Физико-химические методы анализа дизельного топлива

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

 «Национальный минерально-сырьевой  университет «Горный» 

 

 

Кафедра общей и физической химии

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине

аналитическая химия и физико-химические методы анализа

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

 

 

Тема работы:

ФХМА дизельного топлива

 

 

 

Автор: студент гр.   ТХ-10-1         _________           /Шворак И.В./            

                          

 

 

ОЦЕНКА: _____________

 

 

Дата: ___________________

 

 

ПРОВЕРИЛ

Руководитель работы: профессор      __________    /Черемисина О.В./      

 

 

 

Санкт-Петербург

2013

 

Министерство образования и науки Российской Федерации

 

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

 

Национальный минерально-сырьевой университет “Горный”

 

 

УТВЕРЖДАЮ

Заведующий кафедрой

______ /___________/

(подпись)                         (Ф.И.О.)

"___"__________200_ г.

 

Кафедра общей физической химии

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

 

По дисциплине аналитическая химия и физико-химические методы анализа

 

ЗАДАНИЕ

 

студенту группы  ТХ-10-1      Шворак И.В.

 

1. Тема работы: ФХМА дизельного топлива

 

2. Исходные данные к работе: проба дизельного топлива

 

3. Содержание пояснительной записки: титульный лист, лист задание, аннотация, оглавление (далее согласно оглавлению)

 

4. Перечень графического материала: рисунки, графики, таблицы

 

5. Срок сдачи законченной работы  13  декабря 2013 г.

 

 

Руководитель работы  профессор    __________    /Черемисина О.В./

 

Дата выдачи задания: 13 сентября  2013 г.

 

АННОТАЦИЯ

 

Отчет по курсовой работе включает в себя описание методов физико-химического анализа дизельного топлива, а именно определение содержания непредельных углеводородов, кислотности, содержания воды, плотности, вязкости, коэффициента поверхностного натяжения, показателя преломления, элементного состава, расчётную и экспериментальную части. Объектом исследования послужило дизельное топливо с локомотивного депо ОАО "РЖД".

Страниц 38, таблиц 7, рисунков 25

 

THE SUMMARY

 

The report on the course work includes a description of methods of physicochemical analysis of diesel fuel, namely the determination of the content of unsaturated hydrocarbons, pH, water content, density, viscosity, surface tension coefficient, refractive index, elemental composition, calculated and experimental pieces. The object of research was the diesel locomotive depot with JSC "Russian Railways".

38 pages, 7 tables, 25 figures

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

1. ВВЕДЕНИЕ

Жидкое топливо является очень важным энергетически ресурсом. Оно широко используется как в транспорте, так и на производстве. С развитием моторостроения и форсированием режима работы различной техники, где применяются углеводородные топлива, к их качеству начали предъявлять новые требования. В связи с этим появляется необходимость в создании методов, позволяющих оценивать новые эксплуатационные показатели топлив. От того, насколько достоверно тем или иным методом можно оценить какое-либо свойство, насколько близко соответствует оценка, полученная данным методом, действительному поведению топлива в условиях его использования, во многом зависят результаты разработки сортов топлив необходимого качества, экономичность и надежность работы двигателей и техники в целом. Хороший метод должен удовлетворять следующим общим требованиям: оценка какого-либо свойства должна быть достоверной (соответствовать действительным свойствам), воспроизводимой (в разное время, разными операторами), метод должен быть чувствителен к изменению определяемого свойства, оценочные параметры, должны быть точными (что зависит от прибора, способа измерения и др.).

Для достижения поставленных задач применяются физико-химические методы анализа, позволяющие  определить эксплуатационные характеристики исследуемых топлив.

 

2. ОБЩАЯ ЧАСТЬ

2.1. ОПРЕДЕЛЕНИ  СОДЕРЖАНИЯ НЕПРЕДЕЛЬНЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ  В ДИЗЕЛЬНОМ ТОПЛИВЕ ПО ЙОДНОМУ  ЧИСЛУ

 

В дизельном топливе наряду с парафиновыми, нафтеновыми и ароматическими углеводородами содержатся так же непредельные углеводороды – олефины, которые образуются в основном при переработке нефти. Эти углеводороды характеризуются наличием в структуре молекул двойных или тройных связей. Непредельные углеводороды легко окисляются, полимеризуются, образуя высокомолекулярные асфальто-смолистые соединения. Присутствие подобных углеводородов в дизельном топливе нежелательно, так как приводит к сильному нагароотложению в топливной системе и выхлопном тракте.

