2界麵張力模擬近似計算

在懸浮床加氫體係中，原料油的界麵張力的大小直接影響體係中氣泡的大小和分布範圍及尺寸大小，這對於體係中氣體如H2從體相向催化劑表麵、油品表麵的擴散有很大的影響，隨著溫度的變化，其界麵張力也呈現出不同的變化規律。因此，計算工況條件下渣油在H2氣氛下的界麵張力變化對於建立渣油懸浮床加氫氣泡尺寸模型尤為重要。

但是，目前關於氣體/渣油界麵張力的研究集中在CO2/N2等氣體驅油的領域中，關於加氫領域中尤其是H2氣氛下渣油的界麵張力研究還處於空白狀態。因此，本文主要以與H2分子結構較為相似的N2為主要研究考察對象，考察N2氣氛下渣油的界麵張力。另外，對於不同氣氛下的渣油的界麵張力變化來說，氣體的沸點越低，其在高壓下溶解入渣油之中導致界麵張力變小的幅度變化越小。

查表可知，在標準狀態下，CO2沸點-56.5℃，N2沸點-195.6℃，H2沸點-252.7℃，因此，相同壓力下，H2氣氛下降低的幅度應該比N2氣氛相對應的界麵張力下降幅度小，因此，可以得到在高壓條件下的H2/渣油的界麵張力應當處於該渣油在N2氣氛下常壓以及高壓條件下界麵張力之間。

根據上述分析，並考慮到在較高溫度下渣油組成的劇烈變化導致的計算偏差情況，可以計算得到N2在常壓條件下以及高壓條件下的界麵張力，從而對H2在高壓條件下的界麵張力進行限定。

2.1 N2氣氛常壓條件下的界麵張力計算

首先，界麵張力的模擬計算與油品的餾程等有很重要的關係，需要通過油品的平均沸點等數據，可以根據油品的蒸餾曲線得到的平均沸點數據。體積平均沸點，是平均沸點的表示方法之一，是恩氏蒸餾10%、30%、50%、70%、90%五個餾出溫度的算術平均值。用於求定其他物理常數。

由於減壓渣油過重，超過質量分數80%的油品在實際操作過程中是無法餾出，這給計算油品的平均沸點造成了困難。考慮到目前得到的油品蒸餾曲線均為典型的S型曲線，因此將現有曲線采用Boltzmann計算模型來進行模擬擬合。

通過Boltzmann計算模型得到的紅色擬合曲線的相關性Adj R2=0.999 76≈1，說明擬合曲線擬合優度非常好，基本可以用擬合曲線作為真實蒸餾曲線得到平均沸點數據。

有研究者提供了一種利用原料油各項可測理化參數進行空氣氣氛、常壓條件下界麵張力估測的方法，在實際應用中被證明具有較高的準確度，本研究將以此為基礎得到最初的界麵張力數據，隨後進行接下來的計算近似。

根據表一提供的Toledo減渣的物性數據，以及得到的減壓渣油的模擬蒸餾曲線，可得到Toledo減渣特性因數為11.6，真臨界溫度為760℃，據此查表計算可得在常壓、較高溫度條件下常壓條件、N2氣氛下Toledo減渣的氣液界麵的界麵張力，逐點計算後將結果匯總。

可以看到，根據文獻方法計算結果，對於Toledo減壓渣油來說，其在常壓條件下N2氣氛條件下的氣液界麵的界麵張力，當不在真臨界溫度（760℃）較近的溫度範圍內，都可以認為隨溫度呈現線性下降的趨勢。

對於接近真臨界溫度範圍後的界麵張力的變化，多篇文獻報道了較較低溫度範圍斜率更低的線性變化關係，直至在真臨界溫度條件下，氣液兩相體係最終演變為氣液部分體係，此時體係的不存在界麵，則顯然界麵張力數據為零，與計算結果趨勢一致。

2.2 N2氣氛高壓條件下的界麵張力估算

在較高壓力條件下，氣液界麵中氣相一邊的壓力越大，氣體分子從氣相向液相中擴散的動力也就越大，最終導致一部分氣體會溶解在渣油之中，由此導致氣液界麵的界麵張力下降，一般來說，壓力越高，溶解氣體越多，氣液界麵的界麵張力就越低。對於氮氣來說，文獻中報道了其在不同溫度下的壓力-界麵張力關係，根據結果發現，在一定溫度下，常壓-20 MPa條件下的渣油界麵張力與壓力為線性下降關係。

可以發現，不同溫度條件下渣油界麵張力線性下降的斜率與溫度存在較為明顯的線性關係，即，溫度越高，則氣液兩相界麵張力隨氣相壓力升高而降低的趨勢則越小，且呈線性變化趨勢。因此，根據此結果，可以以較低溫度條件下的氣液界麵界麵張力關係，推導在較高溫度條件下的氣液界麵界麵張力隨外界條件的變化關係。

不同溫度條件下的線性下降的斜率與溫度的變化也基本呈現出一定的的線性。另外，對於不同壓力下的界麵張力-溫度關係，理論上應當都是線性變化，因此，斜率變化的線性變化規律也是符合一般規律的。由此可以推測得到在相應溫度條件下的線性下降斜率，從而由N2常壓條件下Toledo減渣的界麵張力推測得到N2在20 MPa氣氛條件下Toledo減渣的界麵張力。

綜合上述分析，根據計算結果，黑色、紅色分別為常壓、20 MPa下N2與減壓渣油的界麵張力隨溫度變化的變化趨勢，與文獻規律吻合，均呈現線性變化規律。

對於根據前文對於不同氣體在高壓條件下氣液界麵的界麵張力隨溫度變化的規律的推導，可知，H2氣氛條件下其與減壓渣油的界麵張力隨溫度變化的規律曲線應處在N2常壓以及20 MPa條件下的界麵張力-溫度兩條曲線之間，即圖中的黑色直線以及紅色直線之間的陰影區域。

可以看到，對於本文給定的界麵張力計算模擬的範圍來說，同時考慮到數量級，誤差基本可以控製在±3 mN/m範圍內，另外考慮到計算過程的偏差，具有較大的準確性，這一結果具有一定的可參考價值。

3結論

本文建立了一種估算在較為苛刻的條件下，減壓渣油在氫氣氣氛條件下的黏度、界麵張力等隨溫度變化的關係的方法，在缺少相應的測量方法的條件下，可以對油品的相應參數進行簡單的估算。

總體來說，油品的黏度、界麵張力隨著溫度的變化都呈現出一定的變化規律，根據相關工作的經驗性公式以及相關模型可以對於油品在工況條件下的黏溫曲線以及界麵張力進行一定程度的預測。對於界麵張力計算模擬的範圍來說，同時考慮到數量級，基本在±3 mN/m範圍內，另外考慮到計算結果的誤差性，這一結果基本可以參考;對於黏溫關係來說，則存在數倍的差距，這一工作有實測工作的限製因素，以及工況條件下的減壓渣油組成變化等因素的影響同時存在。

懸浮床加氫工藝條件下界麵張力、油品黏度模擬近似計算（一）

懸浮床加氫工藝條件下界麵張力、油品黏度模擬近似計算（二）