Η θερμοδυναμική του πετρελαίου. Χατζηαβραμίδη Δημήτρη Καθηγητή ΕΜΠ

Transcript

1 Η θερμοδυναμική του πετρελαίου Χατζηαβραμίδη Δημήτρη Καθηγητή ΕΜΠ

2 Άδεια Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creatve Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άδεια χρήσης άλλου τύπου, αυτή πρέπει να αναφέρεται ρητώς.

3 Τα κοιτάσµατα πετρελαίουπου ανευρίσκονται στη φύση είναι µίγµαταοργανικών ενώσεων Οργανικές ενώσεις είναι µια υπερπλήθηςκατηγορία αερίων, υγρών και στερεών χηµικών ενώσεων που τα µόρια τους περιέχουν άτοµα άνθρακα ( Carbon Ονοµάστηκαν οργανικές γιατί προέρχονται από φυτικάή ζωϊκάκατάλοιπα. Όµως, σήµερα όλες σχεδόν οι οργανικές ενώσεις παράγονται µε οργανική σύνθεση Οργανική Σύνθεση είναι η µεθοδολογία της παρασκευής των οργανικών ενώσεων Για ιστορικούς λόγους µερικές ανθρακούχες ενώσεις όπως, καρβίδια, ανθρακικά άλατα, οξείδια και κυανιούχεςενώσεις του άνθρακα, καθώς και αλοτροπικέςµορφές του άνθρακα όπως το διαµάντι και ο γραφίτης χαρακτηρίζονται ως ανόργανες Η διάκριση σε οργανικέςκαι ανόργανεςενώσεις είναι χρήσιµη για την οργάνωση της αχανούς περιοχής της Χηµείας αλλά αυθαίρετη Πετρέλαιοκαι γαιάνθρακας (coal: σηµαντικότερες πηγές οργανικών ενώσεων που χρησιµοποιούνται για παρασκευή υλικών πολύ σηµαντικών για την τεχνολογία Αξιοσηµείωτο είναι η Οργανική Χηµεία να επικεντρώνεται σε ένα χηµικό στοιχείο, τον άνθρακα, C Ο λόγος είναι η ισχύςτου C Cδεσµούπου αποτελεί προϋπόθεση για τη δηµιουργία µακρών αλυσίδων ατόµων C που συνδέονται το ένα µε το άλλο. Αλυσίδες ατόµων συνδεµένων το ένα µε το άλλο σχηµατίζουν και άλλα στοιχεία όπως το βόριο, Β, το πυρίτιο, S,και ο φωσφόρος, P Ο C Cδεσµόςπαραµένει ισχυρός ακόµη κι όταν τα άτοµα του Cσυνδέονται µε άτοµα άλλων στοιχείων (δεν συµβαίνει το ίδιο µε το Β, Sκαι Ρ //0 Σχολή Χημικών Μηχανικών

4 Ο δεσµός C Cείναι οµοιοπολικός (covalent Ο απλόςδεσµός C Cσχηµατίζεται από ζεύγος ηλεκτρονίων, ένα από κάθε άτοµο C. Ονοµάζεται σ-δεσµόςκαι σχηµατίζεται µεταξύ δύο υβριδιακώντροχιακών, ένα από κάθε άτοµο C. Στο αιθάνιο, τα υβριδιακάτροχιακά είναι sp 3. Απλοί δεσµοί µεταξύ άλλων τροχιακών, π.χ., sp - sp, σχηµατίζονται. Επίσης, είναι δυνατός ο σχηµατισµός απλού δεσµού µεταξύ τροχιακών µε διαφορετικό υβριδισµό Άτοµα Cσχηµατίζουν διπλούς δεσµούς (ένα υβριδικό sp και ένα pτροχιακό που δεν συµµετέχει στον υβριδισµό και οι αντίστοιχες ενώσεις ονοµάζονται αλκένια (alkenes, και τριπλούςδεσµούς(ένα υβριδικό spκαι δύο pτροχιακά από κάθε άτοµο και οι αντίστοιχες ενώσεις ονοµάζονται αλκύνια (alkynes O δεσµός µεταξύ p τροχιακών ονοµάζεται π-δεσµός Η διασταύρωση (branchng είναι συνηθισµένη σε C Cσχηµατισµούς. Τα άτοµα C αναγνωρίζονται από τον αριθµό των γειτονικών τους ατόµων C Πρωτοβάθµιο άτοµο άνθρακα (prmary carbon atom: γειτονικό άτοµο άνθρακα ευτεροβάθµιο άτοµο άνθρακα (secondary carbon atom: γειτονικά άτοµα άνθρακα Τριτοβάθµιο άτοµο άνθρακα (tertary carbon atom: 3 γειτονικά άτοµα άνθρακα Τεταρτοβάθµιοάτοµο άνθρακα (quaternary carbon atom: 4γειτονικά άτοµα άνθρακα //0 Σχολή Χημικών Μηχανικών 3

5 Πετρελαϊκό κοίτασμα Υδρογονάνθρακες (μόρια μικρούμεγέθους Υδρογονάνθρακες μεγαλύτερου μεγέθους μόρια παραφινικά μόρια αρωματικά Ιδιότητες Αλκανίων αέριοσε κανονικές συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης φυσικό αέριο υγρό σε κανονικές συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης αργό πετρέλαιο (crude ol λάδι λίπανσης κερί άσφαλτος Το σημείο βρασμού (bolng pont από το βουτάνιο και κάτω αυξάνεικατά C για κάθε άτομο C που προστίθεται στην αλυσίδα Το σημείο τήξης (meltng pont αυξάνει για κάθε CΗ -που προστίθεται //0 Σχολή Χημικών Μηχανικών 4

