Показатели качества горючего

Качество горючего проявляется в эффективности его использования и представляет собой совокупность его эксплуатационных свойств. Количественные характеристики эксплуатационных свойств горючего входящие в состав их качества, выступают как объективные показатели качества. Их следует понимать как количественное определение степени пригодности удовлетворять потребности применительно к определенным условиям создания и использования горючего. Показатели качества без сравнения с базовым значением или со значением, необходимым для удовлетворения потребностей, еще не раскрывают уровень качества.

Для контроля качества горючего нет необходимости выбирать все характеристики эксплуатационных свойств. Например, в ГОСТах и технических условиях некоторые показатели непосредственно оценивают уровень эксплуатационных свойств, другие косвенно и только совместно с другими показателями и признаками качества горючего и качества процессов его создания гарантируют заданный уровень качества. Наиболее общими характеристиками качества, которые в определенном сочетании характеризуют эксплуатационные свойства горючего (прокачиваемость, испаряемость, воспламеняемость, горючесть, стабильность, склонность к отложениям и коррозионность), являются:

• плотность;
• коэффициенты кинематической и условной вязкости;
• температуры помутнения, начала кристаллизации и застывания;
• содержание механических примесей и воды;
• давление насыщенных паров;
• фракционный состав;
• температура вспышки;
• цетановое число дизельных топлив;
• октановое число бензинов;
• удельная теплота сгорания;
• содержание фактических смол, водорастворимых кислот и щелочей;
• кислотность;
• проба на медную пластинку с целью определения содержания общей серы, сероводорода и меркаптанов;
• коксуемость;
• зольность.

Некоторые из названных показателей качества входят в комплекс показателей, оценивающих несколько эксплуатационных свойств. Например, показатели термоокислительной стабильности и содержание фактических смол оценивают стабильность и склонность к отложениям, давление насыщенных паров — прокачиваемость и испаряемость, содержание сернистых соединений — коррозионность и склонность к отложениям. Зольность, коксуемость горючего и коксуемость 10%-ного остатка оказывают влияние на склонность к отложениям горючего, но в большей мере характеризуют качество технологических процессов его получения.

Плотностью называют массу вещества, содержащуюся в единице объема. При определении плотности горючего используют денсиметры (ареометры), гидростатические весы и пиктометры. Для сравнения разных продуктов плотность их приводят к температуре 20 °С, принятой за стандартную, и выражают в г/см³.

Коэффициент кинематической вязкости определяют для горючего, у которого напряжение сдвига при скольжении его слоев пропорционально скорости деформации, т. е. имеющего свойства ньютоновой жидкости. Сущность определения вязкости заключается в установлении времени перетекания некоторого объема жидкости при заданной температуре через капилляр под действием или внешней силы (для динамической вязкости), или собственной массы (для кинематической вязкости). Широкое применение для определения кинематической вязкости получили U-образные вискозиметры.

Как показатель качества коэффициент кинематической вязкости выражают в мм²/с (в сантистоксах — сСт). Величина, в сто раз большая, — Стокс (Ст) выражает кинематическую вязкость жидкости, плотность которой равна 1 г/см³ и которая оказывает сопротивление, равное 1 дине при взаимном перемещении двух слоев жидкости площадью 1 см², находящихся на расстоянии 1 см один от другого и перемещающихся относительно друг друга со скоростью 1 см/с. Для высоковязких топлив находят показатель условной вязкости — число условных градусов, представляющее собой отношение времени истечения в стандартных условиях 200 мл испытуемого продукта при температуре испытания ко времени истечения такого же объема дистиллированной воды при температуре +20 °С. Условные градусы вязкости обозначают знаком ºВУ.

Температурой помутнения называют максимальную температуру, при которой в горючем появляется фазовая неоднородность, горючее начинает мутнеть вследствие выделения микроскопических капелек воды, микрокристаллов льда или углеводородов. Этот показатель определяют в зависимости от технических требований с предварительным обезвоживанием или без обезвоживания.

Основу прибора для определения температуры помутнения составляют две пробирки с двойными стенками. В одной пробирке охлаждают испытуемое топливо, а другую пробирку с исходным продуктом используют как прозрачный эталон. При появлении в охлаждаемом горючем мути (слегка матовый оттенок допускается) фиксируют температуру его помутнения.

Температурой начала кристаллизации называют максимальную температуру, при которой в горючем невооруженным глазом обнаруживают кристаллы углеводородов или льда. Этот показатель определяют с помощью прибора, предназначенного для оценки температуры помутнения. После нахождения температуры помутнения горючее охлаждают до ожидаемого начала кристаллизации и сравнивают с эталоном.

Температурой застывания горючего называют температуру, при которой оно в стандартных условиях достигает состояния потери подвижности. Горючее подвергают глубокому охлаждению в пробирке с двойными стенками и вычисляют температуру, при которой в наклоненной пробирке под углом 45^º уровень продукта остается неподвижным в течение 1 мин.

Механические примеси — это твердые вещества органического или неорганического происхождения, находящиеся в горючем в виде осадка или во взвешенном состоянии. В зависимости от требований технических условий содержание механических примесей в горючем определяют качественно или количественно. Количественное содержание механических примесей оценивается путем растворения испытуемого продукта в растворителе (бензине, бензоле) и последующего фильтрования и взвешивания фильтра с осадком. Массовую долю механических примесей выражают в процентах.

Содержание воды в бензине и реактивном топливе определяют визуально. Для топлив остальных видов предусматривается количественное определение воды. Для этого воду выгоняют из образца топлива в смеси с легким растворителем, не содержащим воду.

Давлением насыщенных паров называют давление, развиваемое парами испытуемого горючего при равновесии жидкой и паровой фаз. Давление насыщенных паров горючего определяют при температуре 38 °С одним из двух методов: в металлическом приборе или в стеклянном приборе Валявского — Бударова.

В металлическом приборе, состоящем из топливной и воздушной камер, соединенных на резьбе, измеряют суммарное давление насыщенных паров горючего, водяных паров и воздуха при соотношении паровой и жидкой фаз 4:1. После внесения поправок на изменение давления воздуха и паров воды в воздушной камере вследствие разницы между начальной температурой и температурой испытания давление насыщенных паров горючего выражают в миллиметрах ртутного столба.

Сущность определения давления насыщенных паров горючего в приборе Валявского — Бударова заключается в установлении приращения объема паровоздушной смеси после испарения горючего в специальном стеклянном приборе при постоянных давлении, температуре и отношении начальных объемов воздуха и горючего.

Фракционный состав выражает зависимость между температурой и количеством перегоняемого при этой температуре горючего. Фракционный состав является важнейшей характеристикой испаряемости горючего. В качестве параметра этой характеристики используют температуру отгона определенного количества продукта. Фракционный состав определяют в стандартном аппарате при соблюдении стандартных условий проведения разгонки. Для испытаний берут 100 мл горючего. В процессе разгонки фиксируют температуру в момент падения первой капли с конца трубки холодильника (начало перегонки), а затем температуру перегонки определенного количества продукта в соответствии с техническими требованиями на испытуемое горючее (например, 10, 50, 90%). Если в технических требованиях нормируются проценты отгона при определенных температурах, например до 100, 200, 300 °С, то в процессе перегонки записывают объем жидкости в цилиндре для отгона при соответствующей температуре.

Перед разгонкой горючее обезвоживают. Слегка помутневшее дизельное топливо фильтруют через сухой фильтр.

Температурой вспышки называют температуру, при которой пары горючего, нагреваемого при строго определенных условиях, образуют с окружающим воздухом смесь, вспыхивающую при поднесении пламени. Этот показатель характеризует нижний предел воспламенения испытуемого горючего в смеси с воздухом. Температуру вспышки вычисляют в открытом и закрытом тигле.

Цетановое число определяют на одноцилиндровой установке с использованием эталонных топлив гексадекана-цетана (цетановое число 100) и α-метилнафталина (цетановое число 0). Цетановое число топлива численно равно объемной доле (в процентах) цетана в смеси его с α-метилнафталином, эквивалентной по воспламеняемости данному топливу при испытании на стандартной установке в стандартных условиях. Сущность определения цетанового числа заключается в сравнении воспламеняемости дизельного топлива с воспламеняемостью эталонных топлив с известным цетановым числом. Сравнение испытуемого топлива с эталонными производят при стандартном режиме по длительности задержки воспламенения. Заданную для сравнения задержку воспламенения устанавливают изменением степени сжатия. В процессе испытаний подбирают смеси эталонов, из которых один эталон имеет заданную задержку воспламенения при большей степени сжатия, а другой — при меньшей степени сжатия, чем испытуемое топливо. Затем расчетом находят эквивалентное испытуемому эталонное топливо.

Октановое число определяют на основе сравнения детонационных характеристик ε=f(α) (ε – степень сжатия, при которой наблюдается стандартная интенсивность детонации) испытуемого бензина и эталонного топлива при составе смеси (α), соответствующем наибольшей интенсивности детонации. В качестве эталона для определения октанового числа выбирают изо-октан (октановое число 100) и нормальный гептан (октановое число 0).

Октановое число топлива численно равно объемной доле (в процентах) изо-октана в смеси его с н-гептаном, эквивалентной по детонационной стойкости топливу при испытании на стандартной установке с переменной степенью сжатия в стандартных условиях.

Существуют различные методы определения октановых чисел. Наибольшее распространение в нашей стране получили моторный и исследовательский. Введение исследовательского метода обусловлено стремлением приблизить условия испытания топлива к условиям эксплуатации двигателей на переменных режимах. Октановое число, вычисленное исследовательским методом, вследствие менее напряженного режима испытаний на 4 — 8 единиц выше, чем вычисленное моторным методом. Чем больше испытуемые топлива отличаются друг от друга и от эталонных смесей групповым углеводородным составом, тем больше различаются октановые числа.

Для более полной оценки детонационной стойкости бензинов желательно при испытании сравнивать их с эталонами не по одной точке детонационной характеристики ε=f(α), соответствующей составу смеси, при котором наблюдается максимальная интенсивность детонации, а выбирать несколько таких точек и режимов. Это можно осуществить при стендовых и дорожных детонационных испытаниях.

Топлива различного группового углеводородного состава с одинаковыми октановыми или цетановыми числами в условиях испытания, отличных от стандартных, могут иметь разные значения этих чисел.

Удельную теплоту сгорания определяют сжиганием навески испытуемого горючего в калориметрической бомбе (при постоянном объеме) в среде сжатого кислорода, насыщенного водяным паром. Выделяющаяся при сгорании продукта теплота, отнесенная к единице его массы, с учетом поправок на теплообмен калориметра с окружающей средой и на количество теплоты, вносимой устройствами для поджигания и обеспечения герметичности (запальная проволока, капсулы желатиновые), а также на количество теплоты образования и растворения в воде серной и азотной кислот, образующихся в процессе испытаний, выражает искомую удельную теплоту сгорания.

Фактическими смолами называют сложные продукты окисления, полимеризации и конденсации углеводородов и гетероорганических соединений, содержащиеся в горючем и образующиеся в нем в условиях испытания. Метод определения фактических смол заключается в выпаривании испытуемого продукта в струе горячего воздуха или водяного пара с последующим взвешиванием образовавшихся смол. Содержание фактических смол выражают в миллиграммах на 100 мл испытуемого горючего.

В тяжелом топливе (котельное топливо) определяют смолистые вещества, включая в их состав смолы, асфальтаны, полициклические и другие высокомолекулярные соединения, которые извлекаются из мазута крепкой серной кислотой. Метод определения смолистых веществ в тяжелом топливе заключается в измерении увеличения объема кислоты в результате растворения в ней указанных веществ.

Метод определения водорастворимых кислот и щелочей заключается в извлечении их из горючего водой или водным раствором спирта и определении величины рН водной вытяжки рН-метром или реакции среды с помощью индикаторов. Водная вытяжка по величине рН может характеризоваться как кислая, слабокислая, слабощелочная, щелочная или как среда, в которой отсутствуют водорастворимые кислоты и щелочи. При использовании индикаторов метилового оранжевого и фенолфталеина окрашивание водной вытяжки указывает на наличие соответственно водорастворимых кислот или щелочей. Горючее считается не содержащим водорастворимых кислот или щелочей при отсутствии розового или красного окрашивания вытяжки от индикаторов метилового оранжевого или фенолфталеина.

Кислотность оценивает содержание в горючем органических кислот. При количественном определении органических кислот их извлекают из горючего кипящим спиртом с последующей нейтрализацией спиртовым раствором едкого кали. Кислотность горючего выражают в миллиграммах едкого кали, потребного для нейтрализации органических кислот, содержащихся в 100 мл.

Пробой на медную пластинку качественно оценивают содержанием в горючем элементарной серы, сероводорода и меркаптанов. Сущность испытания заключается в воздействии горючего на чистую полированную медную пластинку в течение 3 ч при 50 °С. Появление на пластинке пленок или налетов черного, серого или темно-коричневого цвета или черных точек является признаком наличия в горючем свободной серы или активных сернистых соединений. Проба на медную пластинку позволяет обнаружить содержание элементарной серы в количестве не менее 0,001%, а содержание сероводорода до 0,0005%.

Для некоторых групп горючего требуется количественное определение содержания меркаптановой серы и сероводорода.

Коксуемостью называют массовую долю углистого остатка (в процентах), образующегося после сжигания в стандартном приборе испытуемого горючего или его 10%-ного остатка.

Зольностью называют массовую долю несгораемого остатка (в процентах), образующегося при сжигании испытуемого горючего и прокаливании твердого осадка до постоянной массы.

В зависимости от технологии получения горючего, его назначения, условий хранения, транспортирования и применения выбирается то или иное сочетание показателей и признаков качества для каждого сорта и марки для оценки качества как на месте получения, так и на месте потребления. Кроме требований к качеству, предписываемых государственными стандартами и техническими условиями, для специфических условий транспортирования, хранения и применения горючего в судовой технике специальными директивными документами (руководствами) устанавливается порядок контроля качества и необходимые показатели для его определения.

Все рассмотренные показатели и признаки качества, как было указано выше, определяют необходимый уровень эксплуатационных свойств при соблюдении условий по качеству сырья и технологии производства. Если эти условия не соблюдаются, уровень эксплуатационных свойств устанавливается квалификационными и другими комплексами методов испытаний.