Politechnika Śląska w Gliwicach Ćwiczenie laboratoryjne z
Transkrypt
Politechnika Śląska w Gliwicach Ćwiczenie laboratoryjne z
Politechnika l ska w Gliwicach Instytut Maszyn i Urz dze Energetycznych Zakład Podstaw Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn Energetycznych wiczenie laboratoryjne z Materiałów Konstrukcyjnych i Eksploatacyjnych Temat wiczenia: Oznaczanie zawarto ci wody w olejach maszynowych metod destylacyjn Opracował: Marian Lipka Gliwice, 2003 1. WPROWADZENIE 1.1. Poj cia ogólne rodkiem smarnym nazywa si ka d substancje, któr stosuje si w celu zmniejszenia oporów tarcia. rodkiem smarnym mo e by olej lub inna ciecz, smar plastyczny, gaz albo ciało stałe (np. grafit lub dwusiarczek molibdenu) o budowie płytkowej. Przy rozpatrywaniu zagadnie eksploatacyjnych maszyn i urz dze , olej nale y traktowa jako jeden z elementów konstrukcji. Znajomo własno ci charakteryzuj cych energetyczne oleje smarowe oraz ich powi zania z funkcjami eksploatacyjnymi, pozwala na wła ciwy ich dobór do maszyn i urz dze energetycznych oraz poprawne ich u ytkowanie. Elementami weryfikuj cymi jako stosowanych olejów energetycznych s specyficzne warunki pracy urz dze energetycznych, takich jak turbiny, pompy wody zasilaj cej, młyny, spr arki, itp. Ogólnie mo na przyj , e: OLEJ SMAROWY = OLEJ BAZOWY + DODATKI USZLACHETNIAJ CE Ilo , rodzaj i wzajemne proporcje komponentów decyduj fizykochemicznych i jako ci oleju smarowego. o parametrach zwi zki organiczne lub Rol dodatków uszlachetniaj cych spełniaj nieorganiczne, których zawarto w oleju smarnym wynosi od 0,1 ÷ 30 % obj to ci. Spełniaj one nast puj ce funkcje: - wzmacniaj istniej ce wła ciwo ci oleju bazowego (antyutleniacze, inhibitory, rodki antypienne, deemulgatory), - poprawiaj niekorzystne własno ci oleju bazowego (depresatory, wsikozatory), - wprowadzaj nowe własno ci do olejów bazowych (dodatki EP (extrapressure), AW (anti-wear), detergenty, deaktywatory metali, zag szczacze). - Olejem bazowym mo e by : olej organiczny (mineralny), pozyskiwany z przeróbki ropy naftowej poprzez destylacj 1 lub rektyfikacj 2; zło ony jest z wielu zwi zków chemicznych, które nie s idealnie czyste, ale za to tanie i łatwo dost pne, 1 Destylacja jest operacj wykonywana jednokrotnie, której celem jest rozdzielenie mieszaniny cieczy na jej składniki. Polega ona na odparowaniu cieczy, odebraniu i skropleniu powstałych par. Ciecz skroplona bogatsza w składnik lotniejszy nazywana jest destylatem, natomiast pozostało nieodparowana nazywa si ciecz wyczerpan (pogonem). Podstaw rozdziału stanowi tutaj ró nica w lotno ci składników. Efektywno rozdzielania na drodze destylacji jest w wielu przypadkach niewystarczaj ca (np. dwa lub wi cej składników mieszaniny wrze w podobnej temperaturze), gdy powstaje kilka frakcji po rednich zawieraj cych co najmniej dwa składniki. W takim przypadku stosuje si rektyfikacj na kolumnach rektyfikacyjnych, w których zachodzi kilkana cie nast puj cych po sobie destylacji. Aby otrzyma czyste składniki konieczne jest wtedy wielokrotne odparowanie cieczy i skroplenie par. Destylacja i jej specyficzna odmiana - rektyfikacja – s operacjami, które pozwalaj na rozdzielanie ciekłych surowców naturalnych, mieszanin poreakcyjnych dwu- i wieloskładnikowych. Otrzymywane produkty charakteryzuj si