Автор неизвестен - Анализ нефтепродуктов. Методические указания к лабораторным работам
Подождите немного. Документ загружается.
Введение
Нефтеперерабатывающая и нефтехимическая промышленность
вырабатывает самые разнообразные продукты: газообразное и жидкое
топливо, смазочные и специальные масла, битумы, парафин,
ароматические углеводороды, и многие другие технические и химические
продукты. Требования ко всем этим продуктам разнообразны и диктуются
изменяющимися условиями применения и эксплуатации того или иного
нефтепродукта.
Основная задача технического анализа – наиболее полно и четко
охарактеризовать необходимые химические, физические и
эксплуатационные свойства конечных продуктов производства с учетом
особенностей их назначения и применения.
В техническом анализе разнообразных продуктов применяются
следующие способы, методы и приемы исследования: химические –
использующие классические приемы качественного и количественного
анализа, физические – определение плотности, температуры застывания,
пенетрация, перегонка и др., физико-химические – спектроскопия, газовая
и жидкостная хроматография, специальные – определение различных
эксплуатационных свойств или состава анализируемого продукта. К этой
группе относят методы определения свойств нефтепродуктов: октановое
число, цетановое число, химической стабильности топлив и масел и др.
Целью изучения курса технического анализа нефтепродуктов
является получение четких представлений о том, какие физико-химические
и специальные показатели характеризуют тот или иной продукт.
Методические указания состоят из двух частей:
- первая часть включает следующие лабораторные работы:
определение температуры вспышки нефтепродуктов в закрытом тигле,
определение температуры вспышки нефтепродуктов в открытом тигле,
определение давления насыщенных паров нефтепродуктов, определение
фракционного состава нефтей, анализ нефтяных битумов, определение
содержания минеральных примесей в нефтях.
- вторая часть включает следующие лабораторные работы:
определение низкотемпературных свойств нефтепродуктов, определение
кислотного числа нефтепродуктов, определение содержания
ароматических углеводородов в нефтепродуктах, определение
кинематической вязкости нефтепродуктов, определение условной вязкости
нефтепродуктов, определение содержания серы и серосодержащих
соединений, определение плотности нефтепродуктов, определение высоты
некоптящего пламени нефтепродуктов.
3
Лабораторная работа № 1
Определение температуры вспышки нефтепродуктов
в закрытом тигле
Температурой вспышки называется температура, при которой пары
нефтепродукта, нагреваемого в определенных условиях, образуют с
окружающим воздухом смесь, вспыхивающую при поднесении к ней
пламени. Температура вспышки характеризует огнеопасность любых
нефтепродуктов. Впервые ее начали определять для керосинов, чтобы
обнаружить в них примесь бензина, которая приводила к взрывам во время
горения керосина. В настоящее время температура вспышки является
нормируемым показателем смазочных масел, дизельных и котельных
топлив, а также реактивных топлив Т-1, ТС-1, осветительных и
тракторных керосинов и бензинов-растворителей. По температуре
вспышки можно составить представление о характере углеводородов,
входящих в его состав, а также о наличии примесей легко испаряющихся
компонентов. Высококипящие углеводороды повышают температуру
вспышки и, наоборот, низкокипящие снижают ее. На температуру
вспышки некоторое влияние оказывают атмосферное давление и
влажность воздуха. Чем выше атмосферное давление, тем выше и
температура вспышки. Повышенная влажность воздуха увеличивает
температуру вспышки, так как при этом в паро-воздушной смеси
парциальное давление воздуха уменьшается за счет присутствия водяных
паров.
Определение температуры вспышки нефтепродуктов необходимо
проводить в вытяжном шкафу, так как они разлагается с выделением
газообразных продуктов. В вытяжном шкафу не следует плотно закрывать
дверцы, а держать их на рекомендуемом преподавателем уровне.
Разрешается наблюдать за процессом только через стекло шкафа.
Методика определения температуры вспышки в закрытом тигле
Испытуемые нефтепродукты по заданию преподавателя.
Прибор состоит из металлического закрытого тигля 1, который
помещается в чугунную ванну 2, а последняя в свою очередь окружена
латунной рубашкой 3 (см. рис.1). Такое устройство предохраняет ванну от
излишнего излучения тепла. Тигель с внутренней стороны имеет метку для
указания уровня налива испытуемой жидкости. Крышка тигля снабжена
заслонкой с двумя отверстиями, гнездом для термометра, зажигательным
приспособлением 4, пружинным рычагом 6 и мешалкой 5 с гибкой
передачей. Поворотом пружинного рычага открываются заслонки и
наклоняется в паровое пространство тигля зажигательное приспособление.
4
Нагрев осуществляется газовой горелкой или
электрической спиралью.
Рис.1. Прибор для определения
температуры вспышки в закрытом тигле: 1-
тигль, 2-чугунная ванна, 3-латунная рубашка, 4-
зажигательное устройство, 5-перемешивающее
устройство, 6-пружинный рычаг.
Перед определением прибор устанавливают
в помещении, где отсутствует резкое движение
воздуха. Снимают с прибора термометр, крышку с
мешалкой и вынимают тигель. Эти части,
соприкасающиеся с нефтепродуктом, тщательно
промывают керосином или бензином и сушат. Испытуемый нефтепродукт
наливают в тигель до метки, устанавливают его на место и закрывают
крышкой. В крышке укрепляют термометр, проверяют, работает ли мешалка,
пружинный
рычаг и зажигают фитиль зажигательного устройства.
С помощью электрической спирали при постоянном перемешивании
нагревают прибор, повышая температуру на 5 - 8°С/мин для продукта с
температурой вспышки от 30 до 150°С и на 10 - 12°С/мин для продукта с
температурой вспышки выше 150°С. За 30°С до ожидаемой температуры
вспышки скорость нагревания уменьшают до 2°С/мин. Когда
нефтепродукт нагреется до температуры на 10°С ниже ожидаемой
температуры вспышки, проводят испытание на вспыхивание через 1°С для
продуктов с температурой вспышки до 150 °С и через 2°С для продуктов с
температурой вспышки выше 150
о
С. Для этого на 1с поворачивают
пружинный рычаг и наблюдают за появлением синего быстро исчезающего
пламени над поверхностью нефтепродукта. Отмечаемую при этом
температуру фиксируют как температуру вспышки.
Получив первую вспышку, нагревание продолжают и через 1-2
о
С
повторяют зажигание. Если вспышки не происходит, испытание считают
неправильным и повторяют его снова со свежей порцией нефтепродукта.
Если испытанию подвергается неизвестный нефтепродукт, то в этом
случае нагревание ведут со скоростью 4
о
С/мин при постоянном
помешивании. Через каждые 4
о
С проводят испытание на вспыхивание.
Определив ориентировочную температуру вспышки, повторяют
испытание со свежей порцией нефтепродукта по описанной выше методике.
Расхождение между параллельными определениями при температуре
вспышки до 50°С не должно превышать 1°С, выше 50°С - 2
о
С.
Результаты работы представить в виде таблицы и вывода:
5
Нефтепродукт
Приблизительная
t
всп
,
о
С
Уточненная
t
всп
,
о
С
t
всп
в
соответствии с
ГОСТ,
о
С
В выводе сопоставить полученные значения температур вспышки
нефтепродуктов со значениями в соответствии с ГОСТ.
Лабораторная работа № 2
Определение температуры вспышки нефтепродуктов
в открытом тигле
Температурой вспышки называется температура, при которой пары
нефтепродукта, нагреваемого в определенных условиях, образуют с
окружающим воздухом смесь, вспыхивающую при поднесении к ней
пламени. Температура вспышки характеризует огнеопасность любых
нефтепродуктов. Впервые ее начали определять для керосинов, чтобы
обнаружить в них примесь бензина, которая приводила к взрывам во время
горения керосина. В настоящее время температура вспышки является
нормируемым показателем смазочных масел, дизельных и котельных
топлив, а также реактивных топлив Т-1, ТС-1, осветительных и
тракторных керосинов и бензинов-растворителей. По температуре
вспышки можно составить представление о характере углеводородов,
входящих в его состав, а также о наличии примесей легко испаряющихся
компонентов. Высококипящие углеводороды повышают температуру
вспышки и, наоборот, низкокипящие снижают ее. На температуру
вспышки некоторое влияние оказывают атмосферное давление и
влажность воздуха. Чем выше атмосферное давление, тем выше и
температура вспышки. Повышенная влажность воздуха увеличивает
температуру вспышки, так как при этом в паро-воздушной смеси
парциальное давление воздуха уменьшается за счет присутствия водяных
паров.
