Приборы экспресс-анализа нефтепродуктов Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

УДК 543.812.08-15

Г. В. Шувалов

ФГУП «СНИИМ», Новосибирск

ПРИБОРЫ ЭКСПРЕСС-АНАЛИЗА НЕФТЕПРОДУКТОВ

С развитием техники повышаются требования к ассортименту и качеству нефтепродуктов, поэтому качество, как товарной нефти, так и продуктов ее переработки подлежит обязательному контролю. Документами, подтверждающими качество любых видов нефтепродуктов, является паспорт качества, а для нефтепродуктов подлежащих обязательной сертификации также и сертификат соответствия. Сертификат соответствия гарантирует, что нефтепродукт соответствует всем требованиям своей марки и назначению, а паспорт качества подтверждает, что нефтепродукт не утратил своих свойств к моменту продажи. Сертификат соответствия выдается изготовителю нефтепродукта органом по сертификации, а паспорт качества -испытательными лабораториями при соответствующей проверке качества нефтепродукта. Паспорт качества заполняется по всем показателям ГОСТ (или технических условий) на нефтепродукт в соответствии с результатами проведенных анализов, а значение показателей, не определяемых лабораторий предприятия, проставляются по паспорту поставщика, о чем делается соответствующая отметка в паспорте. Следовательно, результаты контроля качества товарных нефтепродуктов отражаются в паспорте, который свидетельствуют о соответствии их требованиям ГОСТ и служат основанием для отпуска продукции и расчета с потребителями.

Таким образом, качество нефтепродуктов является важнейшим параметром при проведении коммерческих операций с нефтепродуктами, под которым понимают совокупность свойств, обеспечивающих их пригодность для использования по назначению. Эти свойства принято разделять на две основные группы: физико-химические и эксплуатационные. К физикохимическим свойствам относятся свойства, характеризующие состояние нефтепродуктов и их состав (например: плотность, вязкость, фракционный состав). Эксплуатационные свойства характеризуют полезный эффект от использования нефтепродуктов по назначению, определяют область его применения. Некоторые эксплуатационные свойства нефтепродуктов оценивают с помощью нескольких более простых физико-химических свойств. Например, одно из основных эксплуатационных свойств топлив для авиационных газотурбинных двигателей - прокачиваемость - можно оценить, определив его некоторые физико-химические показатели, а именно: содержание механических примесей, воды, кислот, вязкость, плотность и т.п. В ряде случаев наиболее важные физико-химические показатели используют при маркировке нефтепродуктов: например для дизельных топлив важное значение имеют свойства, проявляемые при низких температурах, поэтому в зависимости от температуры застывания и помутнения топливо называется летним, зимним или арктическим.

Большинство методов оценки свойств и качества нефтепродуктов стандартизовано и по назначению подразделяются на приемосдаточные,

контрольные, полные и специальные. Из указанных видов контроля наиболее массовыми и распространенными являются приемо-сдаточные и контрольные испытания. Приемосдаточный анализ проводится для установления соответствия произведенного, поступившего или отгруженного нефтепродукта показателям качества, а контрольный анализ проводится в процессе изготовления или хранения нефтепродукта. В настоящее время контроль качества нефтепродуктов в организациях, осуществляющих деятельность с нефтепродуктами, возложен на подразделения этих организаций. В целях установления единых требований по контролю качества нефтепродуктов в 2003 году Министерством энергетики Российской Федерации была утверждена инструкция «Контроль и обеспечение сохранения качества нефтепродуктов в организациях

нефтепродуктообеспечения» [1]. В ней устанавливаются единые требования к организации и проведению работ по контролю и обеспечению сохранения качества нефтепродуктов при приеме, хранении, транспортировании и отпуске нефтепродуктов в организациях и у индивидуальных предпринимателей.

Согласно этих рекомендации приемо-сдаточный анализ для различных видов нефтепродуктов осуществляется по 4-5 параметрам, достаточным для подтверждения его качества. Так, для бензина автомобильного такими параметрами являются: цвет, плотность, содержание механических примесей и воды, фракционный состав и октановое число, характеризующее детонационную стойкость бензинов.

В связи с этим возрастают требования, предъявляемые к точности методов определения качества бензина, а следовательно, актуальной является проблема разработки точных и быстродействующих анализаторов физико-химических свойств топлив. В частности, существующий стандартный метод определения октанового числа, предусматривает применение сложных и дорогостоящих испытательных установок на основе двигателей внутреннего сгорания, в связи, с чем не обеспечивается необходимая оперативность измерений.

В Сибирском НИИ метрологии был разработан ряд экспресс-анализаторов типа СИМ (анализаторы качества) для оценки октанового числа бензинов, вида дизельного топлива и марки, автотракторных по величине диэлектрической проницаемости испытуемого нефтепродукта. Однако, как показал опыт эксплуатации, не все анализаторы в полной мере удовлетворяют современным требованиям их практического применения. Так как принцип действия этих приборов основан на косвенном методе определения (диэлектрическая проницаемость) свойств нефтепродукта, то эти приборы, в основном, служат лишь для оценки вида ГСМ или его идентификации, а не количественном определении его конкретных физико -химических показателей. Поэтому большинство этих приборов требует, в отдельных случаях существенной модернизации, а в других - пересмотра и замены принципа действия [1].

В первую очередь, эти положения могут быть отнесены к существующему экспресс-методу определения октанового числа автомобильного бензина (анализатор СИМ-3). При определении октанового числа стандартных бензинов по ГОСТ 2084 или ГОСТ 51105 способ дает неