11. Тепловые свойства

При технологических расчетах аппаратов нефтеперерабатываю­щих заводов приходится учитывать такие тепловые свойства нефти и нефтепродуктов, как теплоемкость, теплота испарения и конденсации, энтальпия (теплосодержание), теплота сгорания и др.

Удельная теплоемкость вещества - количество тепла, которое требуется для нагрева 1кг данного вещества на 1°С. Удельная теплоемкость зависит от температуры, при которой она определяется. В приближенных расчетах иногда удельная теплоемкость вещества принимается постоянной. В таких случаях надо брать среднее значение удельной теплоемкости вещества в рассматриваемом пределе температур.

Единица измерения удельной теплоемкости в СИ - Дж/(кгК), кратные единицы - кДж/(кгК), МДж/(кгК).

Средняя теплоемкость жидких нефтепродуктов до температуры 200^оС может быть определена по формуле

(64)

где - относительная плотность нефтепродукта;Т - температура нефтепродукта.

Истинная теплоемкостьнефтепродукта в паровой фазе при малом постоянном давлении можно подсчитать по формуле

(65)

С учетом характеризующего фактора уравнение будет иметь вид

(66)

Для упрощенных расчетов можно пользоваться номограммой (Приложение 16).

Зная плотность жидкого нефтепродукта, можно определить по этой номограмме теплоемкость паров и жидкости нефтепродукта при температурах от 0 до 500°С. Например, для нефтяной фракции плотностью = 0,900 теплоемкость паров и жидкости при 300°С (на номограмме показано пунктирной линией) соответственно равна 1,96 и 2,31 кДж/(кгК).

Рис. 12. График для определения изменения теплоемкости

нефтяных паров с по­вышением давления

По графику (рис. 12) можно определить теплоемкость паров при повышенном давлении в зависимости от T_пр и Р_пр.

Пример 24. Определить теплоемкость паров нефтепродукта при 400°С и 1,5 МПа, имеющего = 0,750,Р_кр = 3,0 МПа и среднюю температуру кипения 110°С.

Решение. Определяем приведенные параметры T_пр и Р_пр.

Определяем теплоемкость паров при атмосферном давлении

По графику (рис. 12) находим (по Т_пр и Р_пр)

Теплоемкость смесей нефтепродуктов может быть выражена формулой

(67)

где - теплоемкость смеси и ее компонентов, кДж/(кгК); x₁,x₂,…,x_{n -} содержание компонентов, масс. доли.

Теплотой парообразования называется количество тепла, которое нужно сообщить единице массы жидкости, находящейся при температуре кипения, для того, чтобы перевести ее в газообразное состояние (при постоянном давлении). При конденсации пара (газа) происходит выделение теплоты.

Теплота испарения численно равна теплоте конденсации. Единица измерения теплоты испарения в СИ - Дж/кг; наиболее часто применяемые кратные единицы - кДж/кг, МДж/кг. Для химически чистых индивидуальных углеводородов теплота испарения известна и приводится в литературе. Поскольку нефтяная фракция представляет собой смесь углеводородов и поэтому выкипает не при строго определенной температуре, а в некотором интервале температур, тепло затрачивается не только на испарение, но и на повышение температуры смеси.

Теплота испарения нефтепродуктов значительно меньше теплоты испарения воды, что имеет большое значение в технологии переработки нефти и газа. В среднем теплота испарения легких нефтепродуктов составляет 250-340 кДж/кг, тяжелых 160- 220 кДж/кг. Значение теплоты испарения L для некоторых нефтепродуктов:

	L, кДж/кг
Бензин	293 - 314
Керосин	230 - 251
Масла	167 - 219

Теплота испарения при повышенном давлении меньше, а в вакууме больше, чем при атмосферном давлении, а при критических температуре и давлении она равна нулю. Для определения теплоты испарения парафинистых низкокипящих нефтепродуктов можно использовать уравнение Крега

(68)

На рис 13. дан график, по которому можно определить теплоту испарения в зависимости от t_ср.мол. и молекулярной массы или характеристического фактора К.

Теплота испарения (конденсации) может быть найдена по известной энтальпии нефтепродукта в паровой и жидкойфазе, при одинаковых температуре и давлении:

(69)

где - энтальпии нефтепродукта в паровой и жидкой фазе, кДж/кг.