Определение температуры вспышки нефтепродуктов необходимо
проводить в вытяжном шкафу, так как они разлагается с выделением
газообразных продуктов. В вытяжном шкафу не следует плотно закрывать
дверцы, а держать их на рекомендуемом преподавателем уровне.
Разрешается наблюдать за процессом только через стекло шкафа.
Методика определения температуры вспышки в открытом тигле
Испытуемые нефтепродукты по заданию преподавателя.
6
Рис.2. Прибор для определения
температуры вспышки в открытом тигле.
Для предварительного определения
температуры вспышки нефтепродукта,
температура вспышки которого даже
приблизительно неизвестна,
рекомендуется провести ускоренное
определение. Залить в тигель
нефтепродукт до риски, установить на нагревательную пластину.
Подвижную часть стойки с термометром вернуть в рабочее положение.
Подключить аппарат к электросети. Тумблер поставить в положение ВКЛ.
Ручку регулировки нагрева поставить в положение «3». По мере нагрева
продукта через каждые 5 – 10
0
С проводить зажженный фитиль над тиглем
с испытуемым нефтепродуктом. При появлении вспышки отвести пламя
фитиля от тигля и тумблером отключить нагрев. Записать
предположительную температуру вспышки. Для точного определения
температуры вспышки подготовить аппарат к проведению повторного
анализа (охладить баню, промыть и высушить тигель).
Включают нагрев прибора, повышая температуру на 5 - 8°С/мин для
продукта с температурой вспышки от 50 до 150°С и на 10 - 12°С/мин для
продукта с температурой вспышки выше 150°С. За 30°С до ожидаемой
температуры вспышки скорость нагревания уменьшают до 2°С/мин. Когда
нефтепродукт нагреется до температуры на 10°С ниже ожидаемой
температуры вспышки, проводят испытание на вспыхивание через 1°С для
продуктов с температурой вспышки до 150°С и через 2°С для продуктов с
температурой вспышки выше 150
о
С. Для этого на 1с подносят зажженный
фитиль над тиглем и наблюдают за появлением синего быстро
исчезающего пламени над поверхностью нефтепродукта. Отмечаемую при
этом температуру фиксируют как температуру вспышки.
Получив первую вспышку, нагревание продолжают и через 1-2
о
С
повторяют зажигание. Если вспышки не происходит, испытание считают
неправильным и повторяют его снова со свежей порцией нефтепродукта.
Определив ориентировочную температуру вспышки, повторяют
испытание со свежей порцией нефтепродукта по описанной выше
методике.
Результаты работы представить в виде таблицы и вывода:
Нефтепродукт
Приблизительная
t
всп
,
о
С
Уточненная
t
всп
,
о
С
t
всп
в
соответствии с
ГОСТ,
о
С
7
В выводе сопоставить полученные значения температур вспышки
нефтепродуктов со значениями в соответствии с ГОСТ.
Лабораторная работа № 3
Определение давления насыщенных паров нефтепродуктов
Для индивидуальных жидких веществ давление насыщенного пара,
т. е. пара, находящегося в равновесии с жидкостью - физическая константа,
зависящая только от молекулярных свойств данной жидкости и от
температуры. Для жидкостей неоднородного состава, таких, как бензины
давление насыщенных паров при данной температуре является сложной
функцией состава бензина и зависит от объема пространства, в котором
находится паровая фаза. Это объясняется тем, что при разных объемах
будет испаряться, т. е. переходить в паровую фазу, разное количество
компонентов с наибольшим давлением пара и, следовательно, состав
жидкой фазы будет также различным. Таким образом, для каждого
соотношения жидкой и паровой фаз равновесие паров будет
устанавливаться с жидкостью разного состава, что повлияет и на давление
насыщенного пара. Для получения сравнимых результатов при
определении давления паров это необходимо учитывать и поддерживать
соотношение паровой и жидкой фаз постоянным, т. е. проводить опре-
деления в стандартной аппаратуре.
Давление насыщенных паров авиационных и автомобильных топлив,
а также реактивного топлива Т-2 является техническим показателем этих
топлив. Этот нижний предел характеризует наличие пусковых фракций
(нормируется только для авиационных бензинов), а верхний позволяет
судить о стабильности данного топлива и о возможности возникновения
газовых пробок. Определение давления насыщенных паров моторных
топлив проводится в герметичной стандартной металлической «бомбе
Рейда» путем замера давления по манометру при 38
о
С и соотношении
жидкой и паровой фаз 1 : 4.
