1.3. ДАВЛЕНИЕ НАСЫЩЕННЫХ ПАРОВ

ДАВЛЕНИЕ НАСЫЩЕННЫХ ПАРОВ

Пар, находящийся в равновесии с жидкостью, является насыщенным. В состоянии насыщения пары обладают наибольшим давлением,  возможным при данной температуре. Для индивидуальных жидких веществ давление насыщенного пара является физической константой, зависящей только от свойств и температуры данной жидкости. Для жидкостей неоднородного состава, таких как, например, бензин, давление насыщенных паров при данной температуре является сложной функцией состава бензина и зависит от объема пространства, в котором находится паровая фаза. Поэтому для получения сравнимых результатов практических определений необходимо поддерживать соотношение паровой и жидкой фаз постоянным, т. е. проводить определения в стандартном аппарате.

Давление насыщенных паров – важная характеристика нефтей и нефтепродуктов. По величине давления насыщенных паров судят о количестве в них растворенных газов и низкокипящих фракций и их склонности к испарению.

Знание давления насыщенных паров позволяет обеспечить безопасность транспорта нефти и нефтепродуктов и снизить их потери при хранении. Давление насыщенных паров обеспечивает поведение, например, бензина в двигателе.

Для определения давления насыщенных паров существуют аналитические и графические методы. Наиболее распространенными являются график Кокса и сетка Максвелла. Они позволяют находить давление насыщенных паров фракций и углеводородов при заданной температуре, если известно давление насыщенных паров при какой-либо другой температуре. С помощью этих номограмм также можно найти температуру кипения нефтяных фракций или углеводородов при заданном давлении, если известна температура кипения при каком-либо другом давлении.

График Кокса (рис. 1.4) позволяет быстро и с достаточной для технических расчетов точностью определить давление насыщенных паров нефтепродуктов (углеводородов) при заданной температуре или по давлению насыщенных паров определить температуру кипения нефтепродукта (углеводорода). Для того чтобы воспользоваться графиком Кокса, предварительно необходимо определить молярную массу искомого продукта по его средней температуре кипения и сравнить с наиболее близким по молярной массе углеводородом.

Пример. Определить давление насыщенных паров бензиновой фракции 85 –  1200С при температуре 1600С.

Бензиновая фракция имеет среднюю температуру кипения 1030С. По формуле Воинова (1.18) рассчитываем молярную массу, она равна 101. По молярной массе определяем углеводород, которому соответствует исходная фракция:

По молярной массе определяем углеводород

На графике Кокса для углеводорода С7Н16 находим при 1600С значение давления насыщенных паров – оно равно 3500 мм рт.ст.

ДАВЛЕНИЕ НАСЫЩЕННЫХ ПАРОВ НЕФТЕПРОДУКТОВ

Номограмма (сетка) Максвелла (рис. 1.5) удобна своей простотой, она более точна для высококипящих фракций и поэтому чаще применяется.

Сетка Максвелла построена для давлений от 0,0001 до 100 МПа и температур от 0 до 16650С. Порядок пользования номограммой следующий: отмечают точку, соответствующую данному давлению насыщенных паров и температуре нефтепродукта, и соединяют ее с полюсом Максвелла. На полученной линии находят давление насыщенных паров при любой температуре.

Пример. Определить давление насыщенных паров при 2000С фракции, для которой давление насыщенных паров равно 0,1 МПа при 1300С.

Отмечаем  на  номограмме  точку, соответствующую  давлению     0,1 МПа и температуре 1300С, и соединяем ее с полюсом. По этой линии определяем давление насыщенных паров фракции при 2000С, оно равно 0,47 МПа.

Имеются графики для пересчета температур кипения нефтепродуктов при атмосферном давлении на глубокий вакуум и наоборот. Примером может быть номограмма UOP. Номограмма UOP (рис. 1.6) построена для давлений от 0,01 до 800 мм рт. ст. и температур от 150 до 6500С.

Пример. Определить температуру масляной фракции при атмосферном давлении, если она была отогнана в вакуумной колонне при остаточном давлении 10 мм рт. ст. и температуре 2400С.

Точку на правой шкале номограммы, соответствующую 10 мм рт. ст., соединяем с точкой на левой шкале, соответствующей 2400С, и на средней шкале находим искомую температуру.

Примером использования аналитических методов может служить расчет давления насыщенных паров алканов нормального строения и узких нефтяных фракций по уравнению Ашворта:

уравнение Ашворта

где T температура кипения при давлении РT, К;

T0  – нормальная температура кипения, К.

Давление насыщенных паров углеводородов также может быть рассчитано по уравнению Антуана:

уравнение Антуана

где P – давление насыщенных паров, мм рт. ст.;

А, В и С – коэффициенты, характерные для индивидуальных углеводородов и применимые в определенном диапазоне температур;

t – температура кипения, 0С.

Коэффициенты А, В и С, рассчитанные для различных углеводородов, приведены в справочной литературе [4, с. 165].

