2.3. Плотность

Абсолютная плотность – это масса единицы объема вещества, она измеряется в кг/м³. Относительная плотность – это отношение массы единицы объема вещества к массе той же единицы объема другого вещества. Относительная плотность является величиной безразмерной. Знание плотности необходимо для проведения целого ряда инженерных расчетов в химической технологии переработки нефти и газа (определение массы жидкостей и газов в заданных объемах, определение расхода продуктов, расчет трубопроводов и так далее). Плотность чистых веществ и их смесей используется при расчете других теплофизических свойств этих веществ и их смесей.

Абсолютную плотность газа в лабораторных условиях определяют пикнометрическим способом по ГОСТ 17310. Однако на практике зачастую используют нижеприведенные расчетные методы.

Для идеальных газов и паров их плотность при нормальных условиях (0⁰С; 0,1 МПа) _ну можно рассчитать по формуле:

_ну = , кг/м³ (2.6)

где М - молекулярная масса газа.

Плотность идеального газа или пара  при условиях, отличных от нормальных, вычисляют по формуле:

 = , кг/м³ (2.7)

где М - молекулярная масса газа и пара;

Р - расчетное давление, МПа;

Т - расчетная температура, К.

Плотность реальных газов и паров определяют с учетом фактора сжимаемости по следующей формуле [8]:

 = , кг/м³ (2.8)

где М - молекулярная масса газа или пара;

 - абсолютная плотность газа или пара, кг/м³;

Р - давление, МПа;

Т - температура, К;

R - универсальная газовая постоянная, R= 8.315 кДж/(кмоль*К);

Z - фактор сжимаемости.

Для определения фактора сжимаемости Z используется уравнение [8]:

Z = Z⁽⁰⁾ + wZ⁽¹⁾, (2.9)

где Z⁽⁰⁾ - фактор сжимаемости для простых веществ;

w - фактор ацентричности;

Z⁽¹⁾ - поправочная функция, учитывающая несферичность молекул.

Величины Z⁽⁰⁾, Z⁽¹⁾ и w определяют соответственно по Приложениям 1-3 в зависимости от приведенных температуры Т_пр и давления Р_пр:

(2.10)

где Т - температура газа, К;

Т_КР - критическая температура, К;

Р - давление газа, МПа;

Р_КР - критическое давление, МПа.

Критические температура и давление некоторых газов и паров приведены в Приложении 1.

Плотность газо- и парообразных смесей является аддитивным свойством и ее определяют по формуле:

_см = , кг/м³ (2.11)

где _см - абсолютная плотность смеси газов или паров, кг/м³;

_i - абсолютная плотность i-ого компонента смеси, кг/м³;

y_i - массовая доля i-ого компонента в смеси.

Факторы сжимаемости Z_сж и ацентричности w_сж для смесей реальных газов вычисляют с использованием соответствующих параметров для смесей:

T_пкр = , (2.12)

Р_пкр = , (2.13)

w_см = , (2.14)

где T_пкр - псевдокритическая температура, К;

Т_кр.i - критическая температура i-ого компонента, К;

Р_{пкр -} псевдокритическое давление, МПа;

Р_кр.i - критическое давление i-ого компонента, МПа;

w_см - фактор ацентричности смеси;

w_i - фактор ацентричности i-ого компонента;

у_i - мольная доля i-ого компонента;

n- количество компонентов в смеси.

Далее плотность реальной смеси рассчитывают по формуле (2.8), подставляя среднюю молекулярную массу смеси газов (см. раздел 2.4).

Относительную плотность газа обычно рассчитывают по воздуху, то есть определяют частное от деления абсолютной плотности газа при нормальных условиях на абсолютную плотность воздуха при этих же условиях (1,293 кг/м³).

Плотность жидких газоконденсатных и нефтяных продуктов является функцией фракционного состава и зависит от температуры: понижается с повышением последней.

В практике нефтегазопереработки чаще определяют относительную плотность жидких продуктов, которая является безразмерной величиной, показывающей отношение плотности продукта при температуре t₁ к плотности дистиллированной воды при температуре t₂. Стандартными температурами в одних странах, в том числе и в России, приняты для воды t₂ = 4 ⁰С, для нефтепродукта t₁ = 20 ⁰С, в других странах (например, в США) стандартной температурой нефтепродукта и воды является t₁ = t₂ = 60 ⁰F, что примерно соответствует 15 ⁰С.

Поскольку плотность воды при 4 ⁰С равна единице, численные значения относительной и абсолютной плотности совпадают.

Понижение плотности жидких продуктов с повышением температуры происходит по линейному закону, найденному Д.И.Менделеевым и выражаемому формулой, справедливой до 150-180 ⁰С:

, (2.15)

где - относительная плотность продукта при заданной температуре t;

- относительная плотность продукта при стандартной температуре

(20 ⁰С);

 - поправка на изменение плотности при изменении температуры на один градус.

Значения средней температурной поправки  для жидких нефтегазопродуктов приведены в Приложении 4.

Для этих же целей, но в более широком интервале температур (до 300-320 ⁰С), может быть использовано также следующее уравнение, полученное в результате обобщения экспериментальных данных:

, (2.16)

где ^t - плотность продукта при температуре t (⁰C), кг/м³.

В ряде случаев возникает необходимость пересчета относительной плотности в относительную плотность и наоборот. В этом случае можно воспользоваться любым из уравнений:

, (2.17)

, (2.18)

где  - температурная поправка по Приложению 4.

Для определения относительной плотности узких газоконденсатных и нефтяных фракций (условных компонентов), выкипающих в интервале температур не более 25 ⁰С, рекомендуется пользоваться формулой Мановяна А.К.:

, (2.19)

где t_ср - средняя температура кипения фракции (условного компонента), ⁰С.

Коэффициенты вычисляют из выражений:

 = 0,65 + 0,09(₄²⁰)_н, (2.20)

n= 0,13-0,0011(t₃)_н, (2.21)

где (₄²⁰)_н и (t₃)_н - относительная плотность и температура застывания газового конденсата или нефти (⁰С).

Для приближенных расчетов можно использовать следующие значения  и n:

а) для парафинистых газовых конденсатов, нефтей и нефтепродуктов из них  = 0,736, n = 0,130;

б) для сернистых газовых конденсатов, нефтей и нефтепродуктов из них  = 0,722, n = 0,159.