4. Определение фракционного состава нефтепродуктов при атмосферном давлении

Основные правила по технике безопасности для данной работы

Работа по определению фракционного состава топлив является одной из наиболее взрыво-и пожароопасной из всего лабораторного практикума, поэтому особое внимание нужно обратить: на правильность сборки прибора и последовательность проведения испытания

Пары бензина очень токсичны для человека и их вдыхание может вызвать как острое, так и хроническое отравление, наблюдаются симптомы, похожие на алкогольную интоксикацию: психическое возбуждение, эйфория, головокружение, тошнота, слабость, рвота, покраснение кожных покровов, учащение пульса.

Цель работы

• Определить фракционный состав данного образца моторного топлива.

• Дать оценку эксплуатационным качествам топлива по его фракционному составу.

Основные теоретические положения

От фракционного состава топлива (характеризующего содержание в нем фракций, выкипающих в определенных температурных пределах) зависят надёжность быстрого запуска двигателя, длительность его прогрева, приёмистость, полнота сгорания и расход топлива, равномерное распределение горючей смеси по цилиндрам двигателя, образование отложений в камере сгорания и другие.

Разнообразием климатических условий обусловлены основные требования к фракционному составу: нужно не только обеспечить запуск двигателя при низких температурах, но и предотвратить нарушения в работе двигателя, возникающие вследствие образования паровоздушных пробок при высоких температурах окружающего воздуха.

Поскольку бензины являются сложной смесью различных углеводородов, то они выкипают не при одной постоянной температуре, а в широком диапазоне температур от 30 до 205 °С. Поэтому испаряемость бензина оценивается не только по температурным пределам его выкипания, но и по температурам выкипания его отдельных частей (фракций).

Температура начала кипения(t_нк) ограничена в сторону уменьшения: она должна быть не ниже 35 °С (для летних марок бензинов А-76, АИ-91, АИ-93) или 30 °С (для летней марки бензина АИ-95). Это условие контролирует количество легкокипящих фракций в бензине, что гарантирует не только предотвращение образования паровоздушных пробок, но и сохранение пусковых свойств топлив. В летнее время понижение этой температуры неизбежно приводило бы к большим потерям от испарения бензина при его хранении и транспорте, а также возникновения взрыво- и пожароопасной ситуации при эксплуатации таких бензинов.

Пусковые свойства топлива обусловлены низкокипящей фракцией – от начала кипения до выкипания 10 % объема бензина (t₁₀). Эта фракция определяет температуру окружающего воздуха, при которой ещё возможен запуск непрогретого двигателя. Чем ниже температура окружающего воздуха, тем больше легких углеводородов требуется для запуска двигателя, причем снижение температуры выкипания этой фракции улучшает пуск двигателя.

Таким образом, лёгкая фракция нужна только на период пуска и прогрева двигателя, что важно при работе в холодное время, поскольку при пуске двигателя в этих условиях испаряемость топлива во впускной системе существенно ухудшается. Если в составе топлива недостаточно низкокипящих углеводородов, то при пуске холодного двигателя часть бензина не успевает испариться и попадает в цилиндры в жидком состоянии. Используемая горючая смесь оказывается обедненной и не может воспламениться от электрической искры. В результате запуск двигателя оказывается невозможным.

Рабочей фракцией называют фракции бензина, выкипающие от 10 до 90 % объема топлива. Стандартом рабочая фракция регламентирована температурой выкипания 50 % объема топлива (t₅₀).

Чем ниже t₅₀, тем однороднее углеводородный состав топлива, бензин быстрее испаряется во впускном трубопроводе, наполнение цилиндров горючей смесью улучшается, в результате быстрее прогревается двигатель, его мощность возрастает и улучшается его приемистость (способность быстро увеличивать частоту вращения коленчатого вала при резком открытии дроссельной заслонки), более круто поднимается кривая разгонки в своей средней части.

При плохой испаряемости образуются обедненные горючие смеси, приводящие к росту времени, необходимого для разгона двигателя, работающего на таких топливах.

Концевая (или хвостовая) фракция – это тяжёлые углеводороды бензина в интервале температур перегонки 90 % объёма топлива и конца кипения (t_кк), характеризующие полноту испарения бензина в двигателе.

