CC BY
16
УДК 665.6.035.6
УТОЧНЕННЫЙ АЛГОРИТМ РАСЧЕТА ДИНАМИЧЕСКОЙ ВЯЗКОСТИ ВЫСОКОВЯЗКОГО УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ ПРИ ПОДГОТОВКЕ К ПРОЦЕССУ ГАЗИФИКАЦИИ
'Ермолаев Д.В., канд. техн. наук, ст. научный сотрудник 2
Вафин А.Р., аспирант
'Казанский научный центр Российской академии наук 2Казанский государственный энергетический университет Контакты: energoed@mail.ru
В работе описан алгоритм расчета динамической вязкости высоковязкого углеводородного сырья при подготовке к процессу газификации, основанный на обобщении известных температурных зависимостей и учитывающий различный молекулярный состав и свойства рассматриваемых углеводородов. Проведена верификация предложенного алгоритма с известными литературными данными и экспериментальными исследованиями, в результате которого доказана адекватность предложенного алгоритма на основе полученных значений.
Ключевые слова: динамическая вязкость, реологические свойства, алгоритм расчета, мазут, битум, подготовка к процессу газификации.
Введение
В настоящее время все большее внимание уделяется поиску альтернативных источников топлива. В этой связи использование высоковязких углеводородов в энергетических целях может частично решить эту проблему путем использования газификацион-ных технологий. Газификация представляет собой процесс термохимического разложения углеводородного сырья в газогенераторе, где под воздействием высокой температуры и окислителя образуется генераторный газ, способный по своим характеристикам служить альтернативой природному газу, который применяется в
72
ряде энергетических установок. Помимо самого газа, сопутствующие химические продукты, образующиеся в процессе газификации, могут быть использованы в различных отраслях промышленности. При этом экологическая безопасность данных технологий делает их более привлекательными в энергетической сфере по сравнению с прямым сжиганием топлива [1].
За рубежом подобные технологии уже давно используются (примером может служить технология Texaco, реализованная на нефтеперерабатывающем заводе Pernis компании Shell для газификации твердых нефтяных остатков), а в России они только начинают внедряться. Так, например, в 2014 году на Туапсинском НПЗ введена в эксплуатацию газификационная установка мощностью 740 МВт по переработке нефтяного кокса, позволяющая получить топливный газ, а в 2019 году на Ростовском нефтехимическом комплексе планируется запуск установки для производства метанола [2].
Часть трудностей, возникающих при внедрении подобных технологий в России, может быть решена путем использования распыливающего оборудования мазутных хозяйств ТЭС, поскольку мазут имеет схожие свойства с высоковязкими углеводородами, применяемыми в качестве сырья для газификации. Одним из важных параметров при распыливании является динамическая вязкость подаваемого сырья, поскольку форсунки имеют свой предел и рассчитаны на определенную вязкость. И тут возникают сложности с определением этой величины для различных углеводородов, которые имеют свои физико-химические особенности и зависимости от температуры.
Расчетная часть
Существующие уравнения расчета температурной зависимости вязкости имеют частный характер, так как предназначены в основном для ограниченного круга веществ в узких диапазонах
73
температур, поэтому вопрос об определении вязкости для многокомпонентных углеводородных смесей с различной молярной массой остается открытым. Экспериментальное определение вязкости высоковязких углеводородов, их фракций первичной и вторичной переработки проводилось весьма широко в различных лабораториях мира. Однако сильная зависимость этого свойства от структуры молекул и межмолекулярных сил не позволила до настоящего времени разработать универсальные методы расчета. Как правило, обобщенные зависимости получены на ограниченных экспериментальных образцах и, по сути, являются интерполяционными уравнениями, пригодными только для группы данных веществ.
Так, в работе [ 3; 4] для определения вязкости мазута используется уравнение Вальтера, которое основано на экспериментальных значениях кинематической вязкости при двух граничных температурах. Несмотря на то, что данное уравнение дает завышенные значения вязкости, особенно в области пониженных температур мазута, оно широко применяется в расчетах. Для определения вязкости битумов используется зависимость с индексом пе-нетрации, которая носит полуэмпирический характер [ 5; 6]. В обзоре Ружички вязкость нефтепродуктов рассматривается как экспоненциальная зависимость от температуры кипения [ 7].
В этой связи была предпринята попытка обобщить известные зависимости и разработать методику расчета динамической вязкости углеводородного сырья различного состава, алгоритм которой представлен на рисунке 1.
