Плотность по шкале °API представляет собой обратную меру плотности жидких углеводородов. Она связана с относительной плотностью при нефтяном эталонном условии 60°F/60°F (15,56°C/15,56°C) следующим образом:
[ ^\circ\mathrm{API}=\frac{141.5}{\mathrm{sp.\ gr.}_{60/60}}-131.5 ]
Обратное преобразование:
[ \mathrm{sp.\ gr.}_{60/60}=\frac{141.5}{131.5+^\circ\mathrm{API}} ]
Стандартные эталонные температуры необходимы, поскольку жидкие углеводороды расширяются и сжимаются при изменении температуры, что изменяет их измеряемую плотность и объем.
Чем выше плотность по шкале °API, тем ниже относительная плотность и тем легче углеводород. Эталонное условие 60°F/60°F делает измерения плотности, показания ареометра, материальные балансы и расчеты расхода сопоставимыми и воспроизводимыми.
Как плотность по шкале °API связана с относительной плотностью
Плотность по шкале °API представляет собой обратную шкалу плотности
Относительная плотность сопоставляет плотность жидкости с плотностью воды при определенных условиях. Шкала плотности API преобразует это соотношение в принятую в нефтяной промышленности шкалу, в которой большие значения соответствуют более легким жидкостям.
Например, жидкость с относительной плотностью 0.80 имеет:
[ ^\circ\mathrm{API}=\frac{141.5}{0.80}-131.5=45.4^\circ\mathrm{API} ]
Жидкость с относительной плотностью 0.95 имеет приблизительно 17.4°API, что делает ее значительно тяжелее жидкости с относительной плотностью 0.80.
Преобразование работает в обоих направлениях
Используйте уравнение API, если известна относительная плотность и требуется определить плотность по шкале API:
[ ^\circ\mathrm{API}=\frac{141.5}{\mathrm{sp.\ gr.}_{60/60}}-131.5 ]
Используйте преобразованное уравнение, если плотность по шкале API указана и для расчетов необходимо определить относительную плотность:
[ \mathrm{sp.\ gr.}_{60/60}=\frac{141.5}{131.5+^\circ\mathrm{API}} ]
Значение относительной плотности должно соответствовать тому же эталонному условию, которое используется шкалой API.
Что шкала показывает при эксплуатации установок
Углеводороды с более высоким значением API обычно имеют меньшую плотность и часто ведут себя как легкие нефтяные фракции. Углеводороды с более низким значением API имеют большую плотность и могут требовать иных расчетов энергозатрат, гидравлики и разделения.
Одной плотности по шкале API недостаточно для полной характеристики углеводородной смеси. Это полезный показатель плотности, однако для точного прогнозирования таких свойств, как характер кипения, теплоемкость или теплота испарения, необходимы дополнительные данные о составе или характеристиках смеси.
Почему необходимы эталонные температуры
Плотность жидкости изменяется с температурой
При нагревании жидкость обычно расширяется. Ее масса остается практически постоянной, но объем увеличивается, поэтому плотность уменьшается.
При охлаждении, как правило, происходит обратное. Поэтому образец дает разные показания плотности, относительной плотности и ареометра при разных температурах.
Соотношение требует определенных условий
Обозначение относительная плотность при 60°F/60°F указывает эталонное условие для обеих жидкостей при сравнении плотностей:
- Первая температура относится к образцу углеводорода.
- Вторая температура относится к эталонной воде.
Использование определенного условия предотвращает изменение результата только из-за того, что измерение проводилось при другой температуре.
Эталонные условия обеспечивают согласованность измерений
Стандартная температура позволяет сравнивать измерения, выполненные разными операторами, лабораториями и на пилотных установках. Без такого стандарта два идентичных образца углеводорода могли бы иметь разную плотность по шкале API только потому, что их измеряли при разных температурах.
Именно поэтому показания ареометра, полученные не при 60°F, необходимо скорректировать до стандартного эталонного условия перед представлением плотности по шкале API.
Почему это важно при обучении работе на пилотных установках
Материальные балансы зависят от согласованной плотности
Материальные балансы на пилотных установках часто объединяют измерения на основе массы и объема. Для перехода между ними требуется надежное значение плотности или относительной плотности.
Если плотность не скорректирована к единому эталонному условию, рассчитанные значения массового расхода, запасов и выхода могут содержать систематические ошибки.
Расчеты расхода зависят от свойств жидкости
Плотность влияет на характер течения жидкости и используется в расчетах перепада давления, производительности насосов, гидростатического напора и импульса жидкости.