Методика определения давления насыщенных паров нефтепродуктов
Испытуемые нефтепродукты по заданию преподавателя.
Прибор для определения давления насыщенных паров (см.рис.3)
состоит из бомбы Рэйда 1, водяной бани 5.
Бомба состоит из двух частей: топливной 2 и воздушной 3 камер,
которое соединяются на резьбе. Отношение объема воздушной камеры к
объему топливной камеры может колебаться от 3,8 до 4,2. Герметичность
аппарата в собранном виде проверяют заполнением его воздухом под
давлением 0,7 МПа и погружением в воду. Если аппарат не герметичен,
8
можно применить свинцовые прокладки. В бане при определении
необходимо поддерживать постоянную
температуру 38
о
С. Это достигается с
помощью нагревательного устройства
6 с терморегулятором.
Рис.3. Прибор для определения
давления насыщенных паров (модель
7000): 1 - бомба Рэйда, 2-топливная
камера, 3-воздушная камера, 4-
манометр, 5-водяная баня, 6-датчик
регулировки температуры.
Топливную камеру ополаскивают 2 – 3 раза испытуемым топливом и
заполняют нефтепродуктом так, чтобы топливо переливалось через верх
топливной камеры. Затем быстро присоединяют воздушную камеру с
манометром к топливной камере.
Собранную бомбу опрокидывают и сильно встряхивают несколько
раз. Затем подготовленную бомбу полностью погружают в заранее
нагретую водяную баню так, чтобы воздушная камера находилась
полностью в воде. При этом наблюдают, не происходит ли утечки топлива
из аппарата. Если бомба оказалась негерметичной, то испытание
повторяют с новой пробой топлива. После погружения бомбы в баню через
5 мин отмечают давление по манометру. Затем, вынимают бомбу из бани,
опрокидывают ее и сильно встряхивают, (это делают очень быстро, чтобы
бомба не охлаждалась). Снова погружают бомбу в баню. Эту операцию
повторяют через каждые 2 мин, наблюдая за давлением. Когда
последовательные отсчеты по манометру становятся постоянными, что
происходит примерно через 20 мин, отмечают давление как
«неисправленное давление насыщенных паров». Во время испытания
замеряют также по барометру атмосферное давление (или принимают
атмосферное давление).
В отсчитанное по манометру давление насыщенных паров
необходимо ввести поправку на изменение давления воздуха и паров воды
в воздушной камере, вызванное различием между начальной температурой
воздуха и температурой водяной бани. Поправка Δр (в Па) вычисляется по
формуле:
где р
ат
– атмосферное давление, Па; р
t
– давление насыщенных паров
воды при температуре t, Па, (см. приложение 1); t – начальная температура,
9
)(
2.238
)38)((
38 t
tат
pp
t
tрр
р
измеренная в воздушной камере,
о
С; р
38
– давление насыщенных паров
воды при 38
о
С, равное 6626 Па.
Поправка
р вычитается из «неисправленного давления
насыщенных паров», если начальная температура воздуха ниже 38
о
С, и
прибавляется, если эта температура выше 38
о
С.
Результаты работы представить в виде таблицы и вывода:
Нефте-
продукт
Время
опыта,
мин
Неисправленное
давление, Па
Поправка Δр,
Па
Конечное
давление
нефтепродукта,
Па
1
2
….
Конечное давление нефтепродуктов сравнить с давлением в
соответствии с ГОСТ.
Приложение 1
Зависимость давления водяных паров от температуры
Температура,
о
С
Давление пара
Температура,
о
С
Давление пара
Па мм.рт.ст. Па
мм.рт.с
т.
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
1706,5
1813,2
1933,2
2066,5
2199,8
2333,1
2493,1
2639,8
2813,1
2986,4
3173,1
3359,7
3559,7
3786,3
3999,7
4239,6
12,8
13,6
14,5
15,5
16,5
17,5
18,7
19,8
21,1
22,4
23,8
25,2
26,7
28,4
30,0
31,8
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
4493,0
4759,7
4972,9
5319,6
5626,2
5946,2
6279,5
6626,1
6986,1
7372,7
7772,7
8199,3
8649,3
9105,9
9585,9
33,7
35,7
37,3
39,9
42,2
44,6
47,1
49,7
52,4
55,3
58,3
61,5
64,8
68,3
71,9
10
Лабораторная работа № 4
Определение фракционного состава нефтей разгонкой
в стандартных аппаратах
Фракционированием называется разделение сложной смеси
компонентов на смеси более простого состава или, в пределе, на
индивидуальные составляющие. Применительно к нефти такое разделение
можно проводить разными методами, основанными на различиях в
физико-химических свойствах веществ нефти: температурах кипения
(перегонка и ректификация), склонности к адсорбции на различных
пористых телах (хроматография), растворимости в различных
растворителях (экстракции), температурах плавления (кристаллизация из
растворов) в др.
