Определение плотности нефти и нефтепродуктов в кг и м3

Химический состав нефти

Химические свойства нефти и газа зависят от химической структуры их состава. Этот состав достаточно прост. Основные его элементы — это углерод (С) и водород (Н). Углерода в нефтях содержится от 83-х до 89-ти процентов, водорода — от 12-ти до   14-ти процентов.

Также в нефтях присутствует небольшое количество серы, азота и кислорода, а также примеси различных металлов. Соединения углерода и водорода называются углеводородами (СН).

Нефть — это  горючая маслянистая жидкость, цвет которой варьируется от светло-желтого до черного, состав которой в основном представлен  углеводородными соединениями.

Из курса школьной химии известно, что все химические элементы образуют между собой различные соединения, соотношения элементов в которых зависит от их валентности. К примеру, вода (Н2О) — это два одновалентых атома водорода и одни двухвалентный — кислорода.

Самый простой с химической точки зрения углеводород — это метан (СН4), который является горючим газообразным веществом, составляющим основу всех природных газов. Обычно в природном газе содержание метана составляет  от 90 до 95 процентов и более.

За метаном следуют: этан (С2Н6), пропан (С3Н8), бутан (С4Н10), пентан  (С5Н12), гексан (С6Н14) и так далее.

Начиная с пентана, углеводороды из газообразного состояния переходят в жидкое, то есть — в нефть.

Углерод при соединении с водородом образует огромное количество  соединений, различных по своему химическому строению и свойствам.

Для удобства все нефтяные углеводороды разделены на три группы:

• Алканы (метановая группа) с общей формулой СnH2n+2. Эта группа представляет собой насыщенные углеводороды, поскольку все их валентные связи задействованы. С химической точки зрения они — самые  инертные, другими словами — не способны вступать в реакции с другими химическими соединениями. Структура  алканов может быть или линейной (нормальные алканы), или  разветвленной (изоалканы).
• Цикланы (нафтеновая группа) с общей формулой СnH2n. Их главный признак —  пяти — или шестичленное кольцо, состоящее из атомов углерода. Другими словами, цикланы, в отличие от алканов, имеют  замкнутую в цепь циклическую структуру. Эта группа тоже представляет предельные (насыщенные) соединения и в реакции с другими химическими элементами они также почти не вступают.
• Арены (ароматическая группа) с общей формулой СnH2n-6. Их структура — шестичленные циклы, в основе которых лежит ароматическое бензольное ядро (С6Н6). Их отличает  наличие между атомами двойных связей. Арены бывают моноциклическими (одно бензольное кольцо), бициклическими (сдвоенные кольца бензола) и полициклическими (кольца соединены по принципу пчелиных сот).

Нефть и природный газ  веществами с постоянным и строго определенным химсоставом не являются. Это сложные смеси  природных углеводородов, находящихся в газообразном, жидком и твердом состоянии. Однако эта смесь не является простой в привычном понимании. Ей ближе определение «сложный  раствор углеводородов», где в качестве  растворителя выступают   легкие соединения, а растворенные вещества — это высокомолекулярные углеводороды (в том числе асфальтены и  смолы).

Основное отличие раствора от простой смеси заключается в том, что компоненты, входящие его состав, могут  вступать во взаимодействие  друг с другом как с химической, так и с  физической точки зрения, и приобретать  в результате таких взаимодействий новые свойства, которых не было в первоначальных соединениях.

От чего зависит

Плотность нефтей зависит от множества факторов: в первую очередь от фракционного и химического состава, а также от содержания растворенных газов, условий образования и др.

В частности, чем глубже находятся залежи нефти, тем она легче. Дело в том, что чем глубже залегает нефть, тем она старше, и тем больше в ней накапливаются углеводороды, обладающие минимальной свободной энергией, такие как алканы.

Иногда из этого правила бывают исключения, которые, однако, объясняются вторичными явлениями, например миграцией нефти в верхние пласты.

Поскольку основу нефти составляют углеводороды, то ее плотность обычно меньше единицы. Плотности нефтепродуктов существенно зависят от фракционного состава и изменяются в следующих пределах:

Под плотностью обычно понимают массу вещества, заключенную в единице объема. Соответственно размерность этой величины — кг/м 3 или г/см 3 .

Для характеристики нефти, как правило, используют величины относительной плотности.

Относительная плотность () — это безразмерная величина, численно равная отношению массы нефтепродукта (m н t ) при температуре определения к массе дистиллированной воды при 4 0 С (m в t) , взятой в том же объеме:

t 4 = m н t / (m в t)

Поскольку плотность воды при 4 0 С равна единице, то численное значение абсолютной плотности и относительной совпадают.

Наряду с плотностью в нефтехимии существует понятие относительного удельного веса (). Относительным удельным весом () называется отношение веса нефтепродукта при температуре определения к весу дистиллированной воды при 4С в том же объеме.

Совершенно очевидно, что при одной и той же температуре плотность и удельный вес численно равны друг другу.

В соответствии с ГОСТом в нашей стране принято определять плотность и удельный вес при температурах 15 и 20 0 С.

Зависимость плотности нефтепродуктов от температуры имеет линейный характер. Зная плотность нефти при температуре t градусов, можно найти ее плотность при 20 0 С:

204 = t4 + t (t — 20)

где t — температурная поправка к плотности на 1 град, находится по таблицам или может быть вычислены по формуле:

t = (18,310 — 13,233204)10-4

В ряде случаев эту формулу приводят в несколько измененном виде и называют формулой Д.И. Менделеева:

t4 = 204 — t (t — 20)

Таким образом, плотность нефтей и нефтепродуктов уменьшается с ростом температуры.

Все нефтепродукты представляют собой смеси углеводородов. Среднюю плотность нефтепродукта определяют по правилу смешения и аддитивности:

1 V 1 + 2 V 2 + … + 3 V 3 m 1 + m 2 + … + m 3

V 1 + V 2 + … + V 3 m 1 / 1 + m 2 / 2 + … + m 3 / 3

Определение плотности проводят с помощью ареометров или нефтеденсиметров, а также гидростатических весов Мора-Вестфаля или пикнометрическим методом. Последний метод определения считается наиболее точным.

Плотность большинства нефтей меньше единицы и колеблется в диапазоне от 0.80 до 0.90. Высоковязкие смолистые нефти имеют плотность близкую к единице. На величину плотности нефти оказывает существенное влияние наличие в ней растворенных газов, количество смолистых веществ и фракционный состав. Плотность фракций нефтей плавно увеличивается по фракциям.

Для углеводородов средних фракций нефти с одинаковым числом углеродных атомов плотность возрастает в следующем ряду:

н.алканы н.алкены изоалканы изоалкены алкилциклопентаны алкилциклогексаны алкилбензолы алкилнафталины

Для бензиновых фракций плотность заметно увеличивается с увеличением количества бензола и его гомологов.

Для нефти и нефтепродуктов плотность является нормируемым показателем качества.

Молекулярный вес нефти и нефтепродуктов имеет лишь усредненное значение и зависит от состава и количественного соотношения компонентов смеси (М ср.) — усред. зн. ММ

Нетрудно определить, что первый представитель жидких углеводородов, входящих в состав нефти, — пентан, имеет молекулярную массу 72. У смолистых веществ она может достигать величины 1.5 — 2.0 тыс. у. е. Для большинства нефтей средняя молекулярная масса находится в пределах 250-300 у. е. По мере увеличения диапазона кипения нефтяных фракций молекулярная масса (М ср. ) плавно увеличивается от 90 (для фракции 50-100 0 С) до 480 (для 550-600 0 С).

Для упрощенных технологических расчетов существует формула Войнова:

М ср. = а + bt + ct 2 cр. (t ср. — средняя температура кипения)

В частности, для алканов эта формула имеет вид:

Мср. = 60 + 0.3 tср. + 0.001 t2cр.

