Расчет плотности и молекулярной массы газа

Проведение режима

 

С разрешения учебно-вспомогательного персонала и в его присутствии начали подачу сырья в реактор.

Во время проведения режима:

1. Через каждые 5 минут в таблицу 2 записывали параметры режима: уровень по бюретке, температуру в реакторе, показания газового счетчика.

2. Через каждые 5 минут рассчитывали средний объем подачи сырья в единицу времени, поступившего в реактор за прошедшие 5 минут, и полученные значения заносили в таблицу 2.

3. Следили за температурой в реакторе и объемом подаваемого сырья в реактор, поддерживая их на заданном значении.

4. Отобрали пробу газа: в газовый пикнометр для определения плотности газа. Отбор газа выполнили через 30 минут режима при установившихся параметрах процесса: температуре в реакторе и скорости подачи сырья.

Порядок отбора пробы газа в газовый пикнометр

Взвесили пикнометр на аналитических весах. В таблицу 1 записали вес пикнометра с воздухом, его номер и водное число. Подсоединили пикнометр к байпасам (19 и 19а). Открыли краники (22 и 22а) на пикнометре и крайние зажимы (20 и 20а) на байпасах, а средний зажим (17) закрыли. Через пикно­метр пропустили не менее одного литра углеводородного газа, чтобы вытеснить из него воздух. Во время отбора газа в пикнометр записали барометрическое давление и температуру в лаборатории: 751 мм рт. ст., 18,5°С. По окончании отбора газа открыли средний зажим (17), затем закрыли краники (22 и 22а) на пикнометре и крайние зажимы (20 и,20а) на байпасах. Отсоединили пикнометр и взвесили его на аналитических весах. Результат взвешивания занесли в таблицу 1.

 

Порядок окончания режима

После того, как истекло время процесса, и через реактор был пропущен рассчитанный объем сырья, прекратили подачу сырья в реактор: на сырьевой бюретке закрыли оба краника. Затем выполнили следующие требования:

1. Отключили все электрические приборы на установке.

2. Записали конечное показание газового счетчика.

3. Дали реактору остыть в течение 20 минут, за это время из него стечет оставшийся на насадке продукт.

Пока реактор остывал, рассчитали среднюю температуру режима и средний объем подачи сырья, а также объем полученного газа. Результаты расчетов представлены в таблице 2.

4. Прекратили подачу воды в холодильник, закрыв водяной кран.

5. Закрыли средний зажим.

6. Отсоединили приемную и промежуточную колбы и поместили их в вытяжной шкаф на 2 минуты для удаления газообразных продуктов. После чего указанные колбы и абсорбер взвесили. Результаты взвешиваний занесли в таблицу 1. Полученный жидкий продукт – катализат перелили в колбу для хранения и засыпали в нее хлористый для обезвоживания. Колбу с катализатом и хлористым кальцием закрыли пробкой.

 

Расчет плотности и молекулярной массы газа

Определение плотности газа

Вес пикнометра с воздухом (g₁) — 70,5346 г;

Вес пикнометра с газом процесса (g₂) — 70,5827 г;

Температура в лаборатории (t), — 18,5 °C;

Барометрическое давление (Р₁)_, — 751 мм рт. ст.;

Водное число газового пикнометра (В.Ч.), — 0,13017 л.

 

1) масса воздуха в пикнометре (g₃), г:

g₃ = γ * В.Ч.,

где у - плотность воздуха, г/л;

Плотность воздуха (γ), г/л:

γ = М/V₁

где М - молекулярная масса воздуха, равная 29;

V₁ - объем 1 грамм-моля воздуха при температуре определения и баро­метрическом давлении, л.

По закону Бойля-Мариотта: P₁ * V₁ / T₁ = Р₀ * V₀ / Т₀,

отсюда находим: V₁ = Р₀ * V₀ * Т₁ / Р₁ * Т₀,

где Т₀ - температура при нормальных условиях, равная 273° К;

Р₀ - давление при нормальных условиях, равное 760 мм рт. ст.;

V₀ - объем 1 грамм-моля воздуха при нормальных условиях, равный 22,4л;

T₁ - температура в лаборатории в момент отбора газа, °К;

P₁ - барометрическое давление в момент отбора газа, мм рт. ст.