6 Συστατικά Φυσικού Αερίου Κλάσματα Αργού Πετρελαίου //0 Σχολή Χημικών Μηχανικών 5

7 Αλλαγή Φάσης Αντίστροφη Συμπύκνωση (Retrograde Condensaton Συμβαίνει όταν Η θερμοκρασία είναι μεταξύ κρίσιμης θερμοκρασίας και θερμοκρασίας πάνω από την οποία,, ανανεξάρτητα από πίεση, δεν έμφανίζεται υγρά φάση (crcondentherm, ή Η πίεση είναι μεταξύ κρίσιμης πίεσης και πίεσης πάνω από την οποία, ανεξάρτητα από θερμοκρασία, δεν εμφανίζεται αέρια φάση (crcondenbar crcondenbar //0; Σχολή Χημικών Μηχανικών 6 crcondentherm

8 Χαρακτηρισµός Aργού Πετρελαίου o αργό πετρέλαιο στις συνθήκες του διαχωριστή (separator δίνει δύο µίγµατα υδρογονανθράκων, µία στην υγρήκαι µία στην αέρια φάση. Αν τα δύο µίγµατα αναµιχθούνστην αναλογίαπου βρίσκονται στον διαχωριστήκαι το µίγµα που προκύπτει αναλυθεί µε Χρωµατογράφο Αέριας Φάσης (Gas Chromatography, έχουµε τη σύστασητου ρευστούτου κοιτάσµατος (reservor flud. Aν τα τα µίγµατα του διαχωριστήαναλυθούν χωριστά, έχουµε τη µαθηµατικά συνδυασµένη σύσταση του ρευστού του κοιτάσµατος Πέρα από ένα συστατικό, C n, n 7 ή 9, η σύσταση επεκτείνεται µε συνεχή κατανοµή, p( Mίγµααερίων υδρογονανθράκων (Whtson, C.H. Effect of C7 Propertes on Equaton-of-State Predctons, SPE J. 4, 685, 984 p( η ( η α mn αβ MW α 0.89 ( η ep β α β Γ( α MW eponental normal β dstrbuton dstrbuton //0 Σχολή Χημικών Μηχανικών 7 α C7 η n C 7

9 Χαρακτηρισµός Aργού Πετρελαίου Πέρα από ένα συστατικό, C n, n 7 ή 9, η σύσταση επεκτείνεται µε συνεχή κατανοµή Για µίγµα υγρών υδρογονανθράκων (ehrens, R.A. and Sandler, S,L. he Use of Semcontnuous Descrpton to Model C7 Fracton n Equaton of State Calculatons, SPE paper 495, SPE/DOE Symposum on Enhanced Ol Recovery, ulsa, OK, Aprl 6-30, 986 p( αe Για την κατανοµή ισχύει α β η 9.03 n p( d n or n p( n n p( M ( d n MW n or n p( MW ( n MW n //0 Σχολή Χημικών Μηχανικών 8

10 Θερµοδυναµική Συστατικά (,, Φάση (ίδια για και Gbbs ελεύθερη ενέργεια για ανάµειξη και g µ 0 ( µ µ 0 ( µ µ ( s the chemcal potental of pure component µ µ Ισορροπία (3,(4 0 Gbbs - Duhem ( g, p µ 0 ( µ µ g p, 0, p ( g µ p, (3 0 (4 (5 ( ( g καταστάσεις a και b: ισορροπία καταστάσεις c και d: όρια ισορροπίας καταστάσεις μεταξύ c και d: ασταθείς //0 Σχολή Χημικών Μηχανικών 9

11 Θερµοδυναµική Πολλά συστατικά (,,Ν, Φάσεις (υγρή και αέρια L V L µ L Vy µ V F Fz,...,,..., ( ( (3 Λύση των εξισώσεων (-(3 προσδιορίζει τις Ν µεταβλητές,, y και L / V Το χηµικό δυναµικό ορίζεται από τη σχέση 0 µ µ R ln a a γ,..., Oι συντελεστές ενεργότηταςγ υπολογίζονται από την Peng-RobnsonΚαταστατική Εξίσωση (Equaton Of State //0 Σχολή Χημικών Μηχανικών 0

12 Θερµοδυναµική Πολλά συστατικά (,,Ν, Φάσεις (υγρή και αέρια L V L µ L Vy µ V F Fz,...,,..., ( ( (3 Λύση των εξισώσεων (-(3 προσδιορίζει τις Ν µεταβλητές,, y και L / V Το χηµικό δυναµικό ορίζεται από τη σχέση µ µ a 0 γ R ln a,..., Oι συντελεστές ενεργότηταςγ υπολογίζονται από την Peng-RobnsonΚαταστατική Εξίσωση (Equaton Of State //0 Σχολή Χημικών Μηχανικών

13 Θερµοδυναµική Peng-Robnson E(quaton O(f S(tate Καθαρά συστατικά (Pure components 0 ( ( 3 ( ( ( ( ( ( ( ( 3 3 A C Z A C Z C Z sb C R pb R pa A R pv Z b sb v b b sb v sb v a b sb v R p //0 Σχολή Χημικών Μηχανικών Καθαρά συστατικά (Pure components < ω ω ω ω κ ω ω ω κ κ p p p p A c c c c c

14 Peng-Robnson E(quaton O(f S(tate Μίγµατα συστατικών Θερµοδυναµική A C A j ( δ ( A A C j j A j j / //0 Σχολή Χημικών Μηχανικών 3

15 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα Ε.Μ.Π.» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο και από εθνικούς πόρους.