wysokim stopniem czysto ci. Wielokrotne odparowanie cieczy i skroplenie par mo na uzyska albo powtarzaj c wielokrotnie destylacj lub przeprowadzaj c jedn operacj nazywan rektyfikacj . Destylacja prosta polega na stałym odprowadzaniu oparów znad cieczy. W miar trwania destylacji opary zmieniaj swój skład. Wobec odparowywania przede wszystkim składnika lotniejszego w destylowanej cieczy zmniejsza si jego st enie. W rezultacie, kolejne partie destylatu zawieraj coraz mniej składnika lotniejszego. Po zako czeniu procesu skład cieczy wyczerpanej nie jest wi c w równowadze ze składem cało ci otrzymanego destylatu, lecz z jego ostatni frakcj . Przykładem tego typu destylacji jest destylacja w kolbie z ci głym odbieraniem oparów. 2 Rektyfikacja polega na przeciwpr dowym zetkni ciu si cieczy i par z jednoczesn wymian masy i ciepła. W trakcie procesu, podczas kontaktu unosz cych si par ze spływaj c ciecz , z par wykropleniu ulega mieszanina zubo ona o składnik lotny, z cieczy za odparowuje mieszanina wzbogacona o składnik lotny. Jednocze nie wydzielone ciepło kondensacji frakcji wykraplaj cej si z oparów 2 - - olej syntetyczny, powstały na wskutek bada naukowych na drodze polimeryzacji; jego struktura jest ci le zdefiniowana (jednorodna budowa chemiczna), nie posiada zanieczyszcze chemicznych, jednak jest toksyczny i drogi, tak e ze wzgl du na kosztown utylizacj , olej półsyntetyczny, czyli mieszanina oleju mineralnego i syntetycznego; jego wła ciwo ci s zale ne od wzajemnego udziału poszczególnych składników. - Podstawowymi wymaganiami stawianymi olejom bazowym s : dobra kompatybilno z dodatkami uszlachetniaj cymi, antyutleniacze, dodatki antyrdzewne i antykorozyjne, dobra odporno na utlenianie, dobra termostabilno , krótki czas rozdziału emulsji olej – woda, krótki czas wydzielania powietrza, niska skłonno do pienienia, odpowiednie własno ci reologiczne w niskich temperaturach. - Podstawowymi funkcjami oleju smarowego s : kontrola tarcia, kontrola zu ycia, kontrola korozji, kontrola temperatury, kontrola zanieczyszcze , transmisja mocy. - takimi jak Zanieczyszczeniem oleju nazywa si ka d substancj wyst puj c w oleju, która olejem nie jest i nie stanowi jego integralnej cz ci. Do zanieczyszcze oleju mo na zaliczy : - zanieczyszczenia stałe, - wilgo , - powietrze i inne gazy, wykorzystywane jest do odp dzenia frakcji odparowuj cej z cieczy. W konsekwencji tych procesów przechodz ce przez kolumn opary wzbogacaj si w składnik najbardziej lotny, za ciecz spływaj ca w dół kolumny wzbogacana jest w składnik mniej lotny. Pary dochodz ce do szczytu kolumny s skraplane. Warunkiem przeprowadzenia rektyfikacji jest zawracana cz ci kondensatu z powrotem do kondensatu odbierana jest jako destylat. kolumny. Oznacza to, e jedynie cz Zawracanie cz ci kondensatu - tzw. odcieku - odgrywa w rektyfikacji kluczow rol . Stosunek odcieku do destylatu - tzw. powrót - w istotny sposób wpływa na parametry procesu. Zwi kszenie powrotu z jednej strony zwi ksza rozdzielczo kolumny, z drugiej zwi ksza koszty procesu i mo e powodowa trudno ci techniczne, np. zalanie kolumny. Rektyfikacj prowadzi si w kolumnach, które przez swoj konstrukcj spełniaj rol wielu kotłów umieszczonych jeden nad drugim. Kolumna rektyfikacyjna ma kształt stoj cego walca. Faza ciekła przepływa przez ni