Фарзане Н.Г., Илясов Л.В. Технологические измерения и приборы

Подождите немного. Документ загружается.

381

ГЛАВА 13

ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА НЕФТЕЙ И

НЕФТЕПРОДУКТОВ

§ 13.1. Современная концепция оценки качества нефтей и

нефтепродуктов

Процессы переработки нефти, газа и газового конденсата являются

наиболее многотоннажными современными химико-технологическими

процессами. Так, мощность современных установок первичной переработки

нефти составляет 6—12 млн. т. в год. Просчеты при управлении такими

процессами недопустимы. Это определяет жесткие требования к контролю

качества потоков в нефтегазоперерабатывающей и нефтехимической

промышленности.

Характерной особенностью сырья, промежуточных и конечных продуктов

указанных отраслей является то, что они представляют собой

многокомпонентные смеси углеводородов и других соединений, содержащие

сотни и десятки сотен компонентов. Качество таких смесей в настоящее время

оценивается комплексами характеристик, в которые входят физико-химические

свойства (плотность, вязкость, молекулярная масса, упругость насыщенных

паров и др.), содержание отдельных примесей, иногда компонентный состав, а

также ряд показателей качества (см. гл. 9), определяющих пригодность

названных смесей к переработке или потреблению. К таким показателям

относится фракционный состав, выкипаемость при характерной температуре,

октановое число бензинов, цитановое число дизельных топлив, радиирующая

способность реактивных и ракетных топлив, температура вспышки и др.

Указанные комплексы характеристик используются при полной лабораторной

оценке качества нефтей, нефтепродуктов и газового конденсата. Для

управления технологическими процессами обычно используют измерительную

информацию об одной или двух характеристиках, входящих в комплекс,

значение которых для конкретного процесса наиболее существенно.

Для получения измерительной информации о физико-химических

свойствах, содержании отдельных компонентов и составе нефтепродуктов,

нефтей и газового конденсата используются методы и средства измерений,

рассмотренные соответственно в гл. 10—12.

В настоящее время из нефти вырабатывается более 500 видов продуктов,

однако в основном (90—-95%) нефть перерабатывается на жидкие топлива

(автомобильные и авиационные бензины, реактивные и дизельные топлива,

мазут).

382

Практически все средства измерений показателей качества нефтепродуктов

относятся к тепловым средствам аналитической техники (см. гл. 9).

§ 13.2. Средства измерений фракционного состава

Под фракционным составом многокомпонентных смесей понимают

зависимость температуры выкипания отдельных фракций от их содержания в

пробе анализируемого вещества или зависимость содержания этих фракций в

пробе анализируемого вещества от температуры их выкипания.

Для получения информации о фракционном составе используется

разделение (фракционирование) анализируемого вещества по температурам

кипения путем перегонки обычно при атмосферном давлении.

Ввиду того, что многокомпонентные смеси при повышении температуры

кипят непрерывно, для них и для их отдельных фракций нельзя определить

температуры кипения. Вместо понятия «температура кипения» чаще

применяют понятие «температура перегонки».

Фракционный состав — один из основных показателей качества бензинов,

керосинов, реактивных и дизельных топлив, мазута и других жидких

нефтепродуктов, газового конденсата, различных растворителей и многих

продуктов нефтехимической, химической отраслей промышленности.

Рассмотрим принцип измерения этого показателя, используемый в

лабораторной практике.

На рис. 13.1, а показаны схемы лабораторной установки для определения

фракционного состава по стандартному методу. Она позволяет осуществлять

перегонку до температуры 320°С. Более высококипящие фракции на ней

определить не удается ввиду начинающегося разложения.

