第三章 石油的物理性质

密度计法 比重瓶法
2、液体油品相对密度与温度、压力的关系
温度升高，油品的体积膨胀，密度和相对密度 减小。
在0～50℃的温度范围内，t℃时的相对密度与 20 ℃时的相对密度之间存在如下的关系 :
d4t d420 γ(t 20)
式中：—油品的体积膨胀系数
液体受压后，体积变化不是太大，因而通常 压力对液体石油产品的密度的影响可以忽略不计。 但在很高的压力下油品的密度要受到压力的影响。
第二节 平均分子量
石油的分子量是进行炼油设计、关联石油物 性、研究石油的化学组成中所必不可少的基 础数据。由于石油及其产品是由许多分子大 小不同的化合物所组成的复杂混合物，而各 种合物的分子量又各不相同，其范围也很宽，
所以只能用平均分子量来表示。
1. 定义
石油及产品的理化性质
（1）数均相对分子质量
石油及产品的理化性质
➢不同属性原油相同沸程的馏分： 环烷基>中间基>石蜡基
➢ 同一种原油，随馏分沸程的升高密度逐渐 增大；
原因在于： 环烷基的原油由于其环烷烃和芳烃含量较高，
因而其相对密度较大；而石蜡基原油因烷烃 含量较高，因此其相对密度较小。
相同原油的馏分随着其沸点的升高，芳烃含 量增加，而烷烃含量降低，因而其相对密度 增加。
450～500
0.8723
0.9067
0.9390
>500
0.9221
0.9698
1.0020
原油
0.8554
0.9005
0.9495
原油属性
石蜡基
中间基 环烷-中间基
羊三木 0.7650 0.8630 0.8900 0.9100 0.9320 0.9433 0.9483 0.9820 0.9492 环烷基
表3-2 石油各馏分的平均分子量范围及与碳数的关系
馏分
沸程，℃ 碳数范围 平均碳数 平均分子量
汽油馏分
<200
C5C11
8
100120
柴油馏分 200350
C11C20
16
220240
减压馏分 350500
C20C35
30
370400
减压渣油
>500
>C35
70
9001100
第三节 密度和相对密度
～16
润滑油馏分 850～ 940 370～ 500
C20～ C36
～30
渣油
920～ 1000 900～ 1100
>C36
～70
煤油馏分
180～ 200
石油馏分的平均相对分子质量随沸程的升高而增大。
2、数均分子量的测定方法
沸点上升法 测
定 蒸气压渗透法
方
法
冰点下降法
渗透压法
3、石油及其馏分的数均分子量
Tb — 石油馏分的体积平均沸点，K；
石油及产品的理化性质
表3-1 原油及各馏分油的平均相对分子质量
名称
20℃密度 平均相对分 kg/m3 子质量
碳数
平均碳数
原油
800～1000
汽油馏分 740～ 770 100～ 120
C5～ C11
～8
轻柴油馏分 820～ 870 210～ 240
C11～ C20
10%、20%……90%馏出温度：馏出液达10ml、20ml、直 至90ml时的气相温度 。
终馏点(End Point)或干点：气相温度所能达到的最高值。
根据测得的馏程数据，以气相馏出温度为纵坐标，以馏出 体积百分数为横坐标作图即可得到某一油品的蒸馏曲线。
图3-1 大庆原油中汽油、喷气燃料、轻柴油馏分的恩氏蒸馏曲线
测定装置：相当于14～18块理论板数的填充 精馏柱的精馏装置。
实沸点蒸馏测定过程：
第一步：常压蒸馏，切取从初馏点到200℃的各个 馏分 。
第二步：在残压为1.33KPa左右进行的减压蒸馏， 切取200～ 395℃的各个馏分。
第三步：在残压为0.27KPa下不用精馏柱的减压蒸 馏，切取395～500℃的各个馏分，釜底的残液为 500℃以上的减压渣油。
环烷-中间基 环烷基
石蜡基原油的K值大，BMCI值小。
环烷基原油的K值小，而BMCI值大 。 因而K值和BMCI值能够较好地反映原油的 化学属性。
第四节 粘度
粘度是评定油品流动性的质量指标，是油品 特别是润滑油质量标准中的重要参数，也是炼油 设计中不可缺少的物理性质 。
粘度就是体现流体作相对运动时分子之间 摩擦阻力大小的指标。
赛氏粘度 ：60mL的油品流出赛氏粘度计的时间 （秒） 。
