Лабораторна робота № 7

Тема: АНАЛІЗ НАФТИ - СИРОВИНИ ДЛЯ ОРГАНІЧНОГО СИНТЕЗУ

Мета роботи. Ознайомлення із стандартними методами визначення найважливіших констант нафти та нафтопродуктів.

Нафта - рідкий горючий матеріал – це складна суміш вуглеводнів різної молекулярної маси і хімічної будови з домішками, інколи значними, сірковмісних, кисневмісних , азотовмісних і смолистих речовин. Вивчення хімічного складу нафти починається з її фракціонування, тобто розділення її на фракції, які відрізняються одна від іншої величиною молекул і границями википання . Найбільш розповсюджений метод фракціонування – перегонка.

До найважливіших констант нафтопродукту, які ха­рактеризують його якість і дають уявлення про можли­вість застосування для тієї чи іншої мети, відносять: гу­стину, в'язкість, температуру спалаху, температуру зай­мання, вологість, октанове число (для бензинів), термічну стабільність, масляність та ін. Іноді проводять і кіль­кісний аналіз для визначення складу нафтопродукту.

У цій роботі ви ознайомитеся із стандартними ме­тодами визначення найважливіших констант — густини, вологості, .в'язкості, температури спалаху і температури займання нафтопродуктів.

Дослід 1. Визначення води .

Першим процесом, з якого починається переробка нафти, являється перегонка. Але перш ніж нафта поступить на перегонну установку, вона повинна бути звільнена від води. Для вихідної нафти в окремих порціях визначають вміст води, яка є супутником сирої нафти. Діапазон вмісту води в нафтах досить широкий і може змінюватися від десятих долей до 60% і більше. Вода, яка міститься в нафтах, може бути в трьох формах: розчинена, диспергована і вільна. Вільна вода легко відстоюється. Вміст розчиненої води залежить , в основному, від хімічного складу нафти чи нафтопродуктів і температури.

Якісне визначення води (проба на потріскування)

В пробірку довжиною 12 – 15 см і діаметром 1,0 – 1,5 см наливають нафту висотою 8 -9 см.

Пробірку закривають пробкою, в отвір якої вставляють термометр з границею вимірювання 0 -200^оС так, щоб кулька його знаходилася на рівній відстані від стінок пробірки і на висоті 2 – 3 см від дна пробірки. Пробірку вставляють в масляну баню, яку нагрівають до 175^о С.

Спостерігають за пробіркою протягом кількох хвилин, доки температура не підніметься до 150^оС.

За наявності вологи нафта починає пінитися, відчувається потріскування, пробірка здригається, а краплі продукта на стінках вище заливу стають каламутними. Наявність вологи вважається встановленим, якщо явне потріскування відчувається не менше двох разів. Дослід повторюють, в тому випадку, якщо потріскування слабке або є лише спінення. Якщо при досягнені 130°С потріскування немає то вважається , що продукт, який досліджується, не містить води. Якщо дослід покаже, що води багато, нафті дають відстоятися в ділильній лійці, після чого нижній шар води зливають. Верхній, однорідний на вигляд, шар нафти містить ще значну кількість води, яку видаляють, нагріваючи нафту до 50^оС і фільтруючи її через шар крупнокристалічної свіжопрокаленої повареної солі, і лише після цього піддають перегонці. В лабораторних умовах можна зневоднити нафту прокаленим хлоридом кальцію. При зневоднені хлоридом кальцію легких нафтей протягом 2-3 діб видаляється 97 % вмісту води в нафті.

В тому випадку, коли вміст води в вихідній нафті не перевищує 5 – 8% і нафта не дуже піниться при перегонці, для кількісного визначення води зручніше використати перегонку з відповідним розчинником за способом Діна і Старка(див. роботу № 1 ).