Установка содержит стеклянную колбу 1 (колба Энглера), стеклянный

термометр 2 (укреплен на пробке, имеет шкалу от 0 до 360°С), газовую горелку

6 (или электрический нагреватель), холодильник 4, снабжаемый проточной

водопроводной водой, и мерный цилиндр 5 (на 100 см

). Размеры и

конструкции всех узлов установки стандартизованы, что в сочетании со

стандартизованной методикой проведения измерения обеспечивает получение

воспроизводимых результатов. Для анализа в колбу 1 заливают 100 см

обезвоженного анализируемого вещества, имеющего температуру (20±3)°С,

вставляют термометр 2 и располагают горелку 6 под колбой 1. Расход газа

подбирают таким, чтобы время предварительного нагрева при перегонке

бензина и лигроина составляло 5 — 10 мин, керосина, реактивного и легкого

дизельного топлива — 10— 15 мин, тяжелого дизельного топлива — 10—20

мин. Образующиеся при нагревании в паровом пространстве колбы 1 пары

анализируемого вещества поступают в холодильник 4, конденсируются и в

виде конденсата стекают в мерный цилиндр 5. Температуру, при которой

383

в мерный цилиндр 5 из холодильника выпадает первая капля анализируемого

вещества, называют температурой начала перегонки (начала кипения) t

нп

(см.

рис. 13.1, б, в).

Перегонка проводится с примерно постоянной скоростью (4— 5 см

/мин).

Для представления результатов анализа используют один из двух способов.

Способ 1. Заранее задаются несколькими значениями концентраций с

, с

, …, c

, …, с

(рис. 13.1, б) и определяют температуру выкипающих фракций.

Рис. 13.1. Схема установки для определения фракционного состава стандарт-

ным методом (а) и кривые фракционного состава (б, в):

1 — колба; 2— стеклянный термометр; 3 — защитный кожух; 4 —

холодильник; 5 — мерный цилиндр; 6 — горелка; 7— асбестовая прокладка; 8

—решетка; 9 — штатив

Способ 2. Задаются несколькими значениями температуры t

, t

, …, t

и определяют концентрации выкипевших фракций. Концентрация

определяется на рассматриваемой установке как отношение объема фракции,

поступившей в мерный цилиндр, к объему пробы анализируемого вещества.

Указанное отношение называют также выкипаемостью при соответствующей

температуре или степенью отгона (отгоном) (рис. 13.1, в).

Обычно определяют температуры перегонки для концентраций 10, 50, 90,

97—98% или концентрации при температурах 75, 100, 200, 260, 270°С. В

процессе перегонки температура, показываемая термометром 2, постепенно

возрастает (см. рис. 13.1, б, в), достигает максимума, а затем уменьшается. Это

вызвано тем, что практически вся проба анализируемого вещества уже

выкипела, вследствие чего количество паров, омывающих термометр, резко

уменьши-

384

лось. Эту максимальную температуру называют температурой конца

перегонки (конца кипения) t

кn

(см. рис. 13.1, б, в).

Для двух параллельных перегонок допускается расхождение для

температуры начала перегонки 4°С, а для конца и промежуточных точек

фракционного состава 2°С или 1 см

Показанные на рис. 13.1, б, в кривые называют кривыми фракционного

состава.

Существуют стандартные методики и установки для определения

фракционного состава, в соответствии с которыми содержание фракций

представляется массовой концентрацией. В настоящее время в разработках

средств измерений фракционного состава сложились две тенденции.

В соответствии с первой в основном осуществляется автоматизация

стандартных установок для определения фракционного состава. Причем с

помощью анализатора получают информацию сразу о всех перечисленных

характерных точках кривой фракционного состава. Анализатор при этом

представляет собой достаточно сложное устройство циклического действия

(продолжительность цикла 30—60 мин).

В соответствии со второй тенденцией работа анализатора строится на

принципе, отличающемся от стандартного. При этом он обеспечивает

получение информации о какой-либо одной характерной точке кривой

фракционного состава и является, устройством непрерывного или

циклического действия с малой продолжительностью цикла.

В данном параграфе рассматриваются автоматические анализаторы

фракционного состава, построенные в соответствии с первой из названных

тенденций. В § 13.3 приведены описания анализаторов, реализованных в

соответствии со второй тенденцией.

Известно несколько разновидностей автоматических анализаторов

фракционного состава, реализующих рассмотренный выше стандартный метод

анализа. Эти анализаторы отличаются друг от друга в основном конструкцией

узла измерения количества фракций, сконденсировавшихся после перегонки.

На рис. 13.2 приведена принципиальная схема наиболее распространенного

автоматического анализатора фракционного состава. Данный анализатор

является устройством циклического действия и работает в двух режимах:

«Подготовка» и «Анализ».

