Akademia Morska w Szczecinie Wydział Mechaniczny Kaedra Fizyki i Chemii Laboraorium paliw, olejów i smarów Ćwiczenie laboraoryjne Pomiar gęsości oraz wyznaczanie emperaurowego współczynnika gęsości produków nafowych Opracowali: dr inż. Jan Krupowies mgr inż. Czesław Wiznerowicz Szczecin 2014
2
KARTA ĆWICZENIA 1 Powiązanie z przedmioami: ESO/25, 27 DiRMiUO/25, 27 EOUNiE/25, 27 Efeky kszałcenia Szczegółowe efeky kszałcenia Specjalność/Przedmio dla przedmiou dla przedmiou ESO/26 Chemia wody, EKP SEKP12 Wykonywanie oznaczeń paliw i smarów K_U014, K_U0, wybranych wskaźników jakości DiRMiUO/26 Chemia wody, paliw i smarów EOUNiE/26 Chemia wody, paliw i smarów K_U016. EKP K_U014, K_U0, K_U016. EKP K_U014, K_U0, K_U016. produków nafowych; SEKP12 Wykonywanie oznaczeń wybranych wskaźników jakości produków nafowych; SEKP12 Wykonywanie oznaczeń wybranych wskaźników jakości produków nafowych; 2 Cel ćwiczenia: nauczenie sudena samodzielnego wykonywania pomiaru gęsości oraz wyznaczania emperaurowego współczynnika gęsości dla produków nafowych, przeliczania gęsości z danej emperaury na emperaurę żądaną z wykorzysaniem współczynnika emperaurowego gęsości oraz za pomocą normaywnych abel przeliczeniowych gęsości; Wymagania wsępne: suden jes przeszkolony w zakresie regulaminu BHP na sanowisku laboraoryjnym, co swierdza własnoręcznym podpisem na odpowiednim formularzu, zna rodzaje i jednoski gęsości, meody pomiaru, znaczenie eksploaacyjne parameru, zależność gęsości od emperaury; 4 Opis sanowiska laboraoryjnego: ulraermosa, zesaw areomerów, ermomer, specjalny cylinder sosowany przy pomiarach gęsości, sanowisko do mycia szkła laboraoryjnego benzyną eksrakcyjną, próbki produków nafowych; 5 Ocena ryzyka*: konak z benzyną eksrakcyjną sosowaną do mycia przyrządów pomiarowych i szkła laboraoryjnego prawdopodobieńswo powsania zagrożenia pożarowego w związku z obecnością pary benzyny ławopalnej zagrożenie bardzo małe ze względu na sprawnie działającą wenylację i małe sężenie lonych par benzyny. Końcowa ocena ZAGROŻENIE MAŁE Wymagane środki zabezpieczenia: a. faruchy ochronne, b. środki czysości BHP, czyściwo, ręczniki papierowe, c. pojemnik na odpady produków nafowych (do uylizacji), d. pojemnik na zlewki brudnej benzyny (do regeneracji); 6 Przebieg ćwiczenia: a. Zapoznać się z insrukcją sanowiskową (załącznik 1) oraz zesawem laboraoryjnym do ćwiczenia, b. Wykonać pomiary gęsości produku nafowego w emperaurze ooczenia oraz przeprowadzić dodakowo 6 kolejnych pomiarów gęsości po każdorazowym podwyższeniu emperaury badanego produku w ulraermosacie o C; 7 Sprawozdanie z ćwiczenia: a. Opracować ćwiczenie zgodnie z poleceniami zawarymi w insrukcji sanowiskowej,
b. Na podsawie przeprowadzonych pomiarów gęsości w emperaurach najniższej i najwyższej, obliczyć emperaurowy współczynnik gęsości, c. Na podsawie uzyskanych wyników pomiarów oznaczonej gęsości w różnych emperaurach sporządzić wykres zależności gęsości od emperaury, sosując w ym celu aproksymację liniową; 8 Archiwizacja wyników badań: Sprawozdanie z wykonanego ćwiczenia złożyć w formie pisemnej prowadzącemu zajęcia. 9 Meoda i kryeria oceny: a. EKP1, EKP2 zadania polecone do samodzielnego rozwiązania i opracowania: ocena 2,0 nie ma podsawowej wiedzy fizykochemicznej i eksploaacyjnej doyczącej gęsości produków nafowych oraz umiejęności rozwiązywania zadań prosych z ego zakresu; ocena,0 posiada podsawową wiedzę fizykochemiczną i eksploaacyjną doyczącą gęsości produków nafowych oraz umiejęność obliczeń i rozwiązywania zadań prosych z ego zakresu; ocena,5-4,0 posiada poszerzoną wiedzę fizykochemiczną i eksploaacyjną doyczącą oznaczanego parameru użykowego badanych produków nafowych oraz umiejęność rozwiązywania zadań złożonych z ego zakresu; ocena 4,5-5,0 posiada umiejęność sosowania złożonej wiedzy fizykochemicznej i eksploaacyjnej do cząskowej oceny jakości i przydaności eksploaacyjnej badanych produków nafowych ze względu na oznaczany paramer użykowy oraz umiejęność podejmowania na ej podsawie decyzji eksploaacyjnych. b. EKP prace konrolne: ocena 2,0 nie ma umiejęności analizy i oceny wyników wykonanych analiz i oznaczeń oraz wyciągania wniosków; ocena,0 posiada umiejęność analizy uzyskanych wyników, inerpreacji praw i zjawisk, przekszałcania wzorów, inerpreacji wykresów i ablic; ocena,5-4,0 posiada umiejęność poszerzonej analizy wyników, sosowania praw, konsruowania monogramów i wykresów; ocena 4,5-5,0 posiada umiejęność kompleksowej analizy uzyskanych wyników, dokonywania uogólnień, wykrywania związków przyczynowo-skukowych oraz podejmowania właściwych decyzji eksploaacyjnych. 10 Lieraura: 1. Krupowies J., Wiznerowicz Cz.: Pomiar gęsości oraz wyznaczanie emperaurowego współczynnika gęsości produków nafowych. Insrukcja sanowiskowa do ćwiczenia, AM, Szczecin 201. 2. Barcewicz K.: Ćwiczenia laboraoryjne z chemii wody, paliw i smarów. Wyd. AM w Gdyni, Gdynia 2006.. Podniało A.: Paliwa oleje i smary w ekologicznej eksploaacji. WNT, Warszawa 2002. 4. Przemysłowe środki smarne. Poradnik. TOTAL Polska Sp. z o.o., Warszawa 200. 5. Urbański P.: Paliwa i smary. Wyd. FRWSzM w Gdyni, Gdańsk 1999. 6. Normy PN/EN/ISO doyczące badania produków nafowych. 7. Kaalogi produków nafowych firm olejowych. 8. Dudek A.: Oleje smarowe Rafinerii Gdańskiej. MET-PRESS, Gdańsk 1997. 9. Baczewski K., Bierna K., Machel M.: Samochodowe paliwa, oleje i smary. Leksykon, Wydawnicwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 199. 10. Herdzik J.: Poradnik moorzysy okręowego. Wydawnicwo TRADEMAR, Gdynia 1995. 10 Uwagi 4
ZAŁĄCZNIK 1 INSTRUKCJA 1. ZAKRES ĆWICZENIA zapoznanie się z insrukcją sanowiskową do ćwiczenia, samodzielny pomiar gęsości próbek oleju smarowego w różnych emperaurach, sporządzenie wykresu zależności gęsości od emperaury na podsawie przeprowadzonych pomiarów oraz wyznaczenie emperaurowego współczynnika gęsości, obliczanie, jaką objęość paliwa lub oleju należy przyjąć na saek, jeżeli wiadomo jaka jes jego gęsość w emp. sandardowej oraz wiadomo, w jakiej emperaurze nasępuje podawanie na saek. 2. WPROWADZENIE TEORETYCZNE DO ĆWICZENIA 2.1. Zasada oznaczania gęsości Jedną z charakerysycznych cech ropy nafowej i jej produków jes gęsość. W prakyce 2 oznacza się zwykle gęsość względną d : 1 d 1 2 2 gdzie: 2 gęsość badanego produku w emperaurze 2 [g/cm ], 1 gęsość wody desylowanej w emperaurze 1 [g/cm ]. 