V₁ = (760 * 22,4 * 291,5) / (751 * 273) = 24,2045 л,

γ = 29/24,2045 = 1,1981 г/л,

g₃ = 1,1981 * 0,13017 = 0,1559 г.

2) масса пустого (эвакуированного) пикнометра (g_o), г:

g_o = g₁ – g₃,

где g₁ - масса пикнометра с воздухом, г;

g₃ - масса воздуха в пикнометре, г.

3) масса газа в пикнометре (g₄), г:

g₄ = g₂-g_o,

где g₂ - масса пикнометра с газом процесса, г;

g_o - масса пустого (эвакуированного)пикнометра, г.

g₄ = 70,5827-70,3784 = 0,2043 г.

4) плотность газа (γ₁), г/л:

γ₁ = g₄/B.Ч.

γ₁ = 0,2043/0,13017 = 1,5695 г/л.

5) количество газа, полученного при процессе (Q), г:

Q = γ₁* V,

где γ₁ - плотность газа при температуре определения и барометрическом давлении, г/л;

V - объем газа, полученный при процессе, л.

Q = 1,5695 * 17,31 = 27,17 г.

 

6) расчет молекулярной массы газа.

Молекулярная масса газа (М_Г), г:

M_r=γ_o*V₀,

где γ₀ - плотность газа, приведенная к нормальным условиям, г/л;

V₀ - объем газа при нормальных условиях, равный 22,4 л.

Из уравнений: Р₁ * V₁ / Т₁ = Р₀ * V₀ /Т₀,

P₁ * M/T₁ *γ₁ = Р₀ * М/Т₀ * γ₀,

Р₁/Т₁*γ₁=Р₀/Т₀*γ₀

получим γ₀ = γ₁*P₀*T₁ / P₁ * T₀,

где γ₁ - плотность газа при температуре определения и барометрическом давлении, г/л.

γ₀ = 1,5695 * 760 * 291,5/ 751 * 273 = 1,6959,

M_r = 1,6959 * 22,4 = 37,9890 г ≈ 38 г.

Подготовка фракции и аппарата к испытанию

На рисунке 3 показан аппарат Энглера для определения фракционно­го состава нефтепродуктов.

1 – термометр;

2 – колба для перегонки;

3 – асбестовая прокладка;

4 – электрический нагрев;

5 – подставка для колбы;

6 – регулятор положения нагревателя;

7 – регулятор напряжения;

8 – вольтметр;

9 – выключатель;

10 – лампочка контроля;

11 – подставка для цилиндра;

12 – цилиндр для сбора дистиллята;

13 – фильтровальная бумага;

14 – отводная трубка холодильника;

15 – водяная баня.

 

Рисунок 3 - Аппарат для определения фракционного состава

 

В сухой, чистый измерительный цилиндр отфильтровывали 100 мл предварительно обезвоженного катализата. Цилиндр с катализатом взвеши­вали на технических весах. Катализат осторожно переливали в колбу для перегонки так, чтобы жидкость не попала в отводную трубку колбы. Пустой цилиндр взвешивали на технических весах и по разнице результатов взве­шиваний рассчитывали массу катализата, взятого для перегонки:

m_к = m_ц+к + m_ц,

где m_ц+к - масса цилиндра, наполненного 100 мл катализата, г;

m_ц – масса пустого цилиндра, г.

m_к = 219,5 – 140,0 = 59,5 г

В горловину колбы вставили термометр на плотно пригнанной пробке так, чтобы ось термометра совпадала с осью горловины колбы, а нижний конец капилляра находился на одном уровне с самой высокой точкой нижней внутренней стенки пароотводной трубки.

Отводную трубку колбы соединили с холодильником при помощи плотно пригнанной пробки. При этом отводная трубка колбы должна входить в холодильник на 25 - 40 мм и не касаться стенок последнего.

