систем.

Таким чином, метою роботи є розробка методики проведення експериментальних досліджень по вибору модельної рідинної системи та визначенню її температурної залежності для підтвердження адекватності запропонованого термометричного методу [8].

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні основні задачі:

1. Розробити методику до запропонованого методу.

2. Розробити експериментальну установку відповідно до розробленої методики.

3. Провести серію експериментів на установці з толуолом, ізооктаном та гексаном та отримати залежності масових часток цих сполук від температури.

4. На основі експериментальних залежностей масових часток від температури визначити найбільш близьку за своїми характеристиками сполуку до скрапленого нафтового газу.

3. Методика проведення експериментальних досліджень по вибору модельної рідинної системи та визначенню її температурної залежності

Для підтвердження адекватності роботи методів і засобів вимірювання на їх основі, як правило, проводять експериментальні дослідження з використанням або модельних систем, або високоточних засобів вимірювання. Розроблений стандартний зразок ГСО 10211-2013 [9] для повірки, калібрування засобів вимірювання густини скрапленого нафтового газу, контролю метрологічних характеристик при проведенні випробувань засобів вимірювання, який представлений у вигляді суміші скрапленого пропану і н-бутану, що знаходяться в балоні постійного тиску поршневого типу об'ємом від 2 до 6 дм3. Але дослідження в лабораторних умовах з використанням таких сумішей мають високу вартість і є складними, оскільки скраплений газ представляє собою двофазне середовище, яке складається з киплячої рідини та сухих насичених парів, що перебувають у рівноважному стані, а процеси випаровування та конденсації протікають при постійному тиску і температурі [10]. Тому в роботі для підтвердження запропонованого методу дослідження кількісного вмісту скрапленого нафтового газу [8] використані модельні рідинні системи, такі як толуол, ізооктан та гексан, які визначені, виходячи з близькості їх характеристик до скрапленого нафтового газу, доступності, ціни, токсичності та відомими значеннями густини [5], а також запропоновано методику проведення експериментальних досліджень, яка передбачає використання модельних рідинних систем.

Густина скрапленого нафтового газу згідно нормам ГОСТ 28656-90 - «Газы углеводородные сжиженные. Расчетный метод определения плотности и давления насыщенных паров» задається масовими частками пропану та бутану при відповідній температурі як

, (1)

де та - густина пропану і бутану при температурі , та - масові частки пропану і бутану.

Густина толуолу, ізооктану та гексану при температурі може бути визначена таким чином

, (2)

де - густина толуолу, ізооктану та гексану при 20оС, - середня температурна поправка густини, яка складає 0,000686 (для толуолу), 0,00091 (для ізооктану) і 0,000962 (для гексану).

При зіставленні залежностей густин пропану, бутану з густинами толуолу, ізооктану та гексану від температури, отримані з (1) і (2), встановлено, що характеристики для толуолу, ізооктану та гексану симетричні характеристикам для пропану та бутану. Це означає, що для визначення густини скрапленого нафтового газу, можна використовувати модельні рідинні системи, зокрема, толуол, ізооктан та гексан з подальшим калібруванням вимірювань та використанням їх отриманих значень для визначення кількісного вмісту скрапленого нафтового газу.

Виходячи з цього, запропоновано методику проведення експериментальних досліджень по визначенню еталонної модельної рідинної системи, яка передбачає:

- виділити пробу толуолу об'ємом 1 мл;

- пробу помістити на дзеркало рефрактометричного блоку рефрактометра;

- визначити дискретний крок зміни температури води, яка нагріває пробу толуолу, від однієї контрольної точки виміру до іншої;

- встановити максимальну температуру, до якої в калориметрі буде нагріватися вода;

- в кожній контрольній точці проводити вимірювання масової частки толуолу за допомогою рефрактометра;

- встановити експериментальні залежності масової частки толуолу від температури;

- провести аналогічні дослідження для ізооктану і гексану та порівняти їх характеристики з характеристиками толуолу;

- на основі експериментальних залежностей масової частки толуолу, ізооктану та гексану від температури визначити найбільш близьку за своїми характеристиками сполуку до скрапленого нафтового газу;

- визначити густину скрапленого нафтового газу шляхом вимірювань для подібної модельної рідинної системи з подальшим калібруванням отриманих значень;

- на основі отриманих значень густини визначити кількісний вміст скрапленого нафтового газу на основі запропонованого термометричного методу [8].

