ТЕХНОЛОГИЯ ТОПЛИВА И УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ

420 = (0,99823 – 0,0012)· 20t + 0,0012,

где 0,99823 – плотность воды при 20 °С и 0,1МПа; 0,0012 – плотность воздуха при 20 °С и 0,1МПа.

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФРАКЦИОННОГО СОСТАВА

Фракционированием называется процесс разделения нефти и нефтепродуктов на узкие составляющие за счет различия их по температурам кипения.

Фракционный состав является одним из важнейших показателей в технических условиях на авиационные, автомобильные бензины, авиационные и осветительные керосины, дизельные топлива, а также растворители. Он характеризует испаряемость топлива и имеет очень важное эксплуатационное значение.

Испаряемость топлива для карбюраторных двигателей должна обеспечивать легкий запуск холодного двигателя, его хорошую приемистость, т.е. легкость перехода с одного режима на другой, равномерное распределение топлива по цилиндрам двигателя.

Топливо для авиационных двигателей, наряду с утяжеленным фракционным составом для предотвращения образования паровых пробок в системе питания на больших высотах, должно быстро испаряться в камере сгорания.

Фракционный состав дизельного топлива должен обеспечивать высокую скорость его испарения и образования смеси с воздухом после впрыска и соответствующие характеристики воспламенения смеси, которые ухудшаются с облегчением фракционного состава дизельного топлива.

Фракционный состав топлив оценивается выходом 10%- ных фракций при разгонке в стандартных условиях. Обычно фиксируются следующие температуры: начала кипения (температура в момент падения первой капли с конца холодильника), выкипания 10, 50, 90 и 97,5 об. % и конца кипения (максимальная температура в период завершения стадии перегонки). Тем-

11

пературы начала кипения (tн.к) и выкипания 10 об. % характеризуют пусковые свойства топлив. С понижением этих температур облегчается запуск холодного двигателя при более низких температурах. Однако чрезмерное уменьшение 10%-ной точки нежелательно, так как могут образовываться паровые пробки в системе питания.

Температура выкипания 50 об. % оказывает влияние на быстроту прогрева холодного двигателя, расход топлива для этой цели и приемистость двигателя. Понижение этой температуры способствует быстрому прогреву двигателя при меньшем расходе топлива и значительному улучшению приемистости.

Температуры выкипания 90; 97,5 об. % и конца кипения (tк.к) характеризуют полноту испарения топлива и возможность вывода двигателя на полную мощность. При повышении этих температур полнота испарения топлива уменьшается, увеличивается расход топлива, разжижается смазка и повышается отложение кокса, что приводит к ускоренному износу двигателя.

Фракционный состав нефтяных топлив определяется на стандартном аппарате, схема которого представлена на рис. 3.

Рис. 3

12

В чистую сухую колбу 1 из мерного цилиндра 7 наливают 100 мл испытуемого нефтепродукта, имеющего температуру (20 ± 2) °С. Затем в шейку колбы вставляют на хорошо пригнанной пробке термометр 2 с градуировкой от 0 до 360 °С. При этом ось термометра должна совпадать с осьюшейки колбы, а верх ртутного шарика должен находиться на уровне нижнего края отводной трубки в месте ее припая. Протирают трубку холодильника 3 и соединяют с ней отводную трубку колбы при помощи пробки. Отводная трубка колбы должна входить в трубку холодильника на 25–40 мм и не касаться ее стенки. При разгонке бензинов ванну холодильника 5 заполняют льдом и заливают водой, поддерживая температуру 0–5 °С. При разгонке нефтепродуктов с более высокими температурами кипения охлаждение проводят проточной водой, подавая ее через нижний патрубок 6 и отводя через верхний 4. Температура охлаждающей воды не должна превышать 30 °С. В собранном приборе колба должна стоять на асбестовой прокладке 8 строго вертикально. Мерный цилиндр 7, не высушивая, ставят под нижний конец трубки холодильника так, чтобы она входила в цилиндр не менее чемна25 мм. Отверстие цилиндразакрываетсяватой.

После сборки прибора начинают равномерно нагревать колбу. Нефтепродукт испаряется, конденсируется в холодильнике и поступает в мерный цилиндр. Для соблюдения стандартных условий разгонки необходимо регулировать обогрев таким образом, чтобы от начала обогрева до падения первой капли дистиллята в приемник прошло не менее 5 и не более 10 мин (для керосинов и легких дизельных топлив 10–15 мин). Температуру, при которой в мерный цилиндр падает первая капля, отмечают как температуру начала кипения. Дальнейшая интенсивность нагрева должна обеспечивать равномерную скорость перегонки с отбором 4–5 мл в минуту, что составляет 20–25 капель в 10 с.

В дальнейшем последовательно фиксируют температуры, соответствующие выпадению каждых 10 об. % испытуемого нефтепродукта, что определяется по уровню жидкости в приемном цилиндре. Результаты разгонки представляют в виде таблицы, а затем строят кривую (рис. 4).