Сухой, чистый мерный цилиндр взвесили на технических весах и поставили так, чтобы нижний отвод трубки холодильника входил в цилиндр не менее чем на 25 мм, но не ниже метки 100 мл, и не касался стенок цилиндра. На время перегонки отверстие цилиндра закрыли ватой или бумагой. По­дали воду в холодильник для охлаждения.

 

Проведение перегонки

Равномерно нагревали колбу с катализатом так, чтобы с момента включения аппарата до падения первой капли дистиллята с нижнего отвода трубки холодильника прошло 5-10 минут.

Температуру, показываемую термометром в момент падения первой капли конденсата в мерный цилиндр, записывали как температуру начала кипения. Затем мерный цилиндр установили так, чтобы конденсат стекал по стенке цилиндра. Далее перегонку вели равномерно со скоростью 20 - 25 капель за 10 секунд. В ходе перегонки отмечали температуры выкипания дистиллята через каждые 5 мл отгона, начиная от 10 мл до температуры кон­ца кипения бензиновой фракции включительно. Результаты представлены в таблице 5.

 

 

Таблица 5 – Изменение температуры выкипания дистиллята через каждые 5 мл отгона

Порядковый номер	Температура выкипания дистиллята, °С	Объем дистиллята, мл

 

Средняя температура кипения бензиновой фракции составила 116,22°С

По достижении температуры 165 °С, то есть начала кипения дизельного топлива, нагрев колбы прекратили. Дали стечь конденсату в течение 10 минут, закрыли воду и взвесили цилиндр с бензиновой фракцией. По разности результатов взвешиваний рассчитать выход бензиновой фракции:

m_б = m_ц+б + m_ц,

где m_ц+к - масса цилиндра, наполненного бензиновой фракцией, г;

m_ц – масса пустого цилиндра, г.

m_б = 120,4 – 92,7 = 27,7 г.

Таблица материального баланса перегонки

По выходам фракций составили материальный баланс перегонки катализата, который представлен в таблице 6.

 

Таблица 6 – Материальный баланс перегонки

Взято	г	%	Получено фракции	г	% на катализат
Катализат	59,5		1.Бензиновой (50 – 165°С) 2.Газойлевой (165°С +)	27,7 31,8	46,6 53,4
Итого:	59,5		Итого:	59,5

 

Таблица материального баланса крекинга

При составлении материального баланса по процессу крекинга исполь­зовали данные материальных балансов режима и перегонки. При этом учли, что для атмосферной перегонки было взято катализата меньше, чем было его получено на установке.

27,7 г (бензиновой фракции) – 59,5 г (катализата)

X г (бензиновой фракции) – 135,3 г (катализата)

m_б = X = 135,3 * 27,7 / 59,5 = 62,99 г бензиновой фракции может быть получено из 142,8 г катализата.

При расчете массы бензиновой фракции учли привес абсорбера:

m_бф = m_б + m_а,

где m_б - масса бензиновой фракции, рассчитанная по пропорции, г;

m_а – привес абсорбера, г.

m_бф = 62,99 + 7,5 =70,49 г.

 

 

Таблица 7 – Материальный баланс процесса крекинга

Взято	г	%	Получено	г	% на сырье
Сырья	176,3		1.Газа 2. Катализата В т.ч.: -бензиновой фракции (н.к. – к.к.) -газойлевой фракции (н.к.+) 3. Кокса + потерь	27,17 142,80   70,49   72,31   6,33	15,41 81,00   34,00   46,00   5,39
Итого:	176,3		Итого:	176,3

14 Методики и результаты определения свойств бензиновой фракции

Определение плотности

Для газойлевой фракции (165°С+) определили =0,835 г/см³ при 23°С. Средняя температурная поправка принята по таблице 3.1 [1] и составляет 0,000725:

Вывод

В ходе лабораторной работы проведен процесс каталитического крекинга дизельной фракции 165-348°С на катализаторе Цеокар–100 (свежий) при температуре 500°С. Процесс проводился с целью получения светлых продуктов: высокооктанового компонента бензина (бензиновой фракция), газов. Объемная скорость подачи сырья в процессе 1,3 ч^-1 .