На рис. 1 показана експериментальна установка дослідження характеристик модельних рідинних систем, в яку входить калориметр 1, рефрактометр ИРФ-454 Б2М 2, який містить дзеркало рефрактометричного блоку 3, магнітний 4 і ртутні 5 термометри.

Рис. 1. Експериментальна установка дослідження характеристик модельних рідинних систем

В калориметр 1 подається нагріта вода, яка за допомогою двигуна перекачується до рефрактометричного блоку 3 рефрактометра 2 й поступово нагріває його. На дзеркалі рефрактометричного блоку 3 знаходиться проба модельної рідинної системи, яка досліджується. При визначеній початковій температурі, яка контролюється магнітним 4 і ртутними 5 термометрами, вимірюється показник заломлення та масова частка речовини. При підвищенні температури та досягненні наступного кроку вимірювання процедура повторюється. Причому магнітний термометр 4 забезпечує вимикання системи при досягненні максимальної температури.

На рис. 2 представлені результати дослідження модельних рідинних систем типу «Толуол», «Ізооктан», «Гексан» у вигляді множини характеристик - зміни масових часток від температури. Крім того, на рисунку наведені для порівняння теоретичні залежності зміни густин від температури для таких саме рідинних систем, як «Толуол (т)», «Ізооктан (т)», «Гексан (т)» та характеристики зміни густин від температури для компонентів скрапленого нафтового газу пропану та бутану.

Рис. 2. Теоретичні залежності густин пропану, бутану, а також толуолу, ізооктану, гексану та експериментальні залежності масових часток толуолу, ізооктану, гексану від температури: - пропан; - бутан; - толуол (т); - ізооктан (т); - гексан (т); - толуол; - ізооктан; - гексан

Як видно з рис. 2, найближчою до характеристик компонентів скрапленого нафтового газу пропану та бутану є характеристика гексану. Таким чином, дана сполука, в порівнянні з іншими, може бути використана в якості еталонної модельної рідинної системи, на основі якої буде визначатися густина скрапленого нафтового газу та його кількісних вміст.

Залежність між теоретичними характеристиками рідинних систем та їх експериментальними можна описати функцією:

, (3)

де - масова частка сполуки при 20оС, - масова частка сполуки при температурі .

Густина скрапленого нафтового газу здійснюється на основі відкаліброваних вимірювань для гексану, причому процес калібрування описується функцією:

, (4)

де - густина скрапленого нафтового газу при температурі , - масова частка гексану при температурі , - масова частка гексану при 20оС, - густина скрапленого нафтового газу при 20оС.

Таким чином, шляхом використання отриманих характеристик масової частки еталонної модельної рідинної системи з'являється можливість провести експериментальні дослідження засобу вимірювального контролю кількісного вмісту скрапленого газу, реалізованого на основі запропонованого термометричного методу [8], з використанням гексану в якості модельної рідинної системи.

Висновок

1. Запропоновано методику експериментальних досліджень по вибору модельної рідинної системи та визначенню її температурної залежності;

2. Розроблено експериментальну установку для дослідження характеристик модельних рідинних систем;

3. Проведено серію експериментів з модельними рідинними системами, а саме толуолом, ізооктаном та гексаном;

4. Встановлено, що гексан є оптимальною модельною рідинною системою і може використовуватись в якості еталону, на основі якого буде визначатися густина скрапленого нафтового газу та його кількісних вміст;

5. Підтверджена адекватність запропонованого термометричного методу визначення кількісного вмісту скрапленого нафтового газу.

Література

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

2. Sovlukov, A. S. Measurement of liquefied petroleum gas quantity in a tank by radiofrequency techniques [Text] / A. S. Sovlukov, V. I. Tereshin // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. - 2004. - Vol. 53. - № 4. - P. 1255-1261. http://dx.doi.org/10.1109/tim.2004.831173.