В режиме «Подготовка» анализируемое вещество из блока подготовки 1,

где оно охлаждается и очищается от механических примесей и воды, поступает

в металлическую колбу 3, снабженную электронагревателем 17 и

термоэлектрическим чувствительным элементом 4, через открытый

электроуправляемый клапан 2. Вещество выводится из колбы через сифонную

трубку 5 и открытый электроуправляемый клапан 6. Для управления клапанами

2 и 6 и всем анализатором в целом служит блок управления 15.

В режиме «Подготовка» из колбы удаляется остаток и она охлаждается.

После этого по команде блока 15 закрывается клапан 2,

385

и излишки анализируемого вещества удаляются из колбы с помощью сифонной

трубки 5. В колбе при этом остается 100 см

анализируемого вещества. Затем

закрывается клапан 6, подается напряжение питания от блока 15 к нагревателю

17 и анализатор переходит в режим «Анализ». Сигнал термоэлектрического

чувствительного

Рис. 13.2. Схема автоматического анализатора фракционного

состава

элемента воспринимается нормирующим преобразователем 7, преобразуется в

унифицированный сигнал постоянного тока, который при необходимости

преобразуется с помощью электропневматического преобразователя 8 в

пневматический унифицированный сигнал и одновременно измеряется и

регистрируется автоматическим потенциометром 9.

В режиме «Анализ» образующиеся при нагревании пары поступают в

холодильник 10, и образовавшийся конденсат стекает в узел 12, служащий для

измерения количества выкипевших фракций. Здесь с помощью

каплеформирователя 11 поток конденсата преобразуется в отдельные капли 13,

которые, пролетая между лампой 16 и фотоэлементом 14, изменяют фотопоток,

поступающий от первой ко второму. Таким образом, частота падения капель

преобразуется в частоту электрических импульсов, поступающих от

фотоэлемента в блок управления 15. Здесь с помощью регулятора постоянства

скорости перегонки число импульсов, поступающих в единицу времени

(расход), сравнивается с заданным и соответствующим образом изменяется

значение напряжения, подаваемого к нагревателю 17. Одновременно число

импульсов используется в блоке 15 для управления лентопротяжным

механизмом потенциометра 9, который включается в работу, а затем

выключается при поступлении в блок управления количества импульсов,

соответствующего перегонке 10, 50 и 90% фракций. Продолжительность одно-

го цикла работы прибора составляет 55 мин. Погрешность измере-

386

ния температуры выкипания фракций ±2°С. Расход анализируемого вещества

на один цикл работы 1500—2000 см

На рис. 13.3 показана принципиальная схема анализатора фракционного

состава [34], в котором количество фракций, выкипающих в единицу времени,

т. е. расход, измеряется с помощью денситометрического газового детектора

(см. гл. 10).

Анализаторы такого типа называют эвапорографическими (от лат.

evaporation — испарение и от греч. grapho — пишу).

Измерение количества фракций в газовой фазе позволяет существенно

уменьшить количество анализируемого вещества (до 1 — 5 см

), необходимого

для измерения, и сократить на порядок время анализа. Такие возможности

обеспечиваются тем, что объем паров фракций в несколько сотен раз больше

объема этих фракций в жидкой фазе, а газовые детекторы имеют высокую

чувствительность.

Режим работы «Подготовка» в эвапорографическом анализаторе

фракционного состава аналогичен рассмотренному для анализатора (см. рис.

13.2).

Рис. 13.3. Схема автоматического эвапорографического анализатора фракционного состава:

1 — электронагреватель; 2— привод электронагревателя; 3— колба для перегонки; 4— труб-

ка; 5 и 15 — управляемые клапаны; 6 — блок подготовки анализируемого вещества; 7 —

блок подготовки газа-носителя; 8 — термоэлектрический чувствительный элемент; 9 —

штуцер ввода газа-носителя; 10— денситометрический детектор; 11— термостат; 12 —

вычислительное устройство; 13 — электронный потенциометр; 14 — устройство

управления

В режиме «Анализ» привод 2 по сигналу блока управления 14 размещает

электродвигатель / под колбой для перегонки 3. В процессе перегонки пары

выкипающих фракций подхватываются газом-носителем, поступающим с

постоянным объемным расходом в трубку 9 из блока 7, и транспортируются в

денситометрический газовый Детектор 10, размещенный в термостате 11,

температура которого

387

поддерживается большей температуры конденсации паров наиболее тяжелых

фракций анализируемого вещества. По окончании режима работы «Анализ»

нагреватель 1 приводом 2 удаляется из-под колбы 3.