Содержание непредельных углеводородов в нефтепродуктах определяется по иодному числу  – это количество иода J2, г, поглощаемого 100 г испытуемого нефтепродукта.

В коническую колбу на 250 мл отмерить цилиндром 5 мл ацетона. Из капельницы с дизельным топливом внести в колбу с ацетоном 20 капель топлива. Определить массу дизельного топлива, г, узнав у преподавателя массу одной капли топлива:

                                               (2.1)

 

В колбу добавить 10 мл спиртового раствора иода (раствор готовится из расчета 20 г J2 на 100 мл спирта) и 50 мл дистиллированной воды. Колбу быстро закрыть пробкой и встряхивать не менее 5 мин, затем поставить в темное место. Через 5 мин в колбу добавить 10 мл раствора иодида калия KJ (ω = 20 %).

Содержимое колбы оттитровать раствором гипосульфита натрия Na2S2O3 (Cн = 0,1 моль-экв/л), добавляя его порциями по несколько капель и постоянно перемешивая содержимое колбы. Раствор Na2S2O3 предварительно залить в бюретку, доведя уровень жидкости до верхнего нулевого деления. В ходе титрования, при появлении светло-желтой окраски в колбе, туда добавить 10 капель свежеприготовленного водного раствора крахмала (ω = 0,5 %). Продолжать титровать содержимое колбы до перехода сине-фиолетовой окраски в молочно-белую. Определить по бюретке объем раствора Na2S2O3, мл, пошедший на титрование пробы дизельного топлива.

В отдельной колбе провести контрольный опыт в той же последовательности и с теми же количествами реактивов, но без добавления топлива.

Рассчитать иодное число  , г/100 г топлива по формуле:                         

                                 (2.2) 

где   – объем раствора  Na2S2O3, израсходованного на титрование в контрольном опыте, мл;   – объем раствора  Na2S2O3, израсходованного на титрование в опыте с образцом дизельного топлива, мл; F – фактор раствора гипосульфита натрия Na2S2O3, г J2 (определен расчетным путем и равен 0,9186); 0,01269 – количество  J2, г, эквивалентное 1 мл  раствора Na2S2O3;   – масса дизельного топлива, г.

Определить массовую долю  , %, непредельных углеводородов в анализируемом дизельном топливе:                                

                                                         (2.3) 

где M – средняя молярная масса непредельных углеводородов в топливе (приблизительно 150 г/моль), 254 – молярная  масса иода J2, г/моль.

 

2.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МИНЕРАЛЬНЫХ ПРИМЕСЕЙ

 

2.2.1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ  КИСЛОТНОСТИ ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА

 

Кислоты могут попасть в топливо при использовании загрязненной тары, или остаться в нем после кислотной очистки нефти  на нефтеперерабатывающих заводах. Кроме того, растворимые органические кислоты образуются в дизельном топливе при деструкции и окислении углеводородов отдельных классов.

Кислоты агрессивны по отношению ко всем типам металлов и сплавов, щелочи разрушают сплавы амфотерных металлов: алюминия, цинка, свинца, олова.

Метод заключается в следующем, нужно отмерить цилиндром 50 мл  дизельного топлива и вылить в делительную воронку, закрепленную в штативе. Туда же добавить 50 мл дистиллированной воды, предварительно нагретой до +50…+60 0С. Воронку аккуратно вынуть из штатива и содержимое ее перемешать в течение 5 мин, следя за тем, что бы слои жидкости скользили относительно друг друга.

Кислоты, присутствующие в дизельном топливе, растворяются в воде. Делительную воронку вновь закрепить в лапке штатива, дать жидкостям расслоиться, снять с воронки верхнюю пробку, подставить под носик воронки небольшой стакан и слить в него, приоткрывая нижний кран, 30…40 мл нижнего водного слоя.

Далее содержание кислот водного слоя определяют методом кондуктометрического титрования, используя в качестве титранта гидроксид натрия. Добавляя его порциями по 0,5 мл при постоянном перемешивании, реализуемом по средством магнитной мешалки, со снятием показаний кондуктометра.

Суть кондуктометрического титрования заключается в том, что при титровании определяемого вещества А стандартным раствором реактива В в случае получения нерастворимого или слабодиссоциирующего соединений (без учета разбавления) электропроводность раствора титруемого электролита уменьшается. Минимум на кривой титрования наблюдается к концу титрования (в точке эквивалентности). При избытке реактива электропроводность возрастает. Это служит признаком конца титрования.