13

паров характеризует интенсивность испарения, пусковые качества моторных топлив и склонность их к образованию паровых пробок.

Пробу, предназначенную для определения давления насыщенных паров, рекомендуется хранить при температуре не вы-

ше 20 °С.

Прибор для определения давления насыщенных паров (рис. 5) состоит из металлической бомбы, водяной бани и манометра. Металлический аппарат (бомба Рейда) состоит из двух частей: топливной камеры 1 и воздушной камеры 2, которые соединяются на резьбе. К воздушной камере присоединен манометр 3. Отношение объема воздушной камеры к объему топливной камеры может колебаться от 3,8 до 4,2. В бане при определении необходимо поддерживать с помощью термостата постоянную температуру (38 0,3) °С по контрольному термометру. Перед испытанием для удаления паров топлива из воздушной камеры необходимо промыть ее не менее 5 раз водой, нагретой

до 30–40 °С, затем присоединить к штуцеру Рис. 5 резиновую трубку и пережать ее зажимом.

Перед испытанием пробу испытуемого топлива и топливную камеру необходимо поставить в ледяную ванну с температурой 0–4 °С. Затем, сполоснув топливную камеру 2–3 раза испытуемым топливом, заполнить ее так, чтобы топливо переливалось через верх камеры.

После замера исходной температуры воздуха в воздушной камере необходимо проверить наличие зажима на трубке и соединить воздушную камеру с топливной. Собранный аппарат нужно опрокинуть и сильно встряхнуть, затем камеры привести в нормальное положение и погрузить в водяную баню.

15

После погружения камер в водяную баню открыть зажим и спустя 5 мин отметить давление по показаниям манометра 3. Затем закрыть зажим, вынуть камеры из бани, опрокинув их, сильно встряхнуть и поставить в водяную баню. Испытания повторять через каждые 2 мин до тех пор, пока показания манометра не перестанут изменяться. Перед каждым встряхиванием зажим закрыть, а после погружения собранного аппарата в баню открыть. Встряхивать аппарат следует как можно быстрее, чтобы избежать охлаждения. Для предупреждения опрокидывания камер применяют установочный фланец.

После того как показания манометра перестанут изменяться, отмечают показание как неисправленное давление насыщенных паров и вносят поправку Р на изменение давления воздуха и насыщенных паров воды в воздушной камере, вызванное различием между исходной температурой воздуха и температурой водяной бани. Поправку Р (Па) находят по табл. 2 приложения. Поправка вычитается из неисправленного давления насыщенных паров, если начальная температура воздуха ниже 38 °С, и прибавляется, если эта температура выше 38 °С. Например, пусть неисправленное давление насыщенных паров равно 58395 Па, исходная температура в воздушной камере 18 °С, атмосферное давление Ра = 99991,5 Па. Находим по табл. 2 поправку:Р = 11332,4 Па. Затем вычисляем давление насыщенных паров испытуемого топлива: Р = 58395 – 11332,4 = 47062,6 Па.

Допустимые расхождения для параллельных определений не должны превышать 1999,8 Па.

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЯЗКОСТИ

Вязкость является важнейшей физической константой, характеризующей эксплуатационные свойства котельных, дизельных топлив, нефтяных масел и других нефтепродуктов. По значению вязкости судят о возможности распыления и прокачивания нефтепродуктов. В нефтепереработке различают динамическую, кинематическую и условную вязкости.

16

Динамической (абсолютной) вязкостью (внутренним трением) называют свойство реальных жидкостей оказывать сопротивление сдвигающим касательным усилиям. Это свойство проявляется при движении жидкости. За единицу измерения динамической вязкости принято сопротивление, которое оказывает жидкость при перемещении относительно друг друга двух ее

слоев с площадью поверхности 1 м2 под действием внешней силы в 1 Н со скоростью 1 м/с, т.е. Н·с/м2. Учитывая, что Н/м2 = Па,

динамическую вязкость часто выражают в Па·с или мПа·с. Наибольшее распространение при различных расчетах, а так-

же при контроле качества нефтепродуктов получила кинематическая вязкость.

Кинематической вязкостью называют отношение динамической вязкости жидкости к ее плотности при той же температуре. Кинематическая вязкость выражается в м2/с или мм2/с.

Нефть и нефтепродукты часто характеризуются условной вязкостью, за которую принимается отношение времени истечения через калиброванное отверстие стандартного вискозиметра 200 мл нефтепродукта при определенной температуре ко времени истечения 200 мл дистиллированной воды при температуре 20 °С. Условная вязкость(ВУ) выражается числомусловных градусов.