Сигнал денситометрического детектора, пропорциональный массовому

расходу паров выкипающих фракций, и сигнал термоэлектрического

чувствительного элемента 8 поступают в вычислительное устройство 12.

Последнее интегрирует сигнал детектора в процессе всего анализа, определяет

температуры выкипания, соответствующие анализируемым фракциям, и

обеспечивает представление информации в виде кривой фракционного состава

на диаграмме электронного потенциометра 13.

Время одного цикла работы анализатора 5 мин; объем пробы

анализируемого вещества 3 см

; расход анализируемого вещества 5000—8000

см

/ч; погрешность измерения ±(2—2,5)°С.

§ 13.3. Средства измерений температур перегонки для

характерных точек кривой фракционного состава

Информация о температуре начала и конца перегонки, а также о

температуре перегонки промежуточных фракций может быть получена с

помощью более простых анализаторов, обладающих высокой надежностью и

малой инерционностью по сравнению с рассмотренными в § 13.2. На рис. 13.4

приведена принципиальная схема ана-

лизаторов температуры начала

перегонки не прерывного действия. В

основу работы данного анализатора

положен принцип перегонки, назы-

ваемый однократным испарением.

Перегонка осуществляется в колонке

высотой 30 см при условии полного

орошения. Из блока подготовки 1, где

стабилизируется давление и расход

анализируемого вещества, а само анали-

зируемое вещество очищается и подогревается до некоторой постоянной

температуры, меньшей температуры начала перегонки, оно поступает в

колонку 2, уровень в которой поддерживается с помощью переливной трубки 3.

Здесь анализируемое вещество нагревается нагревателем 4, питающимся от

блока питания 5, до температуры,

Рис. 13.4. Схема автоматического

анализатора температуры начала перегонки

388

большей температуры начала перегонки. Мощность, подводимую к

нагревателю, подбирают при настройке анализатора в зависимости от вида

анализируемого вещества. Образовавшиеся пары поступают в верхнюю часть

колонки 2, снабженную водяной рубашкой 6, и конденсируются.

Таким образом, рассматриваемый анализатор действует как

однотарельчатая перегонная колонна. В зоне конденсации паров размещен

термоэлектрический чувствительный элемент 7, сигнал которого,

пропорциональный температуре начала перегонки, поступает на нормирующий

преобразователь 8, а из этого устройства на электронный потенциометр 9 и

электропневматический преобразователь 10. Для удаления водяных паров и

несконденсировавшихся компонентов паровое пространство колонны 2

продувается воздухом с небольшим расходом (250 см

/мин). Расход воды и

воздуха стабилизируется регуляторами расхода 12 и 11.

Данный анализатор при соответствующем выборе места расположения

термоэлектрического чувствительного элемента позволяет получать

информацию о температуре выкипания

10% фракций.

Диапазон измеряемых данным

анализатором температур 65—180°С;

расход анализируемого вещества

3000—4500 см

/ч; погрешность

измерения температуры начала

перегонки ±4°С; погрешность

измерения температуры выкипания

10% фракции — ±2°С; время

реакции 3— 5 мин.

Для автоматического измерения

температуры конца перегонки

применяется анализатор, схема

которого показана на рис. 13.5. Это уп-

рощенный вариант анализатора

фракционного состава, осуществляющего перегонку в ускоренном режиме.

Назначение всех узлов этого анализатора аналогично упомянутому (см. рис.