grawitacyjnie z góry na dół, faza gazowa przemieszcza si od dołu do góry wskutek ró nicy ci nie . Wewn trz kolumna wyposa ona jest b d w półki o ró nej konstrukcji, b d zawiera wypełnienie. Wypełnienie stanowi drobne elementy szklane b d metalowe - kulki, spr ynki, poci te rurki. Konsekwencj ró nic konstrukcyjnych w kolumnach półkowych i z wypełnieniem jest to, e w kolumnie półkowej zetkni cie faz odbywa si tylko na półkach, podczas gdy w kolumnie z wypełnieniem kontakt fazy ciekłej i gazowej zachodzi nieprzerwanie na całej długo ci kolumny. Oprócz kolumny zestaw do rektyfikacji obejmuje wypark , gdzie nast puje odparowanie cieczy oraz kondensator, w którym pary z kolumny ulegaj skropleniu. Kryterium podziału procesów rektyfikacyjnych na okresowe i ci głe jest organizacja procesu. Rektyfikacj okresow prowadzi si w sposób nast puj cy: do kotła kolumny (wyparki) wprowadza si mieszanin ciekł , która po ogrzaniu do pocz tkowej temperatury wrzenia zaczyna destylowa . Z kondensatora na górze kolumny odbiera si kolejne frakcje o coraz wy szych temperaturach wrzenia. W ci gu całego procesu zarówno temperatura skraplania destylatu w kondensatorze jak i temperatura wrzenia mieszaniny znajduj cej si w kotle stopniowo rosn . Nast puje zatem stopniowe wydzielanie składników mieszaniny pocz wszy od najbardziej lotnych. Rektyfikacja okresowa pozwala na rozdzielenie wyj ciowej mieszaniny ciekłej, zwanej surówk , na frakcje ró ni ce si temperaturami kondensacji. Mog to by czyste zwi zki chemiczne jak równie indywidua fizykochemiczne takie jak azeotropy dwu- i wieloskładnikowe. Rektyfikacja ci gła polega na nieprzerwanym dozowaniu surówki na kolumn w czasie trwania procesu przy równoczesnym odbiorze destylatu z kondensatora i cieczy wyczerpanej z kotła kolumny. Miejsce na kolumnie, na które doprowadza si surówk nazywa si półk zasilan . Cz kolumny powy ej półki zasilanej to cz wzmacniaj ca (wzbogacaj ca lub koncentruj ca) gdy pary zawieraj tu wi cej składnika lotniejszego ni surowiec. Cz kolumny poni ej miejsca zasilania surówk nazywa si odp dzaj c lub wyczerpuj c ze wzgl du na stopniowy ubytek składnika lotniejszego z obu faz. Wielko ci okre laj c sprawno kolumny rektyfikacyjnej jest ilo półek teoretycznych jakie kolumna posiada. Półka teoretyczna to poj cie abstrakcyjne, oznaczaj ce miejsce w kolumnie, w którym podczas przepływu oparów i odcieku ustali si równowaga ciecz - para. 3 - promieniowanie, ciepło, czynniki chłodz ce, paliwa, itp. 1.2. - Ogólnie, oleje wyst puj ce w technice mo na podzieli na nast puj ce grupy: oleje maszynowe, oleje hydrauliczne, oleje hydrauliczno-przekładniowe, oleje przekładniowe, oleje silnikowe, oleje turbinowe, oleje spr arkowe, oleje transformatorowe, oleje i ciecze obróbkowe, oleje i ciecze do ochrony przeciwkorozyjnej, aerozole, rodki smarowe dla przemysłu spo ywczego. 