За рубежом для характеристики молекулярной массы нефтей и нефтепродуктов нередко используют формулу Крега, в которой фигурирует значение плотности при 15 0 С:

Мср. = 44.2915/(1.03 — 15)

Для более точного определения среднего молекулярного веса нефтепродуктов пользуются экспериментальными данными, полученными криоскопическим и эбулеоскопическим методами.

Для технологических расчетов молекулярной массы используют специальные графики зависимости средней молекулярной массы от средней температуры кипения или плотности нефти.

Молекулярные веса отдельных нефтяных фракций обладают свойством аддитивности, поэтому, зная молекулярную массу отдельных компонентов и их содержание в смеси, можно рассчитать средний молекулярный вес нефтепродуктов:

М ср. = M 1 n 1 + M 2 n 2 + M 3 n 3 + …

температура нефть плотность молекулярный

Вязкость (или внутреннее трение) нефти и нефтепродуктов зависит от химического и фракционного состава. Различают динамическую (Ю) и кинематическую () вязкость (из физики = Ю /).

Динамическая вязкость (Ю) или внутреннее трение — это свойство реальных жидкостей оказывать сопротивление сдвигающим касательным усилиям. Это свойство проявляется при движении жидкостей. Единица измерения — н*с/м 2 .

Динамическую вязкость иногда характеризуют как сопротивление, которое оказывает жидкость при относительном перемещении двух слоев.

Кинематическая вязкость () — величина, равная отношению динамической вязкости (Ю) к ее плотности () при той же температуре, т.е. = Ю /

Кинематическая вязкость нефтей различных месторождений изменяется в широких пределах (от 2 до 300 сст — сантистокс при 20 0 С). Однако средняя вязкость большинства нефтей составляет величину от 40 до 60 сст.

Кинематическая вязкость является важнейшей характеристикой нефтяных смазочных масел, поскольку именно от величины вязкости зависит способность смазочного масла обеспечивать необходимый гидродинамический режим смазки. Неслучайно для смазочных масел, предназначенных для определенного вида машин и механизмов, величина вязкости (50 и 100 ) является главной нормирующей составляющей.

Определение кинематической вязкости проводят в стеклянных вискозиметрах, снабженных калиброванными капиллярами.

Для ряда нефтепродуктом нормированным параметром является так называемая условная вязкость, определяемая в металлических вискозиметрах.

Условной вязкостью называется отношение времени истечения из вискозиметра 200 мл нефтепродукта при температуре испытания ко времени истечения 200 мл дистиллированной воды при 20 0 С. Условная вязкость — величина относительная, безразмерная и выражается в условных градусах (0 ВУ).

Между величинами условной и кинематической вязкостью выведена эмпирическая зависимость:

для Ю от 1 до 120 сст t = (7.24 ВУ t — 6.25/ВУ t) или t = (7.31 ВУ t — 6.31/ВУ t)

для Ю > 120 сст t = 7.4 ВУ t .

Для нефтяных фракций по мере увеличения их молекулярного веса и температуры кипения вязкость значительно возрастает. Так, например, вязкость бензинов при 20 0 С приблизительно равна 0.6 сст, а вязкость остаточных масел 300-400 сст.

Следует помнить, что вязкость масел не обладает свойством аддитивности. Поэтому вязкость смеси масел нельзя определить расчетным путем как средневзвешенную величину. Для определения вязкости смесей пользуются специальными номограммами. По этим номограммам (кривым) можно установить в каких соотношениях следует смешать компоненты для получения масел с заданной вязкостью.

Значение вязкости сильно зависит от температуры. При низких температурах вязкость нефтепродуктов значительно повышается и наоборот. Поскольку многие масла и другие нефтепродукты эксплуатируются в широком диапазоне температур, то характер температурной кривой вязкости служит для них важной качественной характеристикой. Чем эта кривая (зависимость) более пологая, тем выше качество масла.

Зависимость вязкости от температуры описывается эмпирической формулой Вальтера:

lg = A — B lgT

где А и В- постоянные величины.