Дослід 2. Визначення густини

Густина взагалі є однією з основних констант будь-якої речовини або матеріалу. Це найбільш характерна величина і для нафти та нафтопро­дуктів. Густиною називають масу одиниці об'єму речо­вини і виражають у грамах на кубічний сантиметр. У тех­ніці використовують безрозмірну величину відносної густини, яку визначають відношенням густини даної ре­човини до густини води за температури 4^о С. Відносною густиною нафтопродукту буде відношення маси нафто­продукту до маси води в тому самому об’ємі при стан­дартних умовах. Оскільки за одиницю маси приймається маса 1 см³ води при І^оС, то густина речовини дорівнюва­тиме її питомій вазі.

Густину нафтопродуктів ви­значають при 20^о і відносять до густини води при 4^оС, тому позначають її d²⁰₄. Якщо густина визначена при іншій температурі, то для приведення одержаної густини при певній температурі до густини при температурі 20°С користу­ються рівнянням, яке запропонував Д. І. Менделєєв:

d ₄²⁰= d ₄^t+ у (t— 20),

де d ₄^t — густина досліджуваного нафтопродукту за тем­пера тури t°С; у—середня температурна поправка на зміну густини при зміні температури на 1^оС.

Для визначення густини нафти і нафтопродуктів користуються трьома стандартними методами: 1) пікнометричним; 2) ареометричним; 3) зважуванням на терезах Вестфаля.

Пікнометричний метод вважається найбільш точним. Він полягає в тому, що вимірюють масу продукту, взятого у певному об’ємі, і відносять її до маси води у тому ж об’ємі при тій же температурі. Для визначення густини нафтопродуктів користуються пікнометрами різних типів. Пікнометр з капіляром у пробці прийнятий як стандартний і відповідно має місткість 5,0; 10,0 і 25,0 см³. Користуючись пікнометром більшої міст-кості , досягають більш точних результатів.

Перед визначенням густини нафтопродукту встановлюють водяне число пікнометра, тобто масу води в об’ємі пікнометра при 20 ^оС . Для встановлення водяного числа чистий і сухий пікнометр зважують на аналітичних терезах, потім наповнюють дистильованою водою трохи вище риски і витримують у термостаті при 20^оС протягом 30 хв. Надлишок води над рискою обережно видаляють фільтрувальним папером або піпеткою. В пікнометрах з капіляром краплю води, що виходить з капіляра, також видаляють дотиком фільтрувального паперу. Пікнометр, витертий зовні і закритий пробкою, зважують на аналітичних терезах.

Водяне число пікнометра М визначають як різницю між масою пікнометра з водою G₁ і масою порожнього пікнометра G :

М = G₁ - G ( 2 )

Щоб визначити густину нафтопродукту, витриманий у термостаті при 20^оС нафтопродукт наливають піпеткою у чистий, сухий пікнометр з визначеним водяним числом, і проводять ті самі операції, що й при визначенні водяного числа. Після зважування густину нафтопродукту обчислюють за формулою:

( 3 )

де G₁ – маса пікнометра з нафтопродуктом, г; G - маса порожнього пікнометра, г; М - водяне число,г; 0,99823 - густина води при 20^оС; 0,0012 – густина повітря при 20^оС і 760 мм рт.ст.

При визначенні густини дуже в’язких нафтопродуктів їх підігрівають до 50 – 60^оС, а якщо визначають густину твердих нафтопродуктів, то пікнометр заповнюють приблизно наполовину, розплавляють продукт у термостаті, нагріваючи на 10^оС вище температури його плавлення; потім пікнометр охолоджують до 20^оС і зважують. Після зважування пікнометра з нафтопродуктом заповнюють його до риски дистильованою водою, знімають надлишок води, як і в попередніх випадках, і зважують. Густину твердого нафтопродукту обчислюють за формулою:

( 4 )

де G₃ - маса пікнометра з нафтопродуктом і водою, г.