1.3. - Rodzaje olejów Metody badania zawarto ci wody w olejach Mo na wyró ni nast puj ce metody badania zawarto ci wody w olejach: Karla - Fischera (PN-ISO 760, ASTM D 4377, DIN 51777,T.1); dokładno metody ± 1ppm, destylacyjna (PN-83/C-04523, ISO3733, ISO9029, ASTM D 95/IP74, ASTM D 4406/IP358), gor cej płytki (crackle test); temp. płytki: 130 ºC, dokładno : od 350 ppm, reagentów (dokładno : 0,01 ÷ 1,2 %), FTIR. 1.4. Wpływ wody na prac urz dze energetycznych Woda jest, po zanieczyszczeniach stałych, drug co do wa no ci przyczyn zakłóce i awarii w układach smarowniczych i hydraulicznych. Zanieczyszczone „wod ” oleje cz sto zast powane s nowymi olejami, co powoduje podwy szenie kosztów zwi zanych z zakupem nowego oleju o koszty usuni cia i utylizacji oleju zawodnionego. Zbyt długie pozostawienie zawodnionego oleju w układzie powoduje np. korozj , zniszczenie komponentów układu poprzez kawitacj lub niedostateczne smarowanie, itp. Woda zawarta w oleju wyst puje w dwóch postaciach: - rozpuszczonej – wyst puje we wszystkich cieczach roboczych, a stopie jej zawarto ci zale y od rodzaju cieczy, temperatury pracy (w porównaniu do wilgotno ci wzgl dnej otaczaj cego powietrza), - nierozpuszczonej – tworzy z cieczami roboczymi emulsj . W zale no ci od rodzaju cieczy emulsja ta b dzie stabilna lub niestabilna. W przypadku stabilnej emulsji kropelki wody b d zawieszone w całej obj to ci cieczy powoduj c jej zm tnienie („kolor kawy z mlekiem”). W niestabilnej emulsji cz cz stek wody ł czy si ze sob i opadaj c tworzy warstw wody na dnie. 4 W celu usuni cia wody zawartej w oleju stosuje si agregaty, działaj ce na zasadzie sił od rodkowych (wirówki). Bardziej skutecznym technicznie oraz ekonomicznie sposobem usuni cia wody z układu w temperaturze pracy jest odparowanie. Mo na to osi gn stosuj c agregat odwadniaj co - odgazowuj cy (HNP). OSI GI w 100 % nierozpuszczon wod , woda niezale nie od rodzaju emulsji do 80 % rozpuszczonej wody w 100 % nierozpuszczone powietrze powietrze i inne gazy do 80 % rozpuszczonych gazów zanieczyszczenia usuwa cz stki do po danego poziomu stałe czysto ci stosuj c filtry o ró nej dokładno ci ( x 200) Agregaty HNP najszersze zastosowanie znalazły w piel gnacji olejów elektroizolacyjnych. - Typowe dopuszczalne zawarto ci wody dla n/w cieczy roboczych: olej turbinowy 0,03 % (300 ppm), olej hydrauliczny 0,05 % (500 ppm), Uwaga: Nawet najmniejsza ilo wody w układzie przyspiesza procesy starzenia si oleju oraz pracuj cych urz dze . Dla kompletnej piel gnacji zaleca si ponadto stosowanie filtrów oddechowych, zatrzymuj cych zanieczyszczenia oraz wilgo zawart w oparach (rys. 1). WYŁAPYWANIE ZANIECZYSZCZE (MGŁA OLEJOWA, KURZ, PYŁ) SILIKA EL ABSORBUJE WOD Z PRZEPŁYWAJ CEGO POWIETRZA ZATRZYMANIE ZANIECZYSZCZE I RÓWNOMIERNE ROZPROSZENIE POWIETRZA KRÓCIEC WLOTOWY POWIETRZA Rys. 1. Przekrój filtra oddechowego 5 2. WYMAGANIA STAWIANE OLEJOM MASZYNOWYM wie y olej maszynowy definiowany jest najcz ciej przez nast puj ce własno ci: - lepko (okre lana klas lepko ci), - wska nik lepko ci (relacja: lepko - temperatura), - ci ar wła ciwy (g sto ), - temperatura zapłonu (lotno i własno ci zapłonowe), - temperatura płyni cia (najni sza temperatura, w której olej jest jeszcze płynny). W przypadku olejów turbinowych, np. Remiz TU – 32 i TU – 46 oraz Remiz TG – 32 i TG – 46, dodatkowymi własno ciami s : - skłonno do pienienia, - zdolno wydzielania powietrza, - własno ci deemulgacyjne (separacja wody i oleju), - własno ci antyoksydacyjne (odporno na utlenianie), - smarno (istotna w przypadku przekładni z batych), - kompatybilno z dodatkami. Dla olejów przemysłowych (np. oleje turbinowe), szczególny nacisk nakładany jest na: - du y współczynnik lepko ci, - nisk skłonno do pienienia, - dobr zdolno do wydzielania powietrza, - dobre własno ci deemulgacyjne, - wzmocnienie własno ci antykorozyjnych. 