Для оценки вязкостно-температурных свойств нефтяных масел применяют следующие показатели:

отношение вязкости при 50 0 С к вязкости при 100 0 С (50 / 100 );

температурный коэффициент вязкости (ТКВ). Его определяют в диапазоне от 0 до 100 0 С и от 20 до 100 0 С по формулам:

ТКВ 0-100 =(0 — 100 )/ 50 и ТКВ 20-100 =1.25 (20 — 100 )/ 50

индекс вязкости — условный показатель, представляющий собой сравнительную характеристику испытуемого и эталонного масла. Обычно рассчитывается по специальным таблицам на основании значения кинематической вязкости при 50 и 100 0 С. В частности, его определяют как отношение значений кинематической вязкости нефтепродукта при 50 и 100 0 С, соответственно.

Владимир Хомутко

Время на чтение: 4 минуты

А А

Как определить абсолютную и относительную плотность нефти и нефтепродуктов?

– одна из важнейших характеристик нефти и нефтепродуктов, поэтому так важна точность её определения.

Различают два показателя этого параметра — абсолютный и относительный.

Абсолютной плотностью нефти и нефтепродуктов называют количество массы в единице объема. Она измеряется в граммах, килограммах и тоннах на кубический сантиметр или метр (г/см3, кг/м3). Определение этого показателя производят при 20-ти градусах Цельсия.

Относительная плотность представляет собой отношение плотности светлых нефтепродуктов или плотности нефти и темных нефтяных фракций, к значению этого параметра для дистиллированной воды при определенных температурах обеих жидкостей. Единицы измерения этот показатель не имеет. В нашей стране его определяют при 20-и градусах, а дистиллированной воды — при 4-х.

Этот показатель можно определить следующими методами:

• определение ареометром и денсиметром;
• пикнометрический метод;
• расчетный метод.

Просгатический метод

При этом способе платность определяется с помощью приборов — ареометров и нефтеденсиметров. С помощью первого можно определять плотность и температуру продукта, второго — только плотность. Заключается в погружении отградуированного на нефтепродукты ареометра в стеклянный цилиндр, заполненный нефтепродуктом, и отсчете по шкале по нижнему мениску величины погружения ареометра при данной температуре. Ареометры выпускаются с пределами измерения плотности, приведенными в таблице.

Характеристики ареометров

Пределы измерения плотности	Предназначения для нефтепродуктов
0,65-0,71	Авиабензины,
0,71-0,77	Автобензины
0,77-0,83	Керосины
0,83-0,89	Керосины, дизельное топливо, масла индустриальные
0,89-0,95	Темные нефтепродукты и масла

Пикнометрический метод для измерения плотности нефти

Определение плотности нефтепродуктов пикнометром основано на расчете отношения ее массы к массе чистой воды, при этом объем и температура вещества и воды должны совпадать. Плотность показывает сколько весит единица нефтепродукта.

В идеале плотность нефтепродуктов надо измерять при температуре +20°С, но на практике не всегда удается достичь этого. Если исследование проводилось при температуре, отличающейся от +20°С, следует провести перерасчет по специальной формуле. При работе с нефтью применяются два вида стеклянных пикнометров: с кольцевой меткой на горлышке и с капиллярным отверстием на пробке, через которое происходит удаление излишков исследуемого продукта.

Когда и на каких производствах применяется пикнометрический метод

Определение плотности нефти пикнометром целесообразно проводить на разных этапах производственного цикла:

• на этапе разделения нефтяного сырья на фракции;
• во время переработки полученных фракций и выработки компонентов товарных нефтепродуктов;
• при смешивании компонентов для получения товарных нефтепродуктов с определенными показателями качества.

На предприятиях измерение плотности нефти проводится в таких целях:

• для проведения коммерческих расчетов;
• определения качественных характеристик сырья;
• установления веса нефтепродуктов в цистернах и резервуарах.

Для каких именно видов нефтепродуктов можно использовать пикнометр

С помощью данного прибора можно определять показатели плотности практически всех видов нефтепродуктов:

• топлива (авиационного и автомобильного бензина, дизельного топлива, керосина и др.);
• смазочных материалов;
• растворителей;
• битумов;
• нефтехимического сырья;
• сжиженных углеродных газов и др.