雷氏粘度 ：50mL的油品从雷氏粘度计中流出的 时间（秒） 。
5、特性因数和相关指数
特性因数K：
K
1.216 3 d 15.6
15.6
T
相关指数BMCI：
BMCI
48640 tv 273
473.7
d 15.6 15.6
456.8
正构烷烃的K值最大，约为12.7；环烷烃次 之，为11～12；芳香烃最小，为10～11 。
正构烷烃的BMCI最小，基本为零；环烷烃次之， 在50以下；芳香烃最大，在100以下。 换言之，油品的BMCI越大，其芳香性越强； 而BMCI越小，表明其石蜡性越强。
3、混合油品的密度
当属性相近的两种或多种油品混合时，其体积具 有可加性，因此混合油品的的密度mix可按下式计 算：
n
min vi i
i1
1 n wi
i1 i
式中：vi和wi－组分i的体积分率和质量分率。
4.密度与化学组成的关系
烃类的相对密度与其分子结构有关。芳香 烃的C-C的键长最短，其结构最为紧凑；环烷 烃的结构与芳烃相比，其分子结构要松弛一些； 烷烃分子的C-C键的键长最长，其分子结构最 松弛。
大庆
胜利
孤岛
IBP～200
0.7432
0.7446
-----
200～250
0.8039
0.8204
0.8652
250～300
0.8167
0.8270
0.8804
300～350
0.8283
0.8350
0.8994
350～400
0.8368
0.8606
0.9149
400～450
0.8574
0.8874
0.9349
正构α烯烃 0.6732 0.6970
0.7149
正烷基环己烷 0.7785 0.7694
0.7879
正烷基苯
0.8789 0.8670
0.8670
结论
石油及产品的理化性质
➢ 碳原子数相同时：
芳香烃>环烷烃>烷烃， 烯烃>烷烃 ➢ 同族烃类，随着分子量的增加：
正构烷烃的相对密度增加； 正烷基环己烷的相对密度增加； 正烷基苯的相对密度减小；
表3-5 各原油窄馏分的K值和BMCI值
原油 大庆 中原 胜利 辽河 孤岛 羊三木
K 12.0～12.6 11.7～12.6 11.2～12.2 11.4～11.9 11.1～11.7 11.1～11.7
BMCI 17～24 17～29 14～39 28～47 36～57 49～62
原油基属 石蜡基 石蜡基 中间基 中间基
因而对于相同碳数的烃类而言，芳烃分子 的体积最小，也就是说它的每个碳原子所占的 体积最小，因而其相对密度最大；环烷烃的分 子结构比烷烃也要紧凑些，因此其相对密度也 比烷烃要大；烷烃分子的相对密度最小。
表3-2 各族烃类的相对密度（ d）420
烃类
C6
C7
C8
正构烷烃
0.6594 0.6837
0.7025
将蒸馏过程中的气相馏出温度与相应的馏出物累 计质量收率(m%)作图，即可得到实沸点蒸馏曲线 。
图3-2 原油实沸点蒸馏曲线
三、平衡汽化
也称一次汽化或平衡蒸馏，是指油品在一定的 压力和温度下保持气液两相处于平衡状态下进行分 离。
在一定压力下得到的汽化率与温度之间的关 系曲线，即平衡汽化曲线。平衡汽化曲线的初馏 点，即0%的馏出温度，为该油品的泡点；其终馏 点，即100%的馏出温度，为其露点。
体系中不同分子的摩尔分率与其相应分子量的
乘积的总和。
M n
n M ii
N M ii Ni
Wi Ni
式中：ni—组分i的摩尔分率； Ni—组分i的摩尔数； Wi—组分i的质量；
（2）重均相对分子质量
石油及产品的理化性质
体系中不同分子的质量分率与其相应分子 量的乘积的总和。
M w
wM ii
一、粘度的定义
1、绝对粘度（）
绝对粘度又称动力粘度，它由牛顿方程式所
定义 ：
F η dv A dl
式中：F—作相对运动的两流层间的内摩擦力(剪切力)，N；
A—两流层间的接触面积，m2
dv—两流层间的相对运动速度，m/s
dl—两流层间的距离，m
—流体内部摩擦系数，即该流体的绝对粘度，Pa·s
牛顿流体：绝对粘度不随流体的剪切速 度梯度dv/dl变化而变化的体系。
非牛顿流体：绝对粘度不是定值随流体的 剪切速度梯度dv/dl变化而变 化的体系。