2.1. Przykładowe wymagania stawiane niektórym olejom Oleje maszynowe L-AN stosowane s do smarowania lekko obci onych cz ci maszyn przemysłowych (ło ysk, prowadnic, przekładni mechanicznych, wrzecion, itp.) oraz pomocniczych w złów tarcia. #! $ %&' ! " ( ) *!* * " + '%& *!* + '%& *!* " ',! $$ -%& . " ! ' / , ( . " ! # ' / , ( "0 # # ' 1 234(1 35 * ! 6 * " * ! "0 # # ' 1 234(1 6 Olej maszynowy ŁMS-80 stosowany jest m.in. do smarowania ło ysk pracuj cych przy du ych obci eniach oraz w wysokich temperaturach. 789 ! " #! $ %&' ( *!* * " + '%& *!* " ',! $$ -%& * #05 * "! * # 6 0 :; " # '."'5 (2<( 9 5 ' #! $ 6 %& = %& %& * >0 # ! $= %& 35 * 1# 6 " * "5" #! $ %&' $ ?" *5 : ! @" ! "& #! $ %& # :1 @ 3. CEL WICZENIA Celem wiczenia jest oznaczenie ilo ci wody zawartej w oleju maszynowym metod destylacyjn . 4. METODA OZNACZANIA 4.1. Zasada oznaczania Zasada oznaczania polega na oddestylowaniu zawartej w badanym produkcie wody z dodan ciecz azeotropuj c do odbieralnika zaopatrzonego w podziałk i zmierzeniu obj to ci wody oddzielonej od rozpuszczalnika w odbieralniku. 4.2. Przyrz dy Zestaw do destylacji składa si z nast puj cych elementów: a) kolby destylacyjnej (1) (rys. 2), szklanej, z krótk szyjk , ze szlifem, o pojemno ci 500 ml (pojemno naczynia destylacyjnego dobiera si w zale no ci od przewidywanej zawarto ci wody w badanym produkcie), b) odbieralnika pomiarowego (2) (rys. 2), szklanego; dobór jego pojemno ci zale y od przewidywanej zawarto ci wody, c) chłodnicy (3) (rys. 2) z prost rurk chłodz c (Liebiga), z płaszczem wodnym długo ci co najmniej 400 mm, ze szlifem o wymiarach odpowiednich do wymiarów szlifu stosowanego odbieralnika, d) urz dzenia grzewczego (płaszcza grzejnego). Ponadto w skład układu wchodz równie : a) cylinder pomiarowy o pojemno ci co najmniej 100 ml, b) pr cik szklany długo ci ok. 500 mm, z gumow nasadk lub pr cik metalowy ze zgrubieniem na ko cu. 7 Rys. 2. Zestaw do destylacji 4.3. Rys. 3. Odbieralnik pomiarowy (podziałka skali i budowa) Odczynniki i materiały Prawidłowe przeprowadzenie badania wymaga równie zastosowania substancji pomocniczych, takich jak: a) ciecz azeotropuj ca, któr mog by nast puj ce rozpuszczalniki hydrofobowe, nie zawieraj ce wody: - destylat naftowy o zakresie temperatur wrzenia 100 ÷ 200 ºC, - benzyna do ekstrakcji IV wg PN-56/C-96022, - izooktan o czysto ci co najmniej 95%, - toluen o temperaturze wrzenia 110 ºC, np. gatunek KI wg PN-77/C-97003, - ksylen techniczny wg BN-73/0517-11, - chloroform techniczny wg PN-68/C-83007, - czterochlorek w gla wg BN-69/6193-14, b) pumeks lub niepolewana porcelana, lub fajans, lub kapilary szklane zatopione z jednej strony, c) benzyna ekstrakcyjna i aceton do mycia przyrz dów szklanych. 4.4. Przygotowanie przyrz dów Przed wykonaniem oznaczenia wszystkie szklane cz ci zestawu do destylacji, tj. kolb , odbieralnik, wewn trzn cz chłodnicy oraz cylinder pomiarowy przemy kolejno benzyn ekstrakcyjn , acetonem, wod bie c i destylowan , a nast pnie wysuszy . W razie potrzeby mo na szklane przyrz dy umy mieszanin chromow , nast pnie wod bie c , wod destylowan , po czym wysuszy . 