ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РАСЧЕТНЫХ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 004.42+66.0

Махоня ВВ., Михайлова П.Г.

ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РАСЧЕТНЫХ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ

Махоня Вера Вячеславовна - бакалавр 4-го года обучения кафедры кибернетики химико-технологических процессов; veramakhonya@mail.ru

Михайлова Павла Геннадьевна - кандидат технических наук, доцент кафедры кибернетики химико-технологических процессов, mikhailova.p.g@muctr.ru;

ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.

Представлены результаты разработки программы для определения физико-химических свойств (плотности, вязкости и молекулярной массы) нефти и нефтепродуктов. Реализована возможность выбора различных формул, вывода справочной информации для расчетов из интегрированной базы данных, протокола расчета, а также справки по работе с программой и использованным методам.

Ключевые слова: вязкость, молекулярная масса, плотность, программное обеспечение, физико-химические свойства.

SOFTWARE IMPLEMENTATION OF CALCULATION METHODS FOR DETERMINING THE PHYSICOCHEMICAL PROPERTIES OF ORGANIC SUBSTANCES

Makhonya V.V.1, Mikhaylova P.G.1

1 D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation

The results of the development of a program for determining the physicochemical properties (density, viscosity and molecular weight) of oil and petroleum products are presented. It is possible to select various formulas, output reference information for calculations from an integrated database, calculation protocol, as well as help on working with the program and the methods used.

Key words: viscosity, molecular weight, density, software, physicochemical properties.

Введение

Значения физико-химических свойств (ФХС) помогают определять фракционный и групповой состав нефти, а значит рационально подбирать методы ее переработки. По плотности и вязкости классифицируют нефть и нефтепродукты для безопасного хранения и транспортировки, а случае разлива нефти - выбора правильного способа устранения разлива [1]. Возможность рассчитать ФХС имеет огромное значение на этапе проектирования технологических процессов и аппаратов, т.к. поиск необходимых данных составляет около 20% всего времени, затрачиваемого на проектирование. Для определения ФХС могут использоваться как экспериментальные, так и расчетные методы.

Разработка программы

В связи с изложенным целью настоящей работы является программная реализация расчетных методов определения физико-химический свойств органических соединений (нефти и нефтепродуктов).

В программе реализованы расчеты молекулярной массы, плотности и вязкости по соотношениям, приведенным далее.

Определить молекулярную массу можно по эмпирической формуле (1) установленной Воиновым [2]:

м = А + в-г^ + с-г%м (2)

где А, В ,С - коэффициенты, зависящие от класса углеводородов;

■ .....- средняя мольная температура кипения

Расчет возможно произвести по формуле Бриджимана (2), которая показывает зависимость молекулярной массы от плотности [3].

М =

3 Ч-РТ

(3)

где

р|°

относительная

плотность

нефтепродукта при температуре 20 \"„, :-; г ■■ :;:.

Формула Бриджимана (3) показывает зависимость молекулярной массы и средней температуры кипения

[4].

= 2,5 393)-4,7523, (4)

где £ — средняя температура кипения, К. Расчет плотности в узком интервале температур от О С до 150°С осуществляется по формуле Д.И. Менделеева [3].

(5)

где

Pi

относительная

плотность

0,58 , Г- 1200(pf - 0,68)],

-—in (t-20)---(t-20

pl° 1000

нефтепродукта при температуре V С, :-■: г ■■ :;:.

При температурах до 300°С расчет проивзодится по формуле А.К. Мановяна [5].

р\ = 1000р? „„ . . ....... .

Для газообразных ископаемых веществ относительная плотность зависит от давления и молекулярной массы, произвести расчет можно по формуле (6) [6].

(7)

273,15 М-Р

фракции, }:.

22,4 Т

где М — масса газа и пара, кг; Р — давление, 10° Па;

I — температура, К.

Вязкость является физической константой, характеризующей эксплуатационные свойства котельных и дизельных топлив и ряда других нефтепродуктов. По результатам расчетов можно судить о возможности распыления и прокачиваемости нефти и нефтепродуктов. Это также используется для дальнейших технологических расчетов.

В разрабатываемой программе вязкость рассчитывается по соотношениям (7) Вальтера - ASTM (American Society for Testing and Materials) [7]. \g(lg(v 10Л+ 0,8)) = a + b-lgT, (8)

где аиЬ— коэффициенты, определяемые на основании экспериментально полученных значении кинематической вязкости v1 и vz для двух температур 7 V.T .