1 Uwaga! Jako emperaury odniesienia najczęściej sosowane są: 2 = o C, 20 o C, 60 o F; 1 = 4 o C, o C, 60 o F; (60 o F =,6 o C) Przy czym gęsość d 4 i d 20 4 równa jes liczbowo gęsości (masy właściwej) [g/cm ]. W krajach anglosaskich firmy nafowe nadal częso posługują się skalą ermomeryczną Fahrenheia. Przyjmuje się, że: d o 60 F d o : 60 F d 4 = 0,999 d W uproszczeniu częso określa się: d 4 20 d 4 d d 60 F 60 F o o 5
Świaowe firmy nafowe częso posługują się oznaczeniem gęsości w umownych, bezwymiarowych jednoskach zw. o API (American Peroleum Insiue). Przeliczenia na o API można dokonać, posługując się nasępującym wzorem: o API 14, 60 F 60 F d o o 1, Produky nafowe charakeryzują się dużą zmianą gęsości z równoczesną zmianą emperaury, co ma isone znaczenie prakyczne. Dla większości produków nafowych z dosaeczną dokładnością można przyjąć, że zależność a jes funkcją liniową wyrażoną równaniem: 1 0 4 4 ( 1 0 ) gdzie: 1 gęsość produku nafowego w emperaurze 1 [g/cm ], 4 0 4 gęsość produku nafowego w emperaurze 0 [g/cm ], współczynnik emperaurowy gęsości [g/cm o C] (warość o jaką zmienia się gęsość jeżeli emperaura zmienia się o 1ºC). UWAGA! Ponieważ gęsość wody desylowanej w emp. 4 o C wynosi 1 g/cm, dlaego 1 4 i 0 4 równe są liczbowo gęsości bezwzględnej danego produku nafowego. W abeli 1 podano warości współczynnika emperaurowego gęsości w zależności od gęsości. Tabela 1 Warości średniego współczynnika emperaurowego gęsości Zakres gęsości [g/cm ] Warości współczynnika emperaurowego gęsości [g/cm o C] Zakres gęsości [g/cm ] Warości współczynnika emperaurowego gęsości [g/cm o C] 0,69000,6999 0,000910 0,85000,8599 0,000699 0,70000,7099 0,000897 0,86000,8699 0,000686 0,71000,7199 0,000884 0,87000,8799 0,00067 0,72000,7299 0,000870 0,88000,8899 0,000660 0,7000,799 0,000857 0,89000,8999 0,000647 0,74000,7499 0,000844 0,90000,9099 0,0006 0,75000,7599 0,00081 0,91000,9199 0,000620 0,76000,7699 0,000818 0,92000,9299 0,000607 0,77000,7799 0,000805 0,9000,999 0,000594 0,78000,7899 0,000792 0,94000,9499 0,000581 0,79000,7999 0,000778 0,95000,9599 0,000567 0,80000,8099 0,000765 0,96000,9699 0,000554 0,81000,8199 0,000752 0,97000,9799 0,000541 0,82000,8299 0,00078 0,98000,9899 0,000528 0,8000,899 0,000725 0,99001,0000 0,0005 0,84000,8499 0,000712 6
Gęsość można określić kilkoma meodami. Wybór meody zależy od ilości produku nafowego, jego lepkości, wymaganej dokładności oznaczenia i czasu przeznaczonego na analizę. Najprosszym przyrządem do oznaczania gęsości ciekłych produków nafowych jes areomer, kóry cechuje się według gęsości wody desylowanej w emperaurze 4C, a więc jego wskazania odpowiadają zapisowi d 4. Za pomocą areomeru można oznaczyć gęsość ylko z dokładnością do 0,001 g/cm, dla produków o