74
Рис. 1. Алгоритм расчета динамической вязкости высоковязкого углеводородного сырья
Расчет динамической вязкости углеводородов производится в следующем последовательности. В качестве исходных данных задаются значения температуры Т и давления Р. Затем, исходя из химической структуры исходного сырья, задается молярная масса
9 П .
М и относительная плотность р4 . Показатель преломления определяется по однопараметрической зависимости от относительной
9 П
плотности р4 [8]:
75
< = 1.218 + 0.358 (рр0). (1)
Для определения объемной температуры кипения находится относительная плотность представляющая собой отношение плотности вещества при 15 °С к плотности воды при 15 °С:
рЦ = 1.000р-г(15-То)], (2)
( 43.65^
где г =
1,706-
-1
мя
Е
температурная поправка плотности,
Яе = / - ™ - удельная рефракция (преломление) по Эйкману,
Ц0 + 0.4)р420
Т0 - температура при нормальных условиях.
Одним из важных интегральных показателей состава смеси является объемная температура кипения. В работе [ 9] выбранная зависимость давала завышенные значения при М > 700, что приводило к расхождениям с известными данными при высоких температурах. В этой связи использовалась другая зависимость, представленная ниже:
Ты = 3.76587exp(3.77409 х 10-3М + 2.98404р15 - 4.25288 х 10-3 х
д^0.40167(^15)-1 58262
х мр15) х М040167 (р15)
Поскольку для различных углеводородов сложно идентифицировать состав, то на основе принципа соответственных состояний были введены такие понятия как псевдокритическое давление Р^ и температура Tpc. Определение этих значений позволит обеспечить связь с критическими параметрами на основании значения объемной температуры кипения, рассчитанной ранее. Расчет
76
псевдокритических показателей производится по зависимостям (4) и (5) [8]:
Трс = 19.0623ГЬу0-58848(р11^)0'3596,
Ррс = 5.5303х 106 ТЪ
,6^ -2.3125^1|)2.3201
(4)
(5)
Также с псевдокритическими свойствами связан фактор ацентричности с, учитывающий несферичность молекул вследствие неравномерного воздействия на них разностных сил:
с = <
прить = ^ < 0.8: Трс
6 09648 ? 1пжЬ -5.92714 + 6-+ 1.288621пть - 0.169347т2
т Ь
15,2518 - 15,6875 - 13,47211п тЬ + 0,435771п т6
тЬ
Ь
(6)
прить > 0.8 :
- 7.904 + 0.1352КШ - 0.007465К^ + 8.359тЬ + 1408 - 0 01063КШ
т Ь
давление при нормальных условиях;
Р0 о
где тть = Р0
Ррс
т1/3 Ъу
р,'1
состав смеси.
Для масштабирования вязкости производиться выбор опорной точки:
Kw = 1.216—Ъ^- - фактор Ватсона, учитывающий углеводородный
77
м1/2 Рр2с/3
т
1/6
(7)
Рс
Температура фиксированного значения вязкости, зависящая от углеводородного состава определялась из следующего соотношения:
т£ = т£Трс,
(8)
где т£= 0.4679284+ 0.252438С-5.547472х10-2с2 -4.853257Х 10-3^.
На основании выбранной опорной точки и температуры фиксированного значения вязкости температурная зависимость вязкости имеет следующий вид:
м = £
___. 3.74097^ „„„„ , Л-4 (9.71159"
2.22156ехр-1 + 3.4072x10 4ехр-
10
-6
(9)
т
где т = — - связь между масштабом и требуемым значением температуры.
В этой связи, с учетом (9), уравнение вязкости примет следующий вид:
м = м
1 + Л1п
В + ж В +1
(10)
Р
где ж =- - параметр давления, А и В - температурные функции,
Р
Рс
определяемые по уравнениям (11) и (12):
*
78
„ 9.8746т-2.9749
А =-, (11)
т - 0.5009 4 У
-110414т+2315.1 х^ч
= т+0.8865 . ( )
Для верификации предложенного алгоритма расчета динамической вязкости авторами были проведены дополнительные экспериментальные исследования. В качестве оборудования использовался ротационный вискозиметр Lamy RM-100. В качестве образцов были выбраны битум Ашальчинского месторождения Республики Татарстан и топливный мазут марки М100. Физико-химические свойства рассматриваемых образцов представлены в таблице 1.