在SI单位制中，绝对粘度的单位为Pa·s 。
2、运动粘度
常用的粘度是运动粘度，它是绝对粘
度与相同温度和压力下的液体密度之比
值，即：
νη ρ
在SI单位中，运动粘度的单位是mm2/s。
3、条件粘度
恩氏粘度 ：以油品从恩氏粘度计流出200mL时间 与流出200mL的水所用的时间之比值。
i1
立方平均沸点Tcu（K）：
n
T ( cu
v3 i
Ti )3
i1
n
实分子平均沸点tm（℃ ）： tm xiti i1
中平均沸点tme（℃）：ห้องสมุดไป่ตู้
t tm tcu
me
2
二、实沸点蒸馏
实沸点蒸馏（True Boiling-Point Distillation， TBP）又称真沸点蒸馏，是评价原油的蒸馏方法。
一般用蒸馏曲线的斜率来表示该油品的沸 程的宽窄。
斜率 90%馏出温度 10%馏出温度 90 10
斜率越小，表示沸程越窄。
一般常用平均沸点来表征其气化性能。油品
平均沸点的定义如下：
体积平均沸点tv（℃）：
t t10 t30 t50 t70 t90
v
5
质量平均沸点tw（℃）：
t w
n
witi
第三章 石油及油品的物理性质
本章的主要内容：
石油及产品的理化性质
石油的蒸馏曲线 石油的平均相对分子质量 石油的密度与相对密度 石油的粘度 石油的热性质
石油及产品的理化性质
第一节 恩式蒸馏、实沸点蒸馏、平衡汽化曲线
石油及其产品是由许多分子大小不同的烃类 与非烃类所组成的复杂混合物。它们的沸点不象 单体化合物那样具有恒定值，而是随气化的过程 在一定温度范围内逐步升高，这个沸点范围称为 沸程。
恩式蒸馏、实沸点蒸馏、平衡汽化比较
➢ 就曲线的斜率而言，平衡汽化的最平缓，实 沸点蒸馏的最陡；
➢ 分离精确度：实沸点蒸馏最高，平衡汽化的 最差；
➢ 对同一油样，初馏点以实沸点蒸馏的最低， 其终馏点则最高，50%馏出温度处3条蒸馏 曲线上的温度差别不大；
➢ 用恩式蒸馏的50%馏出温度大体表示油品的 平均汽化性能；
1.几种符号的意义
t ：t℃时物质的密度；
20 ：标准密度；
d
t 4
：相对密度；
d d Δd d
20 4
：标准相对密度；
15.6
d1155..66：（欧美）；
15.6
o API：表示油品的相对密度,
20 4
o API
141 .5
d 15.6 15.6
131 .5
API值与密度成反比关系。
油品密度 的测定方 法
WM i i W
i
NW2 ii
NM ii
式中：wi—组分i的质量分率
经验方程：
石油及产品的理化性质
M 0.166787103 0.74785Tb 0.149503102Tb2
M 0.184534102 2.29451Tb 0.233246Tb • K
0.132853104 (Tb • K )2 0.622170 •Tb
平均分子量的分布
1200
大庆原油
1000
胜利原油
800
欢喜岭原油
600
400
200
0
200~250 250~300 300~350 350~400 400~450 450~500
>500
沸点范围
图3-3 几种原油馏分的分子量分布
石油各馏分的数均分子量是随馏分的沸 程的上升而增大的。
当沸程相同时，石蜡基的原油如大庆原 油的数均分子量最大，中间基的原油如 胜利原油次之，而环烷基的原油如辽河 欢喜岭原油最小。
一、恩氏蒸馏
恩氏蒸馏又称为ASTM蒸馏，是属于渐次气 化，基本上不具有精馏作用。随着温度的逐渐升 高，不断气化和馏出的是组成范围较宽的混合物。 因而馏程只是粗略表示油品的沸点范围和一般蒸 发性能。
其测定过程如下:
将100ml油品放入标准的蒸馏瓶中，按规定的加热速度进行 加热。
初馏点(Initial Boiling Point，简称IBP)：馏出的第一滴冷 凝液的气相温度 。
5、石油及其馏分的相对密度
表3-4 原油及其馏分的相对密度范围
油品 原油 汽油 航空煤油
相对密度 0.8～1.0 0.74～0.77 0.78～0.83
油品 轻柴油 减压馏分 减压渣油
相对密度 0.82～0.87 0.85～0.94 0.92～1.0
表3-5 不同原油各馏分的相对密度
d
20 4
馏份, ℃