Использование относительной плотности, полученной из значения API при правильном эталонном условии, обеспечивает согласованную основу для оценки этих величин, однако для фактических условий процесса могут потребоваться поправки на рабочую температуру.
Для оценки разделения и тепловой нагрузки недостаточно одной плотности API
При обучении дистилляции и экстракции плотность по шкале API помогает охарактеризовать сырье и различать более легкие и тяжелые углеводородные компоненты. Она может использоваться для предварительной оценки свойств и сравнения различных видов сырья.
Однако плотность по шкале API не следует рассматривать как замену полному анализу состава или диапазона кипения, если требуются точные расчеты равновесия между паром и жидкостью, тепловой нагрузки или разделения.
Понимание компромиссов
Одно число не описывает смесь полностью
Две углеводородные смеси могут иметь одинаковую плотность по шкале API, но различаться по составу, летучести, вязкости или диапазону кипения. Поэтому плотность API является полезным показателем для предварительной оценки и отчетности, но не представляет собой полную модель процесса.
Эталонная температура не равна рабочей температуре
Представление относительной плотности при 60°F/60°F стандартизирует это свойство, но жидкость в технологической установке может быть значительно горячее или холоднее. В инженерных расчетах при моделировании фактических условий работы оборудования необходимо использовать соответствующие температурные поправки или данные о физических свойствах, зависящих от температуры.
Нескорректированные показания ареометра могут вводить в заблуждение
Показание ареометра, полученное при нестандартной температуре, является результатом измерения при этой температуре. Если напрямую представить его как стандартную плотность API, это может привести к неправильной классификации жидкости и ошибкам в расчетах расхода, балансов и оборудования.
Согласованность единиц по-прежнему важна
Соотношение API является безразмерным, однако эталонная система не является необязательной. Смешение относительной плотности при 60°F/60°F со значением, измеренным при другой температуре, или использование несогласованной эталонной воды снижает надежность преобразования.
Правильное применение соотношения
Используйте это преобразование как часть более широкой процедуры измерения свойств, а не как изолированный арифметический шаг.
- Если ваша основная задача — преобразование свойств: используйте (\mathrm{sp.\ gr.}_{60/60}=141.5/(131.5+^\circ\mathrm{API})) и убедитесь, что значение API и относительная плотность относятся к одному и тому же эталонному условию 60°F/60°F.
- Если ваша основная задача — точность измерений: скорректируйте показания ареометра или плотности, полученные при других температурах, прежде чем представлять стандартную плотность API.
- Если ваша основная задача — материальные и энергетические балансы: используйте стандартизированную относительную плотность для согласованного пересчета массы и объема, а затем применяйте данные о свойствах при рабочей температуре, если этого требует расчет оборудования.
- Если ваша основная задача — проектирование процессов разделения: рассматривайте плотность API как важный показатель плотности, но дополняйте ее данными о составе, диапазоне кипения и других свойствах.
Понимание как обратной зависимости API, так и ее основы в виде эталонной температуры делает измерения углеводородов надежными при эксплуатации различных установок химической технологии.
Сводная таблица:
| Ключевой момент | Практическое значение |
|---|---|
| Соотношение °API | °API = 141.5 / SG₆₀/₆₀ - 131.5 |
| Обратное преобразование | SG₆₀/₆₀ = 141.5 / (131.5 + °API) |
| Значение шкалы | Более высокое значение °API указывает на меньшую плотность и более легкий углеводород. |
| Эталонное условие | Условие 60°F/60°F стандартизирует сравнение углеводорода и воды. |
| Влияние температуры | При нагревании жидкость расширяется, и ее измеряемая плотность уменьшается. |
| Значение для пилотной установки | Согласованная плотность поддерживает материальные балансы, расчеты расхода и анализ работы оборудования. |
| Важное ограничение | Плотность API не заменяет данные о составе, диапазоне кипения или свойствах, зависящих от температуры. |
Повышайте качество обучения работе с углеводородами и надежность процессов
Нужно надежное оборудование для обучения химической технологии, пилотных испытаний или разработки процессов? Свяжитесь с LABPARK, чтобы обсудить учебные и профессиональные пилотные установки для изучения технологических операций с жидкими углеводородами и проведения исследований. LABPARK оснащает университеты, научно-исследовательские институты и предприятия пилотными установками для химической технологии, биопроцессов и биотехнологий, а также экологических задач и очистки воды. Наши системы помогают командам связать стандартизированные измерения свойств с практическими материальными балансами, исследованиями потоков, экспериментами по разделению и эксплуатацией оборудования в контролируемой учебной среде.