Таблица 1
Физико-химические свойства битума и мазута
Наименование Битум Ашальчинского месторождения Мазут марки М100
Молярная масса М, кг/моль 0.607 0.808
Относительная плотность рр° , кг/м3 966.2 990
Полученные результаты представлены на рисунках 2 и 3. Как видно из рисунков, алгоритм показывает хорошую сходимость с известными данными и экспериментальными исследованиями. Так, значения вязкости битума, полученного с помощью алгоритма (кривая 1) совпадает с литературными данными (кривая 3) в области температур 328-343 ^ а с экспериментальными данными (кривая 2) - в диапазонах 300-313 и 358-388 ^ Что касается вязкости мазута, область совпадения значений вязкости алгоритма и экспериментов (кривые 1 и 2) - 310-313 K и 373-388 ^ Сравнение с данными [11] (кривая 4) показало совпадение по значениям в диапазоне температур 333-388 ^ Общая погрешность измерений составила не более 6%.
79
I. Па-с 1.8
Рис. 2. Зависимость динамической вязкости битума от температуры 1 - алгоритм; 2 -экспериментальные данные; 3 - данные из [10]
ц, Пас
ЗОВ 311 318 323 328 333 338 343 348 353 358 363 368 373 37В ЗВЗ 388 Т, К
Рис. 3. Зависимость динамической вязкости мазута от температуры 1 - алгоритм; 2 - экспериментальные данные; 4 - данные из [11]; 5 - данные из [3]
80
Заключение
В ходе проведенных исследований был разработан алгоритм расчета динамической вязкости высоковязких углеводородов при подготовке к процессу газификации. Дополнительно было проведены экспериментальные исследования по определению динамической вязкости битума и мазута с целью верификации предложенного алгоритма расчета вязкости углеводородов. Сравнение полученных данных показало хорошую сходимость с известными литературными данными и результатами экспериментальных исследований в исследуемом диапазоне высоких температур, что говорит об адекватности предложенного алгоритма.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 16-38-00418)
Источники
1. Анчита Х. и др. Переработка тяжелых нефтей и нефтяных остатков. Гидрогенизаци-онные процессы: пер. с англ.; под ред. О .Ф. Глаголевой. СПб.: ЦОП «Профессия». 2012. 384 c.
2. Map of Facilities // Gasification Technologies Council. http://www.gasification.org/what-is-gasification/map-of-facilities/
3. Назмеев Ю.Г. Мазутные хозяйства ТЭС. М.: Издательство МЭИ, 2002. 612 с.
4. Вафин А.Р., Мингалеева Г.Р. Исследование основных свойств мазутоугольных топ-лив // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. Казань: Изд-во КГЭУ. 2015. № 5-6. С. 8-15.
5. ГОСТ 32060-2013. Битумы нефтяные. Определение кинематической вязкости. М.: Стандартинформ. 2014.
6. Naderi K., Romaniuka N., Littleb L. et al. Effect of Bitumen Viscosity and Bitumen-Water Interfacial Tension on the Efficiency of Steam Assisted Bitumen Recovery Processes // Journal of Petroleum Science and Engineering. 2015. Vol. 133. P. 862-868.
7. Ruzicka V.Jr. Prediction of properties and phase equilibria of underlined mixtures // Scientific papers of the Prague Institute of Chemical Technology. Physical Chemistry. 1984. Vol. 6. P. 123-154.
8. Григорьев Б.А., Богатов Г.Ф., Герасимов А.А. Теплофизические свойства нефти, нефтепродуктов, газовых конденсатов и их фракций. М.: Изд-во МЭИ, 1999. 372 c.
81
9. Ермолаев Д.В., Мингалеева Г.Р. Определение теплофизических и реологических характеристик природного битума при подготовке к газификации // Вестник технологического университета. 2016. Т.19. №4. С. 63-67.
10. Arguelles F.J., Babadagli T., Little L. et al. High temperature density, viscosity and interfacial tension measurements of bitumen-pentane-biodiesel and process water mixtures // J. Chem. Eng. Data. 2012. Vol. 57 (10). P. 2878-2889.
11. Липов Ю.М., Третьяков Ю.М. Котельные установки и парогенераторы. Москва -Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотичная динамика», 2003.
THE ADJUSTED ALGORITHM FOR CALCULATING OF DYNAMIC VISCOSITY OF HIGH-VISCOSITY HYDROCARBON RAW MATERIAL DURING PREPARATION FOR
GASIFICATION PROCESS Ermolaev D.V., Vafin A.R.
The paper describes the algorithm for calculation the dynamic viscosity of the highly viscous hydrocarbon material in the preparation for the gasification process, based on a synthesis of know temperature dependencies, and takes into account the different molecular structure and properties of hydrocarbons under consideration. The verification of the proposed algorithm with published data and experimental studies, as a results of which proved based on the obtained values.
Keywords: dynamic viscosity, rheological properties, the calculation algorithm, masut, bitumen, preparing for the gasification process.
Дата поступления 23.11.2016.
82