Далее составлена таблица для сравнения полученных результатов при разных объемных скоростях процесса 1,3 ч^-1 , 1,5 ч^-1 и 1,7 ч^-1.

 

Таблица 8 – Сравнительная таблица результатов лабораторной работы

Параметры	I подгруппа	II подгруппа	III подгруппа
Объемная скорость подачи сырья w, ч-1	1,3	1,5	1,7
ОЧММ	78,8	81,2	78,2
ОЧИМ	84,8	89,2	83,2
По материальному балансу каталитического крекинга
Газ, %	15,41	7,19	15,10
Бензиновая фракция, %	34,00	30,47	38,63
Газойлевая фракция, %	46,00	59,08	61,37
Кокс+потери, %	5,39	3,26	0,13

 

По результатам работы I, II и III подгрупп построили графики зависимости октановых чисел бензиновой фракции ОЧММ и ОЧИМ от объемной скорости подачи сырья, представленные на рисунке 5. Из графиков следует, что максимальные значения октановых чисел достигаются при объемной скорости подачи сырья, равной 1,5 ч^-1.

Рисунок 5 – Зависимость октановых чисел бензиновой фракции от объемной скорости подачи сырья

Также нами был построен график зависимости процентного содержания продуктов в конечной смеси от объемной скорости подачи сырья, представленный на рисунке 6.

Рисунок 6 – Зависимость процентного содержания продуктов в конечной смеси от объемной скорости подачи сырья

Из рисунка 6 следует, что максимальный выход целевых продуктов, а именно газа и бензиновой фракции наблюдается при объемной скорости подачи сырья, равной 1,7 ч^-1.

Несмотря на высокие октановые числа при объемной скорости, равной 1,5 ч^-1, максимальный выход целевых продуктов достигается при объемной скорости, равной 1,7 ч^-1.

Отсюда можно сделать вывод, что хороший выход газа и бензиновой фракции достигается при скорости подачи сырья в реактор 1,7 ч^-1.

Проведение режима

 

С разрешения учебно-вспомогательного персонала и в его присутствии начали подачу сырья в реактор.

Во время проведения режима:

1. Через каждые 5 минут в таблицу 2 записывали параметры режима: уровень по бюретке, температуру в реакторе, показания газового счетчика.

2. Через каждые 5 минут рассчитывали средний объем подачи сырья в единицу времени, поступившего в реактор за прошедшие 5 минут, и полученные значения заносили в таблицу 2.

3. Следили за температурой в реакторе и объемом подаваемого сырья в реактор, поддерживая их на заданном значении.

4. Отобрали пробу газа: в газовый пикнометр для определения плотности газа. Отбор газа выполнили через 30 минут режима при установившихся параметрах процесса: температуре в реакторе и скорости подачи сырья.

Порядок отбора пробы газа в газовый пикнометр

Взвесили пикнометр на аналитических весах. В таблицу 1 записали вес пикнометра с воздухом, его номер и водное число. Подсоединили пикнометр к байпасам (19 и 19а). Открыли краники (22 и 22а) на пикнометре и крайние зажимы (20 и 20а) на байпасах, а средний зажим (17) закрыли. Через пикно­метр пропустили не менее одного литра углеводородного газа, чтобы вытеснить из него воздух. Во время отбора газа в пикнометр записали барометрическое давление и температуру в лаборатории: 751 мм рт. ст., 18,5°С. По окончании отбора газа открыли средний зажим (17), затем закрыли краники (22 и 22а) на пикнометре и крайние зажимы (20 и,20а) на байпасах. Отсоединили пикнометр и взвесили его на аналитических весах. Результат взвешивания занесли в таблицу 1.

 

Порядок окончания режима

После того, как истекло время процесса, и через реактор был пропущен рассчитанный объем сырья, прекратили подачу сырья в реактор: на сырьевой бюретке закрыли оба краника. Затем выполнили следующие требования:

1. Отключили все электрические приборы на установке.

2. Записали конечное показание газового счетчика.

3. Дали реактору остыть в течение 20 минут, за это время из него стечет оставшийся на насадке продукт.