В ГОСТах на нефтяное топливо и бензины для промышленно-
технических целей в разделе “технические требования” одним из
показателей является фракционный состав, который определяется в
стандартных аппаратах. Обычно, для карбюраторных и реактивных топлив
нормируются температура начала кипения; температуры, при которых
отгоняется 10, 50 и 90% (об.) от загрузки. Кроме того, нормируется
температура, при которой отгоняется 97,5% для авиационных бензинов и
бензинов-растворителей; 98% для реактивных топлив; 96% для дизельных
топлив, и температура конца кипения автомобильных бензинов.
Методика определения фракционного состава нефтей
Испытуемые образцы нефти – по заданию преподавателя.
В чистую сухую колбу диаметром 70 мм (см. рис. 4) с помощью
мерного цилиндра наливают 100 мл испытуемого нефтепродукта,
имеющего температуру 20±30
о
С. Затем в шейку колбы вставляют на
хорошо пригнанной пробке термометр с
градуировкой от 0 до 360
0
С. При этом ось
термометра должна совпадать с осью
шейки колбы, а верх ртутного шарика
находиться на уровне нижнего края
отводной трубки вместе ее припая.
Рис. 4. Аппарат для разгонки
светлых нефтепродуктов (АРНС): 1-
кнопка «Вкл-Выкл», 2-рукоятка
регулировки напряжения, 3-
нагревательный элемент, 4-мерная колба,
5-термометр, 6-мерный цилиндр, 7-
водяной холодильник.
11
Протирают трубку холодильника 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 стенок.
При разгонке бензинов ванну холодильника заполняют льдом и
заливают водой, поддерживая температуру от 0 до 5
о
С. При разгонке
нефтепродуктов с более высокими температурами кипения охлаждение
проводят проточной водой, подавая ее через нижний патрубок и отводя
через верхний. Температура отходящей воды не должна превышать 30
о
С.
В собранном приборе колба должна стоять на асбестовой прокладке
нижней половины кожуха строго вертикально. Затем закрывают колбу
верхней частью кожуха. Мерный цилиндр, не высушивая, ставят под
нижний конец трубки холодильника так, чтобы трубка холодильника
входила в цилиндр не менее чем на 25 мм, но не ниже метки 100 мл. При
перегонке тяжелых топлив ставят чистый и сухой цилиндр. При перегонке
бензинов мерный цилиндр помещают в стеклянный сосуд с водой и, чтобы
он не всплывал, на его основание кладут подковообразный груз. Отверстие
цилиндра закрывают ватой или фильтровальной бумагой. После сборки
прибора колбу равномерно нагревают электронагревателем с плавным
регулированием мощности. 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 дистиллята в 1 мин, что примерно соответствует 20 - 25 каплям в
10с. Разгонку нефти проводят до температуры 350
о
С. Записи результатов
определения фракционного состава проводят в соответствии с
техническими условиями на данный нефтепродукт, отмечая температуры
кипения фракций нефти через каждые 10
о
С относительно температуры
начала кипения нефти. Либо, наоборот, по количеству отгона через каждые
10мл отобранной фракции отмечают соответствующую температуру. По
окончании разгонки отмечают температуру конца кипения отогнанной
фракции.
Запись последнего объема дистиллята в мерном цилиндре проводят
по истечении 5 мин после прекращения нагрева, чтобы дистиллят стек из
холодильника. Для определения объема остатка прибор разбирают, и
горячий остаток выливают в цилиндр вместимостью 100 мл. После
охлаждения до 20±3°С отмечают объем остатка. Все отсчеты при разгонке
ведут с точностью до 0,5 мл и до 1°С. Разность между 100 мл и суммой
объемов дистиллята и остатка записывают как потери при разгонке.
12