Известно, что в двигателях сгорает топливо, находящееся в газообразном состоянии. Поэтому для полноты сгорания нужно, чтобы всё топливо перешло в парообразную фазу, и произошло тщательное перемешивание паров топлива с воздухом с образованием горючей смеси. Испаряемость топлива существенно ухудшается с увеличением

• молекулярной массы его углеводородов,

• плотности

• температуры кипения.

Поскольку высококипящие углеводороды во впускной системе двигателя полностью не испаряются, то они в капельно-жидком состоянии поступают в камеру сгорания, где только незначительная часть их испаряется и сгорает, а другая часть либо частично выбрасывается с отработавшими газами, либо стекает по стенкам цилиндра, смывая с них смазочную пленку.

Скорость сгорания такой смеси снижается (смесь догорает в процессе расширения), что приводит к снижению экономичности двигателя. При этом возникают условия для конденсации топлива на деталях цилиндропоршневой группы. Попадая в картер двигателя, эти фракции бензина разжижают моторное масло и в тех местах, где смыто масло, наблюдается практически сухое трение, что приводит к повышенному износу деталей. Применение топлива с высокой температурой конца кипения не только приводит к увеличению износа деталей ЦПГ двигателя, количества нагароотложений в камере сгорания (несгоревшая часть топлива участвует в образовании нагара на горячих деталях двигателя), но и к перерасходу топлива, снижению мощности двигателя.

Экспериментальная часть работы

Мерным цилиндром отмеряют 100 мл исследуемого нефтепродукта и переливают его в колбу (12), наклонив ее так, чтобы нефтепродукт не вылился через боковой отвод колбы. Мерный цилиндр (4), служащий для залива нефтепродукта, ставят, не высушивая, под конец трубки холодильника(3) на подставку (5). Трубка холодильника должна входить в центр цилиндра не менее чем на 25 мм, но не ниже метки 100 мл.

Боковой отвод колбы вставляют с помощью пробки в трубку холодильника (14) на 25-40 мм.

Под колбой устанавливают на требуемой высоте с помощью ручки регулировки высоты подъемника (10) колбонагреватель (11). В колбу вставляют термометр (13) на пробке так, чтобы верхний край ртутного шарика находился на уровне нижнего края отводной трубки колбы.

Ванну, расположенную в блоке конденсации (2) заполняют водой со льдом и плотно закрывают её съемной крышкой (1).

Рис.6. Аппарат для разгонки нефтепродуктов АРН-ЛАБ-02

Включают аппарат в сеть (6), при этом ручка регулировки нагрева (9) должна быть в крайнем левом положении, а выключатель нагрева (7) в положении «выкл». При необходимости включите лампу подсветки приемного цилиндра (8).

Включают нагрев (7) и устанавливают ручку плавной регулировки нагрева (9) согласно таблице:

Тип нефтепродуктов	Примерное положение ручки
Бензин	3,5-5,0 делений
Дизельное топливо	6,0-7,0 делений
Мазут, сырая нефть	7,0-8,0 делений

При условии установки правильной мощности нагрева аппарат обеспечивает следующие параметры процесса, соответствующие правилам ГОСТ 2177-99:

Время предварительного нагрева пробы нефтепродукта……………………………………………	5-15 мин
Скорость отгона дистиллята в диапазоне от 5% до 95% отгона…………………………………….	4-5 мл/мин
Погрешность отсчета дистиллята……………	0,5 мл
Расход продукта на анализ…………………..	100 мл

Отмечают температуру, которую показывает термометр при падении в цилиндр первой капли, как температуру начала кипения (t_нк).

После установления начала кипения (t_нк) цилиндр подвигают к концу трубки холодильника так, чтобы конденсат стекал по его стенке.