Ареометром визначають густину нелетких нафтопродуктів, коли точність може не перевищувати 0,001 – 0,005 і коли досліджуваного продукту є в достатній кількості. Для

цього використовують стандартний ареометр з сталою масою і термометром. Ареометр відградуйовано через 0,0005 з таким розрахунком, щоб його покази безпосередньо відпо-

відали d²⁰₄. Для визначення густини продукт, в’язкість якого не перевищує 200 см³

при 50^оС(Е₅₀=25), наливають у циліндр діаметром не менше 5 см. Температура продукту

при цьому не повинна відхилятися від температури навколишнього середовища більше

ніж на 5^оС. Потім обережно занурюють у циліндр чистий, сухий ареометр. Після того як ареометр перестане занурюватись і буде в стані рівноваги( для малов’язких продуктів

2-3 хв, для продуктів з великою в’язкістю до 15 хв.), проводять відлік по верхньому краю меніска. При цьому слід звертати увагу на те, щоб ареометр не торкався стінок циліндра, а око знаходилось на рівні меніска. Одначасно відмічають і температуру продукту. Розбіжність між двома паралельними визначеннями не повинна перевищувати 0,001^.10³ кг/м³. Якщо температура продукту буде більшою або меншою 20^оС, то в визначене за допомогою ареометра значення густини вводять поправку за формулою (1).

Дослід 3. Визначення температури спалаху і займання

Температурою спалаху називається температура, при якій нафтопродукт, що нагрівається в суворо визначениз умовах, виділяє таку кількість парів, яка утворює з повітрям суміш, що спалахує при піднесенні до неї полум’я. При температурі займання нафтопродукт, що підігрівається в певних умовах, при піднесенні до нього полум’я спалахує і продовжує горіти не менше 5 с. Температура займання завжди вища за температуру спалаху.

Визначення цих важливих характеристик має велике пратичне значення. Температура спалаху дає підставу судити про домішки летких фракцій у продукті. Відповідно до температур спалаху і займання визначають ступінь вогненебезпеки горючих речовин і мастил під час їх транспортування, зберігання і застосування.

Температуру спалаху і займання можна визначити в приладі, який складається з тигля діаметром 64 мм, заввишки 47 мм і товщиною стінок 1 мм, вміщеного у пісочну баню, яку поміщають на азбестовій сітці. Лапкою на штативі закріпляють термометр з поділками через 1^о кінець якого вставляють в тигель.

Сухий і чистий тигель вміщують в пісочну баню на 5-8 мм від дна. Рівень піску повинен бути на рівні продукту в тиглі, який на 12 мм нижче краю тигля, якщо досліджується продукт з температурою спалаху до 210^оС, і на 18 мм – з температурою спалаху вищою за 210^оС. Баню нагріваютьгазовим пальником так, щоб температура підвищувалась з швидкістю спочатку 10 град/хв, а потім за 40^оС до передбачуваної температури спалаху через кожні 2^о роблять дослід на спалах, проводячи по краю тигля полум’ям сірника, трісочки або краще запалювальної трубки діаметром 1 мм, сполученої шлангом з джерелом газу. Довжина полум’я пальника повинна бути 3-4 мм.

Температурою спалаху вважається температура, яку спостерігають у момент тимчасової появи над продуктом синього перебігаючого полум’я, що супроводжується ледь помітним вибухом. Розбіжність між двома дослідженнями для продуктів з температурою спалаху до 150^оС допускається в межах 6^о, а для продуктів з температурою спалаху нижче 150^оС – в межах 4^о.

Температуру займання нафтопродукту встановлюютьпісля визначення температури спалаху. Для цього продовжують нагрівати продукт з швидкістю 4 град./хв. Через кожні 2^о полум’я пальника проводять над поверхнею тигля доти, поки нафтопродукт займеться полум’ям, яке триватиме не менше 5 с. Температура, яка при цьому спостерігається, і буде температурою займання. Розбіжність між двома дослідженнями не повинна перевищувати 6^оС.