Метод титрования, при котором точку эквивалентности фиксируют по резкому изменению электропроводности исследуемого раствора, носит название кондуктометрического титрования.

Кондуктометрическое титрование имеет большое значение при анализе окрашенных и мутных растворов, когда определение точки эквивалентности с помощью индикаторов затруднено. Обязательным условием применимости метода кондуктометрического титрования является заметное изменение электропроводности раствора в момент достижения точки эквивалентности.

Так, например, в процессе титрования едкого натра хлористоводородной кислотой:

                         (2.4)

концентрация щелочи уменьшается. Так как электропроводность раствора значительно ниже электропроводности раствора  и хлористоводородной кислоты, то по мере прибавления кислоты электропроводность раствора уменьшается и в точке эквивалентности будет наименьшей. При дальнейшем прибавлении хлористоводородной кислоты электропроводность вновь возрастает.

Рис. 2.1. Кривая кондуктометрического титрования  раствором.

Рис. 2.2. Кривая кондуктометрического титрования  раствором.

Кривые кондуктометрического титрования. Если отложить по оси абсцисс значения объемов прибавляемого титрованного раствора кислоты (в миллилитрах), а по оси ординат — величины электропроводности, получится характерная кривая кондуктометрического титрования (рис. 2.1). Точка эквивалентности при этом титровании совпадает с точкой минимума электропроводности.

Другой вид имеет кривая кондуктометрического титрования нитрата серебра хлоридом бария (рис. 2.2). В этом случае в процессе титрования не наблюдается заметного изменения электропроводности, но после достижения точки эквивалентности прибавление даже незначительного избытка хлорида бария вызывает повышение электропроводности. Кривые третьего типа получаются при титровании слабых кислот сильными основаниями или слабых оснований сильными кислотами (рис. 2.3). Здесь электропроводность до точки эквивалентности возрастает менее резко, чем после ее достижения.

Рис. 2.3. Кривая кондуктометрического титрования слабой кислоты сильным основанием.

Таким образом, форма получаемой кривой кондуктометрического титрования зависит от типа титрования, а изменения электропроводности обусловлены различной подвижностью ионов в одинаковых условиях опыта.

 

2.2.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ВОДЫ

 

Вода - обычный спутник сырых нефтей. Содержание её в продуктах переработки нефти и, в частности, в очищенных маслах и лёгких горючих обычно практически очень мало, за исключением случаев обводнения нефтепродуктов.

Вода может содержаться в нефти и нефтепродуктах либо в виде простой взвеси, и тогда она легко отстаивается при хранении, либо в виде эмульсии, защитные плёнки которой могут быть образованы солями карбоновых кислот нефтей, смолисто-асфальтеновыми веществами, частицами глины и т.д., и тогда приходится прибегать к особым приёмам обезвоживания [5].

Определить содержание воды в нефти можно по методу Дина-Старка (рис. 2.4). Метод основан на отделении воды от нефти за счет азеотропной перегонки вода-растворитель (бензин).

 

Рис. 2.4. Прибор Дина-Старка: 1 – круглодонная колба; 2 – ловушка – приёмник; 3 – холодильник

 

Пробу нефти предварительно хорошо перемешивают. Затем в круглодонную колбу ёмкостью 0,5 л берут навеску нефти в количестве 100 г (с точностью до 0,02 г), наливают в колбу 100 мл бензин-калошу, добавляют "кипелки" (кусочки фарфора или керамики) и собирают прибор Дина-Старка (рис. 2.4). Вся используемая посуда (колба, ловушка-приёмник, обратный холодильник) должна быть чистой и сухой. Нагревание колбы с нефтью осуществляют с помощью электронагревательного прибора так, чтобы из холодильника в ловушку стекало по 2-4 капли в секунду сконденсированной азеотропной смеси воды с растворителем. Нагревание ведут до тех пор, пока объем воды в ловушке перестанет изменяться (30-60 мин.).

Содержание воды в нефти (в % мас.) определяют по формуле:

 

,    (2.5)

 

где V – объем воды в ловушке, мл; - плотность воды; m – навеска нефти, г.

 

2.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ

Плотность является простейшей характеристикой, дающей возможность ориентировочно судить о фракционном и химическом составах нефти. Абсолютной плотностью вещества называют количество массы, содержащейся в единице объема.

На величину плотности нефти и нефтепродуктов существенное влияние оказывает наличие растворенных газов, фракционный состав и количество смолисто-асфальтеновых веществ. Плотность нефти зависит от химического состава. Для нефтепродуктов c повышением температуры плотность нефтепродуктов уменьшается [1].