В случае растворов и смесей, подчиняющихся законам Рауля и Дальтона, общее давление насыщенных паров зависит от температуры и состава жидкой и паровой фаз и может быть вычислено по формуле

закон Рауля и Дальтона

где  П – общее давление насыщенных паров смеси, МПа (мм рт.ст.);

Пi–  парциальное давление компонентов смеси, МПа  (мм рт.ст.);

Pi– молярная концентрация компонентов смеси.

ДАВЛЕНИЕ НАСЫЩЕННЫХ ПАРОВ

Давление насыщенных паров индивидуальных углеводородов при различных температурах приводится в литературе [4, с. 174].

Давление насыщенных паров в международной системе единиц измеряется в Па (Н/м2), кПа, МПа (1 МПа = 1·103 кПа = 1·106Па). Кроме того, применяют единицы других систем: мм рт. ст., мм вод. ст., кгс/см2 , бар, psi, торр. Соотношение между этими единицами следующее:

1 кгс/см2 = 9,80665·104 Па (точно) » 0,1 МПа;

1 бар = 1·105 Па = 0,1 МПа;

1 psi = 6,89476·103 Пa = 6,9·103 Пa;

1 мм рт.ст. = 133,3 Па = 0,133 кПа;

1 мм вод.ст. = 10 Па;

1 м вод. ст. = 1·104 Пa = 1·10-2 МПа = 0,01 МПа;

10 м вод.ст. = 0,1 МПа = 1 кгс/см2.

Определение давления насыщенных паров моторных топлив проводят в герметичной стандартной металлической бомбе Рейда путем замера давления по манометру при стандартной температуре 38°С (1000F) по ГОСТ 1756-52.

График Кокса:

График Кокса

Сетка Максвелла:

Сетка Максвелла

График UOP:

График UOP

Рис. 1.6. График UOP

  

Прибор для определения давления насыщенных паров состоит из металлической бомбы, манометра и водяной бани (рис. 1.7). Мeталлическая бомба имеет топливную и воздушную камеры, которые соединяются между собой. Отношение объема воздушной каме-

ры к объему топливной находится в пределах 3,8-4,2. На верху воздушной камеры находится манометр.

Водяная баня снабжена нагревательным приспособлением с терморегулятором для поддержания постоянной температуры 38±0,3°С.

Порядок определения давления насыщенных паров нефтепродуктов следующий:

– разберите металлическую бомбу, отделив воздушную камеру от топливной;

– заполните топливную камеру испытуемым нефтепродуктом до верхнего края. Заполнение топливной камеры осуществляют с помощью специального приспособления, представляющего собой бутылку с плотно пригнанной пробкой, через которую проходят две стеклянные трубки. Одна из них должна доходить до дна бутылки и  служить для сообщения с атмосферой, а вторая трубка предназначена для перелива пробы. Вторая трубка с внутренней стороны вставлена заподлицо с пробкой, а с внешней выступает на такую длину, чтобы при переливе пробы она не достигала дна топливной камеры, находясь на расстоянии 7-10 мм от нее.

Схема прибора для определения давления

Рис. 1.7. Схема прибора для определения давления
насыщенных паров нефтепродуктов:

1 – нижняя (топливная) камера; 2 – верхняя (воздушная) камера;
3 – манометр; 4 – термометр; 5 – баня водяная; 6 – термостат

 

     Перед испытанием пробу и приспособление для переливания пробы в топливную камеру помещают в ледяную ванну;

– соедините топливную камеру с воздушной, несколько раз опрокиньте и встряхните аппарат;

– погрузите бомбу в водяную баню так, чтобы воздушная камера находилась в воде, а манометр – выше уровня воды. При погружении не должно быть утечки паров топлива;

– поддерживайте температуру бани 38±0,1°С;

– через 5 мин отметьте давление по манометру. Выньте аппарат из бани, встряхните несколько раз и снова поставьте в баню. Проводите встряхивание как можно быстрее, с тем чтобы избежать охлаждения аппарата и его содержимого. Повторяйте эти операции через каждые 2 мин до тех пор, пока показания манометра не перестанут изменяться. Отметьте «неисправленное» давление насыщенных паров испытуемого нефтепродукта (Рн.и, мм  рт. ст.);

– определите поправку к давлению насыщенных паров по следующей формуле:

где поправка к давлению насыщенных паров  - поправка к давлению насыщенных паров, мм рт. ст.

Поправку можно определить по табл 1.2, зная температуру и барометрическое давление, при котором устанавливали “неисправленное” давление;

 

Pa – атмосферное давление в месте проведения испытания, мм рт. ст.;

Pt– давление  насыщенных  паров  воды  при  температуре окружающего воздуха, мм рт. ст. (табл. 1.3);

t – температура окружающего воздуха, 0С;

P38– давление насыщенных паров воды при 380С, мм рт. ст.;

 – определите «исправленное» давление насыщенных паров нефтепродукта Р (мм рт. ст.), вычтя поправка к давлению насыщенных паров из «неисправленного» давления насыщенных паров, если температура окружающего воздуха ниже 380С, или прибавив, если эта температура выше 380С:                                         

Р = Рни ± поправка к давлению насыщенных паров.