3. Nyfors, E. Industrial microwave sensors [Text] / E. Nyfors, P. Vainikainen. - Artech House, 1989. - 351 p.

4. Совлуков, А. С. Радиочастотный метод измерение массы сжиженного углеводородного газа [Електронний ресурс] / А. С. Совлуков, В. И. Терешин. - Режим доступу: \www/URL: http://uteoss2012.ipu.ru/procdngs/0654.pdf. - 03.07.2014.

5. Книш, Б. П. Визначення кількісного вмісту компонентів скрапленого нафтового газу [Текст] / Б. П. Книш, Й. Й. Білинський // Вісник Вінницького політехнічного інституту. - 2014. - №1. - С. 112 - 119.

6. Zoughi, R. Microwave non-destructive testing and evaluation [Text] / R. Zoughi. - Kluwer academic Publ., 2000. - 263 p.

7. Совлуков, А. С. Свойства сжиженных углеводородных газов. Особенности эксплуатации углеводородных систем [Електронний ресурс] / А. С. Совлуков, В. И. Терешин. - Режим доступу: \www/URL: http://www.avtozagruzka.com/publ3.pdf. - 03.07.2014.

8. Sovlukov, A. S. Determination of liquefied petroleum gas quantity in a reservoir by radiofrequency techniques [Text] / A. S. Sovlukov, V. I. Tereshin // Proc. of the 20th IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference. Vail, CO, USA. - 2003. - Vol. 1. - P. 368 - 373. http://dx.doi.org/10.1109/imtc.2003.1208182.

9. Sovlukov, A. S. Measurement of liquefied petroleum gas quantity in a tank by radio-frequency techniques [Text] / A. S. Sovlukov, V. I. Tereshin // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. - 2004. - Vol. 53. - № 4. - P. 1255-1261. http://dx.doi.org/10.1109/imtc.2003.1208182.

10. Совлуков, А. С. Проблемы и опыт разработки методик выполнения измерений для организации коммерческого учета СУГ [Електронний ресурс] / А.С. Совлуков, В.И. Терешин. - Режим доступу: \www/URL: http://www.avk-peterburg.ru/equipments/useful/art-2008-5. - 03.07.2014.

References

1. Rachevskyy, B. S. (2009). Szhyzhennыe hydrocarbon hazы. Oil and Gas, 640.

2. Sovlukov, A. S. (2004). Measurement of liquefied petroleum gas quantity in a tank by radiofrequency techniques. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, Vol. 53, № 4, 1255-1261. http://dx.doi.org/10.1109/tim.2004.831173.

3. Nyfors, E. (1989). Industrial microwave sensors, Artech House, 351.

4. Sovlukov, A. S. Radyochastotnыy method izmerenie massы szhyzhennoho hydrocarbon gas. Available: http://uteoss2012.ipu.ru/procdngs/0654.pdf. Last accessed 03.07.2014.

5. Knysh, B. P. (2014). Viznachennya kіlkіsnogo vmіstu komponentіv skraplenogo naphtha gas. Visnyk Vіnnitskogo polіtehnіchnogo іnstitutu, №1, 112 - 119.

6. Zoughi, R. (2000). Microwave non-destructive testing and evaluation. Kluwer academic Publ, 263.

7. Sovlukov, A. S. Properties szhyzhennыh uhlevodorodnыh gases. Features of operation uhlevodorodnыh. Available: http://www.avtozagruzka.com/publ3.pdf. Last accessed 03.07.2014.

8. Sovlukov, A. S. (2003). Determination of liquefied petroleum gas quantity in a reservoir by radiofrequency techniques. Proc. of the 20th IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference. Vail, CO, USA, Vol. 1, 368 - 373.

9. Sovlukov, A. S. (2004). Measurement of liquefied petroleum gas quantity in a tank by radio-frequency techniques. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, Vol. 53, № 4, 1255-1261. http://dx.doi.org/10.1109/imtc.2003. 1208182.

10. Sovlukov, A. S. Problems and Experience The development of techniques for measurements Perform auditing organization commercial SUH. Available: http://www.avk-peterburg.ru/equipments/useful/art-2008-5. Last accessed 03.07.2014.

Размещено на Allbest.ru