Энтальпия жидких нефтепродуктов численно равна количеству тепла (в калориях или джоулях), необходимого для нагрева 1 кг продукта от 0°С (273 К) до заданной температуры. Энтальпией паров при заданной температуре принято считать количество тепла, необходимого для нагрева вещества от 0°С до заданной температуры с учетом испарения при той же температуре и перегрева паров. Энтальпия измеряется в кДж/кг.

Рис.13. График для определения теплоты испарения нефтяных фракций в зависимости от средней молекулярной температуры кипения, молекулярной массы, характеризующего фактора

Для определения энтальпии жидких нефтепродуктов пользуются уравнением (в кДж/кг)

(70)

Обозначив , получим упрощенный вид уравнения

(71)

Для определения энтальпии, паров нефтепродуктов при атмосферном давлении пользуются уравнением (в кДж/кг)

Обозначая , получим упрощенный вид уравнения

(72)

Энтальпия нефтяных паров при повышенных давлениях уменьшается, так как уменьшается теплота испарения. Для определения этого показателя можно пользоваться графиком, изображенным на рис. 14.

Разность энтальпий паров нефтяных фракций при повышенном и атмосферном давлении зависит от приведенных давления Р_пр и температуры Т_пр:

(73)

На графике (рис. 14) в зависимости от Т_пр и Р_пр находят поправку, которую нужно вычесть из энтальпии паров при атмосферном давлении для получения соответствующего значения энтальпии паров при повышенном давлении.

Пример 25. Определить энтальпию нефтепродукта молекулярной массы 100 при 330 °С и 3432 кПа. Нефтепродукт имеет Т_кр = 291°С, плотность =0,760.

Решение.Приведенное значение температуры определяют по формуле

Критическое давление определяют по формуле (29)

Затем определяют приведенное давление по формуле (31)

На рис. 21. находят в зависимости от Т_пр и Р_пр значение

Отсюда

При атмосферном давлении энтальпия паров данной фракции равна (см. Приложение 18) =1050,6 кДж/кг. Таким образом, искомое значение энтальпии приt = 330°С и П = 3432 кПа

Энтальпию смеси можно считать аддитивным свойством, если пренебречь теплотой растворения компонентов смеси друг в друге

(74)

где I_i, x_i — энтальпия и доля компонента в смеси.

В нефтепереработке широко используют водяной пар. Обычно пар применяют при самых разнообразных давлениях. Пары жидкости, в том числе и воды, могут быть в состоянии насыщения, либо в различной степени ненасыщенности.

Насыщенным паром какого-либо вещества можно назвать такой пар, который при данной температуре имеет максимальное давление и плотность. Любой пар, полученный до момента насыщения, можно назвать ненасыщенным. Перегретым называется такой пар, который имеет температуру более высокую, чем температура насыщенного пара данного давления. При изменении давления свойства водяного пара и воды резко меняются.

Значения теплоемкости воды, перегретого водяного пара, теплоты испарения, энтальпии перегретого и насыщенного пара даны в справочных таблицах. При пользовании таблицами для насыщенного водяного пара достаточно знать температуру или давление, чтобы найти все его тепловые свойства, так как для насыщенного пара определенному давлению соответствует определенная температура. Для перегретого пара, температура которого выше температуры насыщения, требуется знать температуру перегрева и давление.

Рис. 14. График зависимости энтальпий нефтяных паров от приведенных температуры и давления: а - узком интервалеТ_приР_пр;б- в широком интервалеТ_пр иР_пр

Задача 30. Определить теплоемкость паров нефтепродукта при t и Р, имеющего и Р_кр и среднюю температуру кипения t_ср.

параметры	Варианты
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
t00С	300	320	340	360	380	420	440	460	480	500
Р МПа	1,1	1,2	1,3	1,4	1,6	1,7	1,8	1,9	2,0	2,1
	0,700	0,72	0,74	0,76	0,78	0,8	0,82	0,84	0,86	0,88
Ркр МПа	2,7	2,8	2,9	3,1	3,2	3,3	3,4	3,5	3,6	3,7
tср 0С	100	120	140	160	180	200	220	240	260	280

Задача 31. Определить энтальпию нефтепродукта молекулярной массы М при t⁰C, Р кПа. Нефтепродукт имеет Т_кр, .

параметры	Варианты
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
t0С	350	345	340	335	330	320	315	310	305	300
Р кПа	3900	3800	3700	3600	3500	3400	3300	3100	3100	3000
ТкрºС	315	310	305	300	295	290	285	280	275	270
	0,82	0,81	0,8	0,79	0,78	0,77	0,76	0,75	0,74	0,73
М	190	180	170	160	150	140	130	120	110	100