Коэффициенты а и Ъ в формуле Вальтера - ASTM (American Society for Testing and Materials) рассчитывается по формуле [5,7]:

= = r_ - 5 - o- igT_ (9)

где b — коэффициент, определяемый на основании экспериментального значения кинематической вязкости для температуры 7 .

(lg(toOi + 0,8)) - \%{lg{v2 + 0,8))) (Ю

)

b =

где х>1иу2— кинематическая вязкость для двух температур 7 :: Г-.

Весьма часто для расчётов используют формулу Рейнольдса-Филонова [6]:

у = у_-?х?[-к-\.Т-Т_) (11)

где к — коэффициент крутизны

термовязкограммы; v^^ — для температуры 7_.

4'Viü

кинематическая вязкость

к =

(12)

Тг-Тг

В большинстве используемых формул присутствуют коэффициенты, которые являются справочными значениями и необходимы в ходе вычислений.

Возможность обращаться к справочной информации в программе реализуется с помощью базы данных (БД), что снижает время расчетов. В БД хранятся экспериментальные и справочные данные. На данном этапе была внесена информация о температурной поправке при определении плотности, значения констант, А, B, С в зависимости от характеризующего фактора k для расчета по формуле (1).

Логическая структура БД разработана в SyBase PowerDesigner (пробная версия). Физическая структура создана в среде Microsoft SQL Server, удобно интегрированную в систему Visual Studio 2022 IDE, в которой производилась сборка программы с использованием языка C#. Обращение прикладной программы к базе данных осуществлялось посредством SQLite. Такая реализация помогла отказаться от предустановленного программного обеспечения на компьютер пользователя и упростить установку.

Программа производит расчет после выбора необходимого свойства и формулы для расчета, ввода исходных данных, которые для каждого уравнения свои. Для расчета ФХС представлены три расчетных секции программы: плотность, вязкость и молекулярная масса (рис. 1).

База данных Сохранить Справка

Уравнение Мановяна|

Температура fQ

Раснитатъ плотность

Относительная плотность (кг/м3 при +20 *С)

Динамическая взякостъ

Молекулярная масса по плотности

Плотность (кг/м^

Относительная плотность (кг/м3 при +201)

Кинематическая вязкость (м2/с)

Рассчитать вязкость

Рассчитать молекулярную массу

Рис. 1. Интерфейс разработанной программы для расчета ФХС

Через интерактивные части можно выбрать уравнение, с помощью которого будет рассчитываться нужная характеристика (рис. 2а-в). Уравнение имеет свое название и уже после выбора будет доступна формула в выпадающем списке вместе с полями для ввода данных (рис. 2г).

При нажатии кнопки «Рассчитать "характеристику"», будут произведены вычисления и выведен результат (рис. 3). Если введены некорректные данные, то после нажатия на кнопку будет выведено предупреждение, что расчет не будет произведен.

Уравнение Мановяна

Уравнение Менделеева Относительность плотное™

.."■.»J4r.ii«»5« I и «.il "I.", IB ÏM 'И I МИ »¿U L-'

намическан взнкостъ

Динамическая взнкостъ

Вальтера-ASTM ÏT1, Т2, vi. v2) Вальтера-ASTM IT. а, Ь

IUII ILI'IU IPI4LLRUH UHJIMJC ILJ \

MULI LI

Расчитатъ плотность

Рассчитать вязкость

Молекулярная масса по плотшстй^^^^И 1v 1

Молекулярная масса по плотное™

Логарифмическая зависимость

Формула Воинова

Уравнение Мановяна

Температура ("С)

Относительна п плотность {кг/м3 при +2D "С)

Расчитатъ плотность

Рассчитать молекулярную массу

-2Ц

в г

Рис. 2. Диалоговые окна: а - выбора расчетного уравнения плотности, б - выбора расчетного уравнения вязкости, в - выбора расчетного уравнения молекулярной массы, г - ввода данных для расчета

Результат Метод

Плотность (г/см^З): 54S.34... Метод: Уравнение Мановяна

Классификация

Классификация: Тяжелая нефть

В программе реализована справка, в которой описываются основные моменты функционирования программы и используемые расчетные методы. Справка выводится в формате .doc.

Протокол расчетов можно выгрузить из программы в формате .txt.

Работа программы на примере расчета молекулярной массы

Найти молекулярную массу нефтяной фракции, имеющую среднюю молекулярную температуру кипения 250 °С и относительную плотность 0,850

[3].

В условиях высоких температур, расчет молекулярной массы можно произвести по формуле (1) Б.П. Воинова.

Прежде, чем использовать формулу (1), необходимо найти значение характеризующего фактора (12), от которого зависят коэффициенты уравнения (1).