małej lepkości i z dokładnością do 0,005 g/cm dla produków o dużej lepkości. W celu oznaczenia gęsości produku nafowego o dużej lepkości (ponad 200 mm 2 /s w emperaurze 50C) należy sosować meodę rozcieńczeń nafą. Dla małych ilości produku nafowego (kropli) lub dla subsancji (smarów, parafin, asfalów) można sosować meodę wyrównywania gęsości lub meodę kropli zawieszonej (meoda eksploaacyjna przybliżona). Jednak najdokładniejsze wyniki uzyskuje się przy oznaczaniu gęsości piknomerem (do 0,00005 g/cm ). W zależności od sanu skupienia produku nafowego, jego ilości i wymaganej dokładności ważenia, sosuje się piknomery o różnych kszałach i różnej pojemności. Najczęściej sosowane ypy wyżej omówionych przyrządów pokazano na rysunkach nr 1 i 2, w dalszej części insrukcji do ćwiczenia. 2.2. Oznaczanie gęsości ermoareomerem Gęsość produków nafowych o lepkości nie przekraczającej 200 mm 2 /s, wykonuje się za pomocą ermoareomeru lub areomeru (rys. 1) w sposób nasępujący: Do cylindra miarowego o pojemności 250 cm wlać około 170 cm próbki badanej. Osrożnie zanurzyć areomer o akim zakresie, aby spodziewana warość przypadała w środku skali przyrządu i po usaleniu jego położenia odczyać (w jednakowych odsępach czasu, np. po 2, 4, 6 minuach) z podziałki przyrządu (według górnego menisku) gęsość oraz emperaurę w przypadku korzysania z areomeru emperaurę należy zmierzyć ermomerem. W przypadku oznaczenia gęsości olejów przepracowanych lub ciemnych, przy odczyywaniu emperaury należy ermoareomer nieco unieść ak, aby podziałka ermomeru była widoczna, a zbiorniczek ręci pozosawał zanurzony w badanym produkcie lub użyć osobnego ermomeru. Wykonać rzy pomiary w danej emperaurze. Rys. 1. Termoareomer i areomer 7
Opracowanie wyników Obliczyć warość średnią gęsości z orzymanych pomiarów. 2.. Oznaczanie gęsości produków nafowych meodą kropli zawieszonej Do zlewki o pojemności 00 cm wlać 200 cm cieczy o gęsości < 1,0g/cm (np.: alkohol izopropylowy) i dodać kroplę badanego oleju. W przypadku oznaczania gęsości smaru sałego wykonać z niego kulkę o jak najmniejszej średnicy i umieścić w zlewce. Nasępnie dodawać z pipey do zlewki rozwór chlorku sodu w akiej ilości, aby badana próbka zawisła w cieczy. W akim przypadku gęsość produku nafowego jes równa gęsości rozworu, kórą należy oznaczyć areomerem. W ym celu przelać zawarość zlewki do cylindra miarowego o pojemności 250 cm, wsawić areomer i rzykronie dokonać pomiaru gęsości. Opracowanie wyników Obliczyć średnią warość gęsości z orzymanych pomiarów. 2.4. Oznaczanie gęsości produków nafowych za pomocą piknomeru W razie porzeby, próbkę produku nafowego odwodnić przed zasadniczym oznaczaniem, przez dodanie bezwodnego siarczanu(vi) sodu i przesączyć przez bibułę filracyjną. Jeżeli badany produk nafowy jes w posaci sałej, należy go rozdrobnić przed wykonaniem oznaczenia. Czysy wysuszony piknomer (rys. 2) o znanej sałej, napełnić osrożnie za pomocą pipey badanym produkem nafowym o emperaurze 20 5ºC. W przypadku piknomeru z kreską (rys. 2) napełnić go nieco powyżej kreski, a w przypadku piknomeru z oworem włoskowaym całkowicie. Piknomer zamknąć korkiem, umieścić w ermosacie i w ciągu 0 minu urzymywać w emp. 20ºC. Po upływie ego czasu wyjąć piknomer z ermosau i w pierwszym przypadku usunąć za pomocą pipey nadmiar cieczy, a w drugim (piknomer z oworem włoskowaym) nadmiar próbki wypłynie samoczynnie, wedy szybko wyrzeć piknomer i zważyć na wadze analiycznej. Pomiar powórzyć rzykronie. Pominąć wyniki, kóre różnią się między sobą o więcej niż 0,0004 g/cm. Rys. 2. Piknomery 8
Opracowanie wyników Obliczyć przybliżoną warość gęsości badanej próbki w emperaurze 20ºC z zależności: 2 m 1 m k gdzie: przybliżona gęsość badanej próbki [g/cm ], k sała piknomeru [cm ] (wielkość ę podaje prowadzący ćwiczenia), m1 masa pusego piknomeru [g], m2 masa piknomeru z badaną próbką [g]. Warość obliczona z równania, jes przybliżona z uwagi na o, że pomiaru dokonano w powierzu, a nie w próżni. Dodakowo sałą piknomeru wyznaczono względem wody desylowanej w emperaurze 20ºC, a gęsość oblicza się w sosunku do gęsości wody w emperaurze 4ºC: R gdzie: 4 gęsość badanej próbki w emperaurze ºC [g/cm ], przybliżona gęsość wyznaczona z równania [g/cm ], R poprawka odczyana z abeli 2 [g/cm ]. 4 Poprawki do wyznaczania warości gęsości 20 4 Tabela 2 Przybliżona warość gęsości [g/cm ] Poprawka R [g/cm ] Przybliżona warość gęsości [g/cm ] Poprawka R [g/cm ] 0,69000,6999 0,0009 0,85000,8599 0,001 0,70000,7099 0,0009 0,86000,8699 0,0014 0,71000,7199 0,0009 0,87000,8799 0,0014 0,72000,7299 0,0010 0,88000,8899 0,0014 0,7000,799 0,0010 0,89000,8999 0,00 0,74000,7499 0,0010 0,90000,9099 0,00 0,75000,7599 0,0010 0,91000,9199 0,00 0,76000,7699 0,0011 0,92000,9299 0,00 0,77000,7799 0,0011 0,9000,999 0,0016 0,78000,7899 0,0011 0,94000,9499 0,0016 0,79000,7999 0,0012 0,95000,9599 0,0016 0,80000,8099 0,0012 0,96000,9699 0,0017 0,81000,8199 0,0012 0,97000,9799 0,0017 0,82000,8299 0,001 0,98000,9899 0,0017 0,8000,899 0,001 0,99000,9999 0,0018 0,84000,8499 0,001 1,0000 0,0018 9
. WYKONANIE ĆWICZENIA Wykonać pomiar gęsości wg punku.2 niniejszej insrukcji, a nasępnie cylinder z olejem i areomerem oraz ermomerem umieścić w ermosacie. Włączyć ermosa i dokonać, ą samą meodą, kolejnych 5 pomiarów gęsości, co 4 ºC przyrosu emperaury. 4. OPRACOWANIE ĆWICZENIA 1. Przedsawić na wykresie zależność gęsości od emperaury. 2. Z pomiarów w skrajnych emperaurach (najniższej i najwyższej), obliczyć emperaurowy współczynnik gęsości ().. Porównać orzymaną warość z abelaryczną. 4. Obliczyć różnicę w objęości, jaką zajmie 1000 kg oleju w emperaurze ºC i w emperaurze 50ºC. 5. FORMA I WARUNKI ZALICZENIA ĆWICZENIA LABORATORYJNEGO 1. zaliczenie zw. wejściówki przed przysąpieniem do wykonania ćwiczenia. 2. złożenie poprawnego sprawozdania pisemnego z wykonanego ćwiczenia, kóre powinno zawierać: króki wsęp eoreyczny, znaczenie eksploaacyjne mierzonego parameru, opracowanie uzyskanych wyników wg insrukcji sanowiskowej.. zaliczenie końcowe na kolokwium pod koniec semesru. 10