8 4.5. Wykonanie oznaczenia Badanie zawarto ci wody w olejach nale y wykonywa wg nast puj cych wytycznych: a) przy badaniu produktów ciekłych o małej lepko ci odmierzy cylindrem pomiarowym 100 ml produktu z dokładno ci do ±1% i wla do kolby destylacyjnej, b) tym samym cylindrem, bez przemywania go, odmierzy do kolby 50 ml cieczy azeotropuj cej, a nast pnie dwa razy po 25 ml tej cieczy, w celu ilo ciowego przeniesienia próbki do kolby destylacyjnej (przy badaniu produktów ciekłych o du ej lepko ci lub stałych, nale y odwa y 100 g badanego produktu z dokładno ci do ±1% i przenie ilo ciowo do kolby destylacyjnej, dodaj c nast pnie 100 ml cieczy azeotropuj cej; przy badaniu produktów o bardzo małej lub bardzo du ej zawarto ci wody, wielko próbki i obj to cieczy azeotropuj cej nale y odpowiednio zwi kszy lub zmniejszy , tak aby obj to wody w zbieraj cej si w odbieralniku był wi ksza ni 0,1 ml, lecz nie przekraczała pojemno ci stosowanego odbieralnika), c) próbk produktu dokładnie wymiesza z ciecz azeotropuj c , a do całkowitego rozpuszczenia lub do ujednorodnienia mieszaniny produktów nierozpuszczalnych, d) do kolby z badanym produktem wrzuci kilka kawałków niepolewanej porcelany lub innego rodka (wg 3.3.b.) zapobiegaj cego przegrzewaniu cieczy; w przypadku cieczy o skłonno ci do pienienia doda 1 ÷ 2 g oleiny lub oleju silikonowego, e) w górnej cz ci chłodnicy umie ci tampon z waty w celu zapobie enia kondensacji wilgoci atmosferycznej wewn trz chłodzonej przestrzeni, f) wł czy obieg wody w chłodnicy, a nast pnie – ogrzewanie kolby i zawarto kolby doprowadzi do wrzenia, g) destylacje prowadzi tak, aby nat enie przepływu wynosiło 2 ÷ 5 kropel na 1 sekund , h) destylacje prowadzi do chwili, a w adnej cz ci zestawu destylacyjnego (poza odbieralnikiem) nie b dzie wody, a w odbieralniku poziom wody b dzie stały przez co najmniej 5 min (je eli przed zako czeniem destylacji w rurce chłodnicy zgromadz si krople wody, nale y ostro nie zwi kszy ogrzewanie lub zamkn dopływ wody do chłodnicy na kilka minut, tak aby gor ce pary zmyły do odbieralnika zatrzymane na ciankach chłodnicy krople wody), i) po ochłodzeniu destylatu i wody w odbieralniku do temperatury 20 ±2 ºC, rozmontowa zestaw i pr cikiem szklanym lub metalowym zepchn krople wody przyległe do wewn trznej strony odbieralnika. Uwaga: Podczas poboru próbki oleju do bada , nale y zwróci szczególn uwag na: - miejsce poboru, - metodyk i przyrz dy stosowane podczas poboru, - technik pobierania, - jednorodno próbki. 9 4.6. Obliczenie zawarto ci wody w badanym produkcie Zawarto wody w badanym oleju mo na obliczy , zale nie od sposobu pobrania próbki, w procentach wagowych (X) lub obj to ciowych (X1) wg poni szych wzorów: X= V0 ⋅ 100 m X1 = V0 ⋅ 100 V w których: V0 – obj to wody w odbieralniku [ml], m – masa próbki pobranej do oznaczania [g], V – obj to próbki pobranej do oznaczania [ml]. Uwaga: Dla uproszczenia oblicze przyj to g sto wody w temperaturze 20 ±2 °C za równ 1 g/ml, a liczb mililitrów wody za równ liczbie gramów wody w tej temperaturze. Przy masie próbki badanego produktu, równej 100 ±1 g, za zawarto w nim wody przyjmuje si liczb mililitrów wody zebranej w odbieralniku. 5. OPRACOWANIE WYNIKÓW 1. 2. 3. 4. W sprawozdaniu nale y zamie ci : Okre lenie celu wiczenia, Krótki wst p teoretyczny, Obliczenie procentowego udziału wody, Uwagi i wnioski ko cowe. 6. BIBLIOGRAFIA 1. PN-88/C-04133 10