Суть метода

Для проведения исследований понадобятся такие приборы и материалы: стеклянный пикнометр с меткой и капиллярной трубкой, термостат, дистиллированная вода, хромовая смесь, фильтровальная бумага, этиловый спирт.

Последовательность действий:

1. Пикнометр надо промыть хромовой смесью, затем водой и спиртом.
2. Сухой сосуд взвешивают с точностью до 0,0002 г, затем в него набирают воду (выше метки).
3. Прибор с водой выдерживают в термостате в течение 30 минут при температуре +20°С (допустимое отклонение ±0,1°C).
4. Когда уровень жидкости в стеклянном сосуде установится на одном уровне — надо убрать избыток воды, доведя его до верхнего мениска. Вытереть шейку прибора бумагой и закрыть его пробкой.
5. Прибор с жидкостью надо взвесить.
6. Теперь надо определить водное число пикнометра. Его рассчитывают как разницу между массой сосуда с водой после термостатирования и массой пустого сосуда.
7. Следующий этап — определение плотности нефти (нефтепродукта). Для этого чистый и сухой измерительный прибор наполняют веществом немного выше метки. При этом надо постараться не замазать стенки сосуда.
8. Затем пикнометр необходимо закрыть пробкой и термостатировать при +20°С в течение получаса.
9. Как только уровень вещества перестанет меняться, его излишки надо убрать пипеткой так, чтобы уровень находился напротив верхнего мениска.
10. Прибор с нефтепродуктом взвешивают.

Точность

Метод позволяет получить очень точные результаты — до ±0,001 г/cм3. Необходимо отметить, что измерение плотности с помощью стеклянных пикнометров занимает много времени и потребует от лаборанта предельной внимательности. Поэтому на крупных предприятиях по переработке нефти целесообразно применять гелиевый пикнометр. Прибор выдает достоверные результаты за считанные минуты, при этом вмешательство человека сведено к минимуму.

Расчетный метод

Проводится на основании зависимости плотности нефтепродукта от его температуры. Для расчета используются паспортная плотность нефтепродукта при температуре 20 °С, определенная химической лабораторией НПЗ при его отгрузке. Заключается в отборе пробы нефтепродукта из резервуара или транспортного средства и измерении температуры с помощью термометра. Затем по таблице определяется величина изменения плотности на 1 °С, умножается на число градусов, отличающихся от 20 °С, и полученное число прибавляется или вычитается из значения паспортной плотности.

Интересные факты о нефти

1. Многие думают, что органические вещества, из которых образовалась нефть — это останки доисторических динозавров. Это не так. На самом деле 90% из них — фитопланктон и еще 10% останки других морских прибрежных микроорганизмов древних времен.
2. Нефть не залегает в подземных озерах или реках, а насыщает особые пористые горные породы-коллекторы. Именно они и образуют нефтяные месторождения.
3. Нефть спасла китов от абсолютного истребления. До того, как продукт первой нефтеперегонки, керосин, стали применять для освещения, из китового жира изготавливали косметические средства, свечи и даже использовали как первое защитное покрытие для  фотографий. Впоследствии спрос на жир кашалотов резко упал, а после и вовсе исчез из-за отсутствия экономической выгоды. Сегодня жир этих животных используют в крайне узкой сфере космических исследований, как смазочный материал, так как он не замерзает даже в условиях космического холода.
4. Когда-то давно, на заре становления нефтеперерабатывающей отрасли, бензин был бесплатным. Главным ее производным был керосин, а бензин интересовал потребителей только как средство для выведения вшей и пятен с одежды. За ненадобностью его даже сливался в реки.
5. Нефть одна из составляющих таких продуктов как жевательные резинки, губные помады, спортивное оборудование (мячи, ракетки, лыжи, покрытие газонов и пр.), приманки для рыбы и прочее оборудование для рыбалки.
6. Используется при создании зубных протезов и зубной пасты, гитарных струн (нейлон), духов, антиперспирантов и даже контактных линз.