М = 63 + 0.225 ■ (250 + 273,15) + 0.00115

Рис. 3. Окно вывода данных

К = (1,216« = (1,216;0/{р|° - 5я), (13)

yj "cp.Mj' fl5 V ' v Т-1 где tCp м = 2 tf ~ средняя мольная температура кипения фракции, К;

p\l - относительная плотность нефтепродукта при температуре .1 '■ :: у, г ■ : [ ■ ; 1 — температурная поправка на .1: i. На основе исходных данные, используя уравнение (2), получаем значение характеризующего фактора.

:-; = !i 3:Î =113::. (14)

Зная значение характеризующего фактора (13) можно, найти необходимые значения констант для уравнения (1) (Таблица 1).

Характеризующий фактор равен 11,5, значит необходимые константы будут равны, собственно, А = 53, Б = 2 223, С = 2 22113 (табл.). Подставляем известные константы в уравнение (1) Б.П. Воинова.

".232- 273 \3 - = 131 31 г.■':■[.:■ ль. (15)

б

а

Таблица 1. Значение констант A, B, C в зависимости от характеризующего фактора к

Характеризующий фактор k А В С

10,1 56 0,230 0,00080

10,5 57 0,240 0,00090

11,0 59 0,240 0,00100

11,5 63 0,225 0,00115

12,0 69 0,180 0,00140

Погрешность расчетов по уравнению Б.П. Воинова (1) составляет 5':-;..

Зная расчетное значение характеризующего фактора (13), обращаемся к базе данных, чтобы найти необходимые коэффициенты уравнения (1) (рис. 4).

После того, как введены данные для расчета, в программе выводится результат (рис. 5), который учитывает погрешность уравнения (1) в 5% из-за чего значение отличается от того, которое было получено в (14).

База данньи Сохранить Справка

Уравнение Мановлна

Значение констант

11.5

12

5Э

63

6Э

Динамическая взякостъ

Формула Воинова

0.24

0.24

0,225

0.13

2ЕЭ

0.0009

0,001

0,00115

0,0014

Рис. 4. Обращение к базе данных

S3

),225

1.00115

Рассчитать молекулярную массу

М = А + В ■ Сср_м + С

ьср.м

Результат Метод

Молекулярная масса (г/моль): 191,125 Метод: Формула Воинова

Рис. 5. Результат расчетов

Заключение

Разработано программное обеспечение (ПО), позволяющее оперативно проводить расчеты физико-химических свойств некоторых классов органических соединений (на данном этапе разработки - это плотность, вязкость и молекулярная масса). В дальнейшем программа будет дорабатываться путем добавления расчетных соотношений для температуры кипения, плавления, воспламенения, вычисления оптических свойств, также планируется организация

автоматизированного ввода справочных данных из БД, возможность построения графиков и вывода результатов в другие системы. Разрабатываемое ПО может использоваться специалистами,

занимающимися расчетами и проектированием процессов нефтепереработки, а также в учебном процессе при подготовке химиков-технологов. Также принцип построения программы позволяет интегрировать ее в другие программные комплексы, предназначенные, например, для определения свойств нефти и нефтепродуктов.

Список литературы

1. Speight J. G. Handbook of Petroleum Product Analysis.: John Wiley & Sons, 2015. - 368 p.

2. Гуревич И. Л. Технология переработки нефти

и газа / Издание 3-е, исправленное и дополненное. -М.: Химия. - 1972. - 359 с.

3. Мановян А. К. Технология первичной переработки нефти и природного газа: учеб. пособие для вузов // Издание 2-е, исправленное и дополненное. - М.: Химия. - 2001. - 568 с.

4. Аралов О. В. Исследование методов расчета кинематической вязкости нефти в магистральном нефтепроводе // Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. - 2017. - Т. 7., № 5. - С. 97-105.

5. Кирсанов Ю. Г. Расчетные и графические методы определения свойств нефти и нефтепродуктов: учеб. пособие / - Екатеринбург: Изд-во Уральского университета. - 2014. - 132 с.

6. Ташбулатов Р. Р. Анализ изменения вязкостно-температурной зависимости бинарной нефтяной смеси. // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. - 2018. - № 2. - С. 5-9.

7. Моисеев А. В. Расчетные методы определения физико-химических свойств углеводородных систем, нефтей и нефтепродуктов: примеры и задачи / -Комсомольск-на-Амуре: КнАГТУ. - 2010. - 179 с.

8. Розенталь Д. А. Химия нефти и газа: учеб. пособие / Издание 2-е, переработано. - Л.: Химия: Ленингр. отд-ние. - 1989. - 421 с.