Пока реактор остывал, рассчитали среднюю температуру режима и средний объем подачи сырья, а также объем полученного газа. Результаты расчетов представлены в таблице 2.

4. Прекратили подачу воды в холодильник, закрыв водяной кран.

5. Закрыли средний зажим.

6. Отсоединили приемную и промежуточную колбы и поместили их в вытяжной шкаф на 2 минуты для удаления газообразных продуктов. После чего указанные колбы и абсорбер взвесили. Результаты взвешиваний занесли в таблицу 1. Полученный жидкий продукт – катализат перелили в колбу для хранения и засыпали в нее хлористый для обезвоживания. Колбу с катализатом и хлористым кальцием закрыли пробкой.

 

Расчет плотности и молекулярной массы газа

Определение плотности газа

Вес пикнометра с воздухом (g₁) — 70,5346 г;

Вес пикнометра с газом процесса (g₂) — 70,5827 г;

Температура в лаборатории (t), — 18,5 °C;

Барометрическое давление (Р₁)_, — 751 мм рт. ст.;

Водное число газового пикнометра (В.Ч.), — 0,13017 л.

 

1) масса воздуха в пикнометре (g₃), г:

g₃ = γ * В.Ч.,

где у - плотность воздуха, г/л;

Плотность воздуха (γ), г/л:

γ = М/V₁

где М - молекулярная масса воздуха, равная 29;

V₁ - объем 1 грамм-моля воздуха при температуре определения и баро­метрическом давлении, л.

По закону Бойля-Мариотта: P₁ * V₁ / T₁ = Р₀ * V₀ / Т₀,

отсюда находим: V₁ = Р₀ * V₀ * Т₁ / Р₁ * Т₀,

где Т₀ - температура при нормальных условиях, равная 273° К;

Р₀ - давление при нормальных условиях, равное 760 мм рт. ст.;

V₀ - объем 1 грамм-моля воздуха при нормальных условиях, равный 22,4л;

T₁ - температура в лаборатории в момент отбора газа, °К;

P₁ - барометрическое давление в момент отбора газа, мм рт. ст.

V₁ = (760 * 22,4 * 291,5) / (751 * 273) = 24,2045 л,

γ = 29/24,2045 = 1,1981 г/л,

g₃ = 1,1981 * 0,13017 = 0,1559 г.

2) масса пустого (эвакуированного) пикнометра (g_o), г:

g_o = g₁ – g₃,

где g₁ - масса пикнометра с воздухом, г;

g₃ - масса воздуха в пикнометре, г.

3) масса газа в пикнометре (g₄), г:

g₄ = g₂-g_o,

где g₂ - масса пикнометра с газом процесса, г;

g_o - масса пустого (эвакуированного)пикнометра, г.

g₄ = 70,5827-70,3784 = 0,2043 г.

4) плотность газа (γ₁), г/л:

γ₁ = g₄/B.Ч.

γ₁ = 0,2043/0,13017 = 1,5695 г/л.

5) количество газа, полученного при процессе (Q), г:

Q = γ₁* V,

где γ₁ - плотность газа при температуре определения и барометрическом давлении, г/л;

V - объем газа, полученный при процессе, л.

Q = 1,5695 * 17,31 = 27,17 г.

 

6) расчет молекулярной массы газа.

Молекулярная масса газа (М_Г), г:

M_r=γ_o*V₀,

где γ₀ - плотность газа, приведенная к нормальным условиям, г/л;

V₀ - объем газа при нормальных условиях, равный 22,4 л.

Из уравнений: Р₁ * V₁ / Т₁ = Р₀ * V₀ /Т₀,

P₁ * M/T₁ *γ₁ = Р₀ * М/Т₀ * γ₀,

Р₁/Т₁*γ₁=Р₀/Т₀*γ₀

получим γ₀ = γ₁*P₀*T₁ / P₁ * T₀,

где γ₁ - плотность газа при температуре определения и барометрическом давлении, г/л.

γ₀ = 1,5695 * 760 * 291,5/ 751 * 273 = 1,6959,

M_r = 1,6959 * 22,4 = 37,9890 г ≈ 38 г.