4.1. Определение кинематической вязкости

Чаще всего для определения кинематической вязкости используют стеклянные вискозиметры, в которых испытуемая жидкость протекает через капиллярные трубки определенного диаметра. Сущность метода заключается в измерении времени истечения определенного объема испытуемой жидкости под влиянием силы тяжести. Диаметр капилляра подбирается таким образом, чтобы время истечения жидкости было не менее 200 с. В основу метода положена формула Пуазейля для истечения реальных жидкостей через капилляры:

ghr4 , 8lV

17

где – кинематическая вязкость, м2/с; g – ускорение силы тяжести, м/с2; h – высота столба жидкости, м; r – радиус капилляра, м; l – длина капилляра, м; V – объем жидкости, протекающей через капилляр, м3; – времяистеченияопределенногообъема жидкости, с.

Величины h, r, l, V имеют постоянные значения для данного вискозиметра, поэтому

ghr4 С, 8lV

где С – постоянная вискозиметра, мм2/с2.

Каждый вискозиметр снабжается паспортом, в котором указывается его постоянная. В зависимости от прозрачности нефтепродукта и уровня его вязкости применяют вискозиметры ВПЖТ-2 и ВПЖТ-4 для измерения вязкости прозрачных жидкостей при любых температурах.

Термостат или баня вискозиметра заполняется прозрачной жидкостью, которая остается в жидком состоянии при температуре определения. В качестве бани используют любой прозрачный сосуд такой глубины, чтобы нефтепродукт, находящийся в вискозиметре, был погружен не менее чем на 20 мм ниже уровня жидкости в бане и находился не менее чем на 20 мм выше дна бани. Баня должна быть снабжена устройством, позволяющим точно регулировать температуру жидкости в ней. Наибольшее изменение температуры жидкости по длине вискозиметра не должно превышать 0,01 °С при температуре от 15 до 100 °С.

Для испытания применяют чистый сухой вискозиметр с пределами измерения, соответствующими ожидаемой вязкости испытуемого образца (рис. 6, 7). При наличии в нефтепродукте воды его сушат безводным сульфатом натрия или прокаленной крупнокристаллической поваренной солью и фильтруют через бумажный фильтр. Вязкие продукты перед фильтрованием допускается подогревать до 50–100 °С.

Для определения вязкости в вискозиметрах на отводную трубку 3 надевают резиновую трубку. Далее, зажав пальцем колено 2 и перевернув вискозиметр, опускают колено 1 в сосуд с нефтепро-

18

дуктом и засасывают его (с помощью резиновой груши, водоструйного насоса или иным способом) до метки М2, следя за тем, чтобы в жидкости не образовались пузырьки воздуха. Вынимают вискозиметр из сосуда и быстро возвращают в нормальное положение. Снимают с внешней стороны колена 1 избыток жидкости и надевают на его конец резиновую трубку. Вискозиметр устанавливают в термостат (баню) так, чтобы расширение 4 было ниже уровня жидкости. После выдержки в термостате не менее 15 мин засасывают жидкость в колено 1 примерно до 1/3 высоты расширения 4. Соединяют колено 1 с атмосферой и определяют время перемещения мениска жидкостиотметки М1 до метки М2.

Рис. 6 Рис. 7

Кинематическую вязкость (мм2/с) исследуемого нефтепродукта вычисляют по формуле:

= С ,

где С – постоянная вискозиметра, мм2/с2; – среднее арифметическое время истечения нефтепродукта в вискозиметре, с.

19

Расхождение результатов последовательных определений не должно превышать 0,35 % от среднего арифметического значения. Результаты определения кинематической и динамической вязкости округляют до 0,01 % измереннойилирасчетнойвеличины.

Индекс вязкости (ИВ) – расчетная величина, которая характеризует изменение вязкости нефтепродуктов в зависимости от температуры. Индекс вязкости вычисляют по формуле:

ИВ LL – UН 100,

где L – кинематическая вязкость при 40 °С нефтепродукта с индексом вязкости 0, обладающего такой же кинематической вязкостью при 100 °С, что и испытуемый нефтепродукт, мм2/с; Н – кинематическая вязкость при 40 °С нефтепродукта с индексом вязкости 100, обладающего той же кинематической вязкостью при 100 °С, что и испытуемый нефтепродукт, мм2/с; U – кинематическая вязкость при 40 °С нефтепродукта, индекс вязкости которого требуется определить, мм2/с.

Если кинематическая вязкость нефтепродуктов при 100 °С ниже 70 мм2/с или равна этому значению, то значения L, H и их разность D определяют по табл. 3 в приложении.

4.2. Определение условной вязкости

Условная вязкость определяется для тех нефтепродуктов, которые дают непрерывную струю в течение всего периода испытания, и тех, вязкость которых нельзя определить капиллярными вискозиметрами.

Испытание проводится в вискозиметре, схема которого представлена на рис. 8. Вискозиметр состоит из внутреннего резервуара 1 с трубкой 2 в его дне. В трубку 2 вставлена отполированная трубка калиброванного диаметра. Резервуар 1 помещен во внешний цилиндрический сосуд 3, являющийся жидкостной баней. Сосуд, снабженный мешалкой 4, подогревается с помощью нагревательного элемента 5. Резервуар 1 закрывается крышкой 6

20