13.2). В рассматриваемом анализаторе температуры конца перегонки

отсутствует Устройство для измерения количества сконденсировавшихся фрак-

ций. Температура конца перегонки, соответствующая 97—98% выкипания

пробы анализируемого вещества, определяется как максимальная температура

в процессе перегонки (см. рис. 13.1, б, в). Объ-

ис. 13.5. Схема автоматического

анализатора температуры конца перегонки

389

ем пробы анализируемого вещества 50 см

; расход анализируемого вещества на

один цикл 700—900 см

; диапазон измерений температур конца перегонки 60—

360°С; время одного цикла 12,5 мин; погрешность ±2°С.

Для целей управления процессами, связанными с переработкой нефти и

нефтепродуктов, часто бывает необходимо иметь информацию о температурах

перегонки промежуточных фракций, например 30, 50 или 90% фракций. Схема

анализатора непрерывного действия, применяемого для измерения этих

температур, приведена на рис. 13.6.

В этом анализаторе однократное испарение анализируемого вещества осу-

ществляется по методу «падающей пленки». Анализируемое вещество из блока

подготовки 1 с постоянными

температурой и объемным

расходом поступает в змеевик

7, где оно нагревается до

некоторой температуры за счет

энергии паров, образовавшихся

при испарении предыдущих

порций анализируемого

вещества. Затем анализируемое

вещество поступает в

устройство 6, обеспечивающее

его равномерное распределение

по поверхности испарителя 8.

Вещество стекает пленкой 9 по

поверхности испарителя и

частично испаряется. Пары

конденсируются на стенке

емкости 10, снабженной

водяной рубашкой 11, и

выводятся из анализатора по

трубке 17. Оставшиеся на испарителе фракции стекают в каплеобразователь 13,

предварительно омывая спай термоэлектрического чувстви- тельного элемента

12. Из каплеобразователя неиспарившиеся фракции в виде капель определенно-

го размера удаляются, пересекая при своем падении луч, поступающий от

лампы 16 через окна 15 к фотоприемнику 14, электрические импульсы

которого поступают в электронный регулятор 5. Последний, изменяя

напряжение, подводимое к испарителю 8, поддерживает постоянным число

капель, образующихся в единицу времени. Сигнал термоэлектрического

чувствительного элемента 12 преобразуется нормирующим преобразователем 2

в унифицированный, а сигнал последнего посылается на электронный

потенциометр 3 и

Рис. 13.6. Схема автоматических анализаторов

температуры выкипания промежуточных фракций

390

электропневматический преобразователь 4. Путем изменения задания

регулятору 5 можно перенастраивать данный анализатор для измерения

температуры перегонки промежуточных фракций, так как фактически

регулятор поддерживает заданное значение неиспарившейся фракции.

Диапазон измерений температур перегонки данного анализатора 110—360°С,

расход анализируемого вещества 3000—4500см

/ч; погрешность ±2°С; время

реакции 3—5 мин.

§ 13.4. Средства измерений выкипаемости при заданной температуре и

испаряемости

Выкипаемость (или степень отгона) (см. § 13.2) может быть определена в

объемных (чаще), массовых или

мольных концентрациях. На рис. 13.7

показана схема автоматического

анализатора выкипаемости

циклического действия, реализующего

эвапорографический метод анализа [34].

В режиме работы «Подготовка»

анализируемое вещество поступает из

блока подготовки 1 в автоматический

дозатор золотникового типа с

мембранным приводом (см. § 12.3). При

этом подвижная пластина 6 находится в

крайнем левом (на рис. 13.7) положении

и отверстие 5, которое является

дозирующим объемом, промывается

анализируемым веществом. После

завершения режима «Подготовка» под

действием пневматических сигналов Р

и Р

, поступающих от блока управления 13, подвижная пластина 6

перемещается в крайнее правое (на рис. 13.7) положение. Отверстие 5,

заполненное анализируемым веществом, совмещается с полостью 4 в

неподвижной пластине 3.

Начинается режим работы «Анализ». За счет теплоты, подводимой к

неподвижной пластине 7 нагревателем 12, происходит постепенное выкипание

части пробы анализируемого вещества. По мере выкипания образующиеся

пары подхватываются потоком газа-носителя, поступающим из блока

подготовки газов 2, и транспортируются в денситометрический или

равночувствительный газовый детектор 8

Рис. 13.7. Схема автоматических

анализаторов выкипаемости при заданной

температуре