Далее заносят в таблицу температуры перегонки 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90% нефтепродукта. Температуру конца кипения (t_кк), определяют в момент остановки ртутного столбика термометра, после чего температура начнет понижаться. Если перегонка ведется при барометрическом давлении выше 770 мм рт. ст. или ниже 750 мм рт. ст., то в показания термометра вводят поправки по формуле

С = 0,00012 ^.(760 – р)^. (273 + t)

Где р - барометрическое давление во время перегонки, мм рт. ст.

t - температура, показанная термометром, ⁰С

Рассчитывают величину потерь нефтепродукта при перегонке и полученные данные заносят в таблицу:

	tнк	t10	t20	t30	t40	t50	t60	t70	t80	t90	tкк
Температура, показанная термометром, 0С
Поправка к показаниям термометра, 0С _________ мм.рт.ст. атмосферное давление
Истинная температура перегонки, 0С
Остаток, мл
Потери, мл

Нагрев колбы прекращают, и запись последнего объема конденсата в мерном цилиндре производят по истечении 5 мин, чтобы нефтепродукт стек из холодильника.

После охлаждения остатка нефтепродукта в круглодонной колбе его замеряют цилиндром вместимостью 10 мл.

Разность между 100 мл и суммой объемов конденсата и остатка записывают как потери при перегонке.

Расчетно-графическая часть работы:

1. На основании экспериментальных данных постройте кривую разгонки исследуемого бензина в координатах: количество перегнанного топлива (объемные проценты); температура.

2. Рассчитайте октановое число исследуемого бензина (предварительно определив его плотность ареометрическим методом) и по этому показателю определите его марку (Приложение 11).

3. Октановое число бензина может быть определено по формуле (приближенно соответствует октановому числу, установленному исследовательским методом на установках ИТ9-6 и УИТ-65):

где:

t_cp – средняя температура перегонки бензина;

t_нк – температура начала перегонки бензина;

t_кк – температура конца перегонки бензина, °С;

p – плотность бензина при 20 °С, г/см³.

4. Определите класс топлива по испаряемости (Приложение 12). В зависимости от климатического района (Приложение 13) применения по ГОСТ 16350-80 автомобильные бензины подразделяют на пять классов: 1 - для района II₉ с 1 апреля по 1 октября; 2 - для районов II₄ и II₅ с 1 апреля по 1 октября; 3 - для районов I₁ и I₂ с 1 апреля по 1 октября и для района II₉ с 1 октября по 1 апреля; 4 - для районов II₄ и II₅ с 1 октября по 1 апреля; 5 - для районов I₁ и I₂ с 1 октября по 1 апреля.

5. По номограмме «Для эксплуатационной оценки карбюраторных топлив» (Приложение 14) определите температуры: возможного образования паровых пробок; легкого пуска двигателя; затрудненного пуска двигателя; практически невозможного пуска двигателя; хорошей приемистости и неустойчивой работы двигателя; плохой приемистости и неустойчивой работы двигателя; незначительного разжижения масла в картере; заметного разжижения масла; интенсивного разжижения масла в картере.

Анализ результатов лабораторной работы

Сделайте вывод о:

• марке бензина по октановому числу;

• эксплуатационных свойствах топлива при различных температурах воздуха;

• классе топлива по испаряемости при использовании его на территории Тюменской области.

Контрольные вопросы

1. Как влияет фракционный состав бензина на экономичность работы карбюраторного двигателя и по каким показателям он оценивается?

2. Чем отличаются летние и зимние сорта бензинов?

3. Как влияет температура конца перегонки на работу двигателя внутреннего сгорания?

4. Какие факторы определяют нормальное и детонационное сгорание рабочей смеси в двигателе?

5. Какие существуют показатели, определяющие физическую и химическую стабильность бензинов?

Список литературы

1. ГОСТ 2177-99. Нефтепродукты. Методы определения фракционного состава [Текст]. – Минск : Межгос. совет по стандартизации, метрологии и сертификации ; М. : Изд-во стандартов, 2001. – 24с.

2. Остриков, В.В. Топливо и смазочные материалы [Текст] : учебное пособие для вузов / В. В. Остриков, С. А. Нагорнов , И. Д. Гафуров ; –Уфа : Гилем , 2006. – 291 с.

3. Кириченко, Н. Б. Автомобильные эксплуатационные материалы [Текст] : учебное пособие для вузов / Н.Б. Кириченко ; – М. : ИЦ «Академия» , 2004. – 96 с.