Теплофизические свойства нефти и нефтепродуктов

Теплота испарения – количество тепла, расходуемое на превращение в пар 1 кг жидкости при температуре ее кипения (ее называют еще скрытой теплотой, т.к. она расходуется не на повышение температуры продукта, а на его испарение).

Средние значения теплоты испарения (в кДж/кг):

бензина – 293¸314; керосина – 230¸251; дизельных топлив – 209¸213; масел – 167¸209.

Теплоту испарения нефтяных фракций можно определить по следующей формуле

, (1.48)

где m – молекулярная масса; Т – средняя температура кипения, К.

Теплота конденсации – количество тепла, выделяющееся при конденсации пара в жидкость при той же температуре и численно равное скрытой теплоте испарения.

Теплота сгорания (теплотворная способность) – количество тепла, выделяемое при полном сгорании топлива, кДж/кг (нефть – 42·103кДж/кг, мазут – 41×103, уголь – 31×103, ацетилен – 49×103, спирт метиловый – 22×103).

Температура застывания – температура, при которой продукт теряет текучесть. С увеличением содержания в нефтепродукте тяжелых углеводородов температура застывания уменьшается. Данная характеристика является важным показателем для масел.

Температура кристаллизации – температура, при которой начинается выпадение углеводородов (в основном парафина), сопровождающееся помутнением нефтепродукта и изменением его вязкостных характеристик.

Зная последние две характеристики можно правильнее выбрать способы хранения и транспортировки продуктов с низкой температурой застывания.

Температура вспышки – температура, при которой смесь паров нефтепродукта и воздуха вспыхивает при поднесении к ней источника зажигания, но сам нефтепродукт не загорается. Данная характеристика является основной, по которой судят о степени огнеопасности продукта. В соответствии с международными рекомендациями к легковоспламеняющимся жидкостям (ЛВЖ) следует относить продукты с температурой вспышки tвсп ниже 61°С, к горючим – с tвсп 61°С. К пожароопасным продуктам обычно относятся нефтепродукты с tвсп <45°C. К ЛВЖ относятся автомобильные и авиационные бензины, спирты (tвсп 30¸40°С), керосины (tвсп =28¸60°С), к горючим – дизельные топлива (tвсп =60¸80°С), масла (tвсп =130¸200°С) и более тяжелые фракции.

Температура воспламенения – температура при которой загораются не только пары, но и сам нефтепродукт. Следует заметить, что чем больше в продукте легких фракций, тем ниже температура вспышки и воспламенения tв, тем легче они воспламеняются. По абсолютными значениям температура воспламенения выше температуры вспышки.

Температура самовоспламенения tсв – температура, при которой быстро нарастают химические реакции и нефтепродукт загорается, контактируя с воздухом, без поднесения пламени. Обычно tсв составляет 260¸350°С. На практике необходимо считаться с данной характеристикой и особенно в тех случаях, когда технологией предусматривается хранение или транспорт нефтепродуктов при высоких температурах (например, подогрев масла в цистернах). У эфиров tсв 200°С, у бензинов tсв >250°С, у дизельных топлив tсв =300¸330°С, у бензола tсв =660°С. Следует иметь ввиду, что с увеличением давления температура самовоспламенения уменьшается.

Температура кипения – температура, при которой происходит переход вещества из жидкого состояния в парообразное не только с поверхности вещества (как при испарении), а по всему объему.

Теплоемкость – количество тепла, которое необходимо затратить для нагрева 1 кг вещества на 1°. В зависимости от того к какому количеству продукта относится тепло, различают удельную (на единицу массы) и мольную (на 1 моль). Зная теплоемкость продукта можно определить необходимое количество тепла на нагревание его до требуемой температуры. Теплоемкость увеличивается с повышением температуры и уменьшением плотности. В зависимости от условий, при которых происходит процесс, для газов и паров различают теплоемкость при постоянном давлении (Cр) и при постоянном объеме (Сv). Различают также истинную теплоемкость (при данной температуре). Средневзвешенную теплоемкость смеси Ссм определяют по закону аддитивности

, (1.49)

где К – содержание отдельных составляющих смеси, %; С – теплоемкость компонента.

С достаточной точностью теплоемкость нефтепродукта можно определить по формуле Крего

, (1.50)

где – плотность нефтепродукта, кг/м³.

Для бензинов теплоемкость изменяется от 1,93 до 2,21 кДж/кг×К при изменении температуры с 0 до 50°С. Для реактивных топлив – от 1,91 до 2,15 кДж/кг×К.

Энтальпия (теплосодержание). Различают энтальпию для жидкостей углеводородов и для их паров. Под удельной энтальпией жидких нефтепродуктов при температуре t понимают то количество тепла gtж, которое необходимо затратить на нагревание 1кг жидкости от 0 до t. Энтальпия нефтепродуктов в паровой фазе слагается из количества тепла, расходуемое на нагрев жидкого нефтепродукта от 0 до температуры его кипения, его испарения (скрытая теплота испарения) и нагрев паров от температуры кипения до заданной температуры t.

В технологических процессах транспорта и хранения нефти и нефтепродуктов имеют место три основных явления теплообмена: тепловое излучение, конвенция, теплопроводность.

Излучение (лучеиспускание, радиация) – теплообмен между телами, находящимися на расстоянии друг от друга, посредством лучистой энергии, носителем которой являются электромагнитные колебания. Различные вещества обладают различной способностью поглощать и излучать энергию. Сухой воздух, кислород, азот, водород нагревают газами для тепловых лучей, т.к. углекислый газ и водяной пар способен поглощать и излучать энергию

Конвекция – перенос теплоты перемешиванием и перемещением частиц вещества. Различают свободную (естественную) и вынужденную (искусственную) конвенцию. Примером естественной конвенции является перемещение нефтепродукта при его хранении в резервуаре.

Теплопроводность – молекулярный процесс распространения теплоты внутри вещества от более нагретых менее нагретым.

Количество теплоты, передаваемое конвективным поверхностям, определяется основным уравнением теплопередачи

, (1.51)

где К – коэффициент теплопередачи, кВт/(м²К); Н – площадь поверхности теплообмена, м²; – температурный перепад, °С.

Коэффициент теплопередачи К – количество тепла, передаваемое от греющего потока к нагреваемому в единицу времени через единицу поверхности при разности температур 1°, (Вт/м²град).

, (1.52)

где – коэффициенты теплообмена от вещества к поверхности нагрева и от поверхности нагрева нагреваемому веществу; – толщина промежуточной стенки; – коэффициент теплопроводности стенки.

Коэффициент теплопроводности – количество тепла, которое проходит через единичную площадь слоя толщиной 1м при разности температур в один градус Вт/мград. При нормальном давлении теплопроводность можно определить по следующей формуле

, [Вт/м²×К] (1.53)

где – плотность нефтепродукта, кг/м³ при температуре t, °С.

В пределах температур с 0 до 50°С теплопроводность топлив изменяется от 0,124 до 0,114 Вт/м×К., т.е. с увеличением температуры значения уменьшается. Теплопроводность вещества зависит также от его химического состава, влажности, давления.

Коэффициент теплообмена – количество тепла, передаваемое в единицу времени единице площади поверхности нагрева (или от единице площади к нагреваемому потоку) при разности температур поверхности и потока 1°С, кВт/м²К. Этот коэффициент представляет собой сумму коэффициентов теплообмена конвекцией и излучениями ; зависит от режима потока, его плотности, направления потока и т.п.