Файл: Итинская, Н. И. Топливо, смазочные материалы и технические жидкости учеб. пособие.pdf

а) Определение углерода и водорода. Сущность опред ления углерода и водорода сводится к сжиганию топлива в атмосфере кислорода в специальных трубчатых электри­ ческих или газовых печах. Продукты полного сгорания — углекислый газ от сгорания углерода и вода от сгорания водорода — улавливаются поглотителями.

Содержание углерода и водорода подсчитывают по привесу поглотителей за период сгорания. Окислы серы и азот, если они содержатся в топливе, задерживаются ве­ ществами, находящимися в трубчатой печи; их количество определяют отдельно.

Этот классический метод довольно сложен, а главное, длителен, так как на одно сжигание требуется 4—5 ч. В последние годы все чаще пользуются скоростным микро­ аналитическим методом. Данным способом можно одно­ временно определить содержание углерода, водорода и серы. Сущность метода сводится к пиролизу (высокотем­ пературному разложению) небольшого количества топ­ лива, сжиганию продуктов пиролиза в атмосфере сухого и чистого кислорода и улавливанию продуктов полного сгорания специальными поглотителями. На сжигание тре­ буется около 10 мин, все определение занимает менее часа.

Как известно, микроанализ требует особой тщательно­ сти и точности как при подготовке, так и при выполнении анализа. Наиболее ответственная часть микроаналитиче­ ских исследований — взвешивание анализируемых ве­ ществ и поглотительных аппаратов.

Продукты полного окисления анализируемого веще­ ства улавливаются в поглотительных аппаратах. Аппарат для поглощения воды заполнен безводным хлористым каль­ цием (СаС12) или аигидроном. Аппарат для поглощения углекислого газа на 2/3 объема по ходу тока кислорода заполнен аскаритом (асбест, обработанный раствором едко­ го натра) и на 1/3 — хлористым кальцием. Реакция погло­ щения углекислого газа следующая:

2NaOH + СОа — Na2C03 + Н20.

Выделяющаяся при реакции вода поглощается хло­ ристым кальцием.

Аппарат для поглощения окислов серы представляет собой открытую кварцевую трубку, узкая часть которой заканчивается перегородкой с отверстиями и заполнена стружкой металлического серебра. Аппарат помещают в

40

Л а м п о в ы й м е т о д (ГОСТ 1771— 48). В лег­ ких нефтепродуктах (бензины, керосины, дизельные топлива) серу определяют сжиганием их в лампе и улав­ ливанием образовавшегося при горении серного ангид­ рида.

Установка для определения серы ламповым методом показана на рисунке 11. Абсорберы 1, заполненные стек­ лянными бусами и раствором 0,3%-ного углекислого нат­ рия, соединяют с брызгоуловителем 2 и через него с водо­ струйным насосом. Сдругой стороны, абсорбер 1 с помощью лампового стекла 3 связан с предварительно взвешенной лампочкой 4, в которую взята навеска испытуемого топлива 5 в количестве 3—4 мл. Вначале через установку проса­ сывают воздух, зажигают фитиль лампочки и полностью сжигают топливо. Образующиеся при сгорании окислы серы в абсорберах поглощаются раствором соды. По окон­ чании опыта избыток соды, не вступивший в реакцию с серным ангидридом, нейтрализуют 0,05 N соляной кисло­ той в присутствии индикатора метилоранжа до появле­ ния розового окрашивания. Содержание серы в весовых процентах определяют по формуле:

g __ { v — v\) к -0,0008-100

а ’ ' '

где v — количество раствора соляной кислоты, пошед­ шего на титрование контрольного опыта, мл (опыт проводят, как описано выше, но в лампочке сжигают бензин, не содержащий серы);

vj— количество раствора соляной кислоты, пошедше­ го на титрование раствора при сжигании топ­ лива, мл;

к— поправочный коэффициент к титру 0,05 N раство­ ра соляной кислоты;

0,0008— масса серы, эквивалентная 1 мл 0,05 N раствора соляной кислоты, г;

а — масса сгоревшего в лампочке топлива, г.

в) Определение азота и кислорода. Количество азота в нефтепродуктах невелико, поэтому его определяют срав­ нительно редко. Наиболее распространен метод Кьельдаля, основанный на переводе азота в аммиак, который удер­ живается серной кислотой.

Прямых способов определения кислорода в топливах и других нефтепродуктах нет, содержание его определяют разностью между 100% и процентным содержанием всех

43

остальных элементов, содержащихся в органической массе исследуемого вещества, т. е.

О = 100 —(С-f II + S + N) %.

Для большинства практических расчетов содержание кислорода с азотом подсчитывают вместе, т. е.

O + N = 100 —(С + Н + S)% .

§ 4. Теплота сгорания

а) Общие положения. Теплотой сгорания называет количество тепла, выделяющееся при полном сгорании еди­ ницы массы топлива (1 кг жидкого и твердого, 1 м3 газо­ образного). По международной системе единиц СИ энер­ гия измеряется Джоулями (Дж). Джоуль — работа силы в 1 Ньютон (Н) на пути в 1 м; это небольшая величина, чаще пользуются величинами, кратными Джоулю, а именно: килоДжоуль (кДж), мегаДжоуль (МДж). Раньше тепловая энергия измерялась калориями (кал) и килокало­ риями (ккал). 1 кал=4,1868 Дж, 1 ккал==4,1868 кДж.

Основные горючие элементы топлива — это углерод, при

количество тепла будет получено, если в продуктах сгора­ ния вода находится в капельножидком состоянии. В ре­ альных условиях (в двигателях внутреннего сгорания, топках) вода, образующаяся от сгорания водорода и со­ держащаяся в топливе, превращается в пар, на что тра­ тится определенное количество тепла. Вместе с другими продуктами сгорания пар выбрасывается в атмосферу.

В связи с изложенным различают высшую (QBUC) и низ­ шую (<?низ) теплоту сгорания. Если в продуктах сгорания вода будет находиться в виде жидкости, то получается QBblc, а если в виде пара, то (?низ.

Сгорание водорода протекает но следующей реакции: 2Н2+ 0 2-^2Н20. Подставив атомные массы, нетрудно подсчитать, что 4 части водорода соединяются с 32 частя­ ми кислорода с образованием 36 частей воды. Следователь­ но, каждая часть водорода образует 9 частей воды или 1 кг водорода дает 9 кг воды.

Для превращения 1 кг воды при температуре 100° в пар затрачивается 2671,2 кДж (638 ккал). Потери тепла с отхо-

44

дящилш газами можно определить, если известна их тем­ пература. Для расчетов принимают, что водяные пары, охлаждаясь до 20°, остаются в парообразном состоянии’ тогда при этом будет потеряно (100—20)-0,48 ккал (0,48— удельная теплоемкость водяных паров). Отсюда видно’, что 1 кг пара, выделяясь в дымовую или выхлопную трубу

образуется 9 кг воды, то количество потерянного тепла составит 600x9=5400 ккал или 22 608,72 кДж. Следова­ тельно, при сгорании 1 кг водорода и испарении полу­ ченной при этой реакции воды количество полезно по­ лученного тепла будет равно: 142 769,88—22 608 72=

=120 161,16 кДж (или 28 700 ккал).

Вобщем виде формула для подсчета Qm3 кДж/кг следующая;

Qниз = Qвыс-- 2512,08 (9Н + W),

где 2512,08 — количество тепла, затрачиваемого для пре­ вращения 1 кг воды в пар, кДж;

9Н — количество воды, полученной при сгорании водорода, кг;

W — количество воды, содержащейся в топливе,

б) Определение теплоты сгорания расчетными метода­ ми. Для расчета теплоты сгорания топлива нужно знать его элементарный состав. Известно много способов расчета, но чаще всего пользуются формулами, предложенными Д. И. Менделеевым. Формулы показывают, что теплота сгорания топлива равна сумме теплот, полученных от сгорания его отдельных элементов. Элементы в топливе находятся в виде сложных органических соединений, на разрушение хими­ ческих связей которых затрачивается часть тепла, что и учитывается коэффициентами формул.

45

Формулы Д. И. Менделеева для подсчета теплоты сго­ рания жидких и твердых видов топлив:

В формулах элементы, входящие в состав топлива, и влага берутся в процентах. Коэффициенты показывают, какая теплота может быть получена при сгорании 1 % того или иного элемента. Как видно из приведенных фор­ мул, при сгорании серы выделяется небольшое количество тепла, но, несмотря на это, сера очень нежелательная примесь топлива, так как при ее сгорании образуются кислотные окислы.

Кислород, входящий в состав органической части топ­ лив, является внутренним балластом, так как на разру­

шение кислородсодержащих соединений затрачивается тепло.

в) Определение теплоты сгорания опытным путем. Су­ ществует несколько типов калориметров для определения теплоты сгорания. Независимо от конструкции прибора для определения теплоты сгорания необходимо знать три основные величины: массу участвующей в опыте воды, повышение ее температуры и количество сожженного топ­ лива. Все остальные данные вспомогательные и служат для получения более точных результатов.

Общий вид установки для сжигания маловязких топ­ лив показан на рисунке 12. Внутри калориметра в ци­ линдрической камере сгорает исследуемое топливо. Вода из водопроводной сети поступает в бачок 4, краном 3 регулируется ее расход, термометром 5 измеряется темпе­ ратура (£хол). Вода, омывая ряд трубок, по которым цир­ кулируют продукты сгорания топлива, нагревается и под­ ходит к термометру 6, показывающему температуру горя­ чей воды (trov), которая затем поступает в бачок 7 и стекает в слив. Во время опыта через трубку 8 воду соби­ рают в ведра, а затем измеряют ее количество (4).

Продукты сгорания топлива, отдав тепло воде, уда­ ляются из калориметра по патрубкам с заслонкой 1, кото­

46