I. Przykład zadania z rozwiązaniem Na saek dosarczono 1 000 paliwa ciężkiego o gęsości = 992 kg/m w emp ºC. Obliczyć, jaką objęość zajmie paliwo w emperaurze sandardowej ºC oraz ile m należy przyjąć ego paliwa na saek, wiedząc, że bunkrowanie odbywa się w emperaurze 60ºC. Obliczyć akże sray finansowe wynikające z nieuwzględnienia zmiany gęsości paliwa, spowodowanej wzrosem jego emperaury do 60ºC, zakładając, że 1 ona paliwa koszuje 600 $. Objęość 1 000 paliwa w emperaurze ºC wynosi: V 1000 000 kg 992 kg/m 1 1008 m m Nasępnie obliczamy gęsość paliwa ( 60 ) w emperaurze bunkrowania 60ºC. W ym celu porzebny emperaurowy współczynnik gęsości 0, 0005 [g/cm ºC], [/m ºC] odczyujemy z abeli 1 insrukcji. Korzysamy z nasępującej zależności: 1 0 ( ) 10 gdzie: 1 gęsość paliwa w emperaurze 1 [g/cm ], 0 gęsość paliwa w emperaurze 0 [g/cm ], współczynnik emperaurowy gęsości [g/cm o C]. Po podsawieniu danych z zadania orzymujemy: 60 0,992 /m 0,0005 / m C (60C /m 0,02 /m 0,969 /m 60 czyli 0,969 /m 0,992 C) Objęość, jaką zajmie 1 000 paliwa w emperaurze 60ºC obliczamy ze wzoru: V 1 000 000 kg 969 kg/m 2 1 02 m 60 m Różnica objęości, kóra wynika pomiędzy objęością jakie zajmie paliwo w emperaurze bunkrowania (60 C), a jego objęością w ( C) wynosi: V V 2 V1 102 m 1008 m 24 m odpowiadająca powyższej różnicy objęości V, różnica mas paliwa m wyniesie: m 24 m 0,969 /m 2,26 sąd sray finansowe wyniosą: 2,26 600 $ 1 956 $ 11
II. Zadania i pyania do samodzielnego wykonania przez sudena Zadania 1. Obliczyć jaką objęość zajmie paliwo ciężkie o masie 1 200 w emperaurze 55 C, wiedząc, że jego gęsość w emperaurze C wynosi 0,995 g/cm, a współczynnik emperaurowy gęsości 0,0005 g/cm C. Odpowiedź: 1 200 on ego paliwa w emperaurze 55 C zajmie objęość 1 21,5 m. 2. Zapas objęości zbiorników paliwa na saku wynosi 960 m. Jaką maksymalną ilość paliwa ciężkiego w onach należy zamówić, wiedząc, że gęsość ego paliwa w emperaurze 20 C wynosi 0,992 g/cm, współczynnik emperaurowy gęsości 0,0005 g/cm C, a bunkrowanie będzie się odbywało w emperaurze 5 C. Odpowiedź: Należy zamówić maksymalnie 96 on paliwa.. Obliczyć emperaurowy współczynnik gęsości () oleju smarowego wiedząc, że gęsość ego oleju w emp. 18 C wynosi 0,882 g/cm, naomias w emperaurze 6 C wynosi 0,870 g/cm. Odpowiedź: Współczynnik emperaurowy gęsości 0,000667 g/cm C. Pyania 1. Zdefiniować nasępujące pojęcia: gęsość bezwzględna, gęsość względna i ciężar właściwy oraz podać ich jednoski. 2. Jaki jes wzór do przeliczania gęsości produku nafowego z danej emperaury na emperaurę żądaną?. Jaka jes zależność gęsości od emperaury i czy zachodzi korelacja pomiędzy lepkością produku nafowego i jego gęsością? 4. Co o jes emperaurowy współczynnik gęsości produku nafowego, w jakich jednoskach wyraża się go i jak się wyznacza? 5. Jakie ma znaczenie zmiana gęsości produków nafowych w eksploaacji urządzeń siłowni okręowej oraz przy rozliczeniach zużycia ych produków na sakach? 6. Podać meody pomiaru gęsości produków nafowych. 7. Jaka jes rola znajomości gęsości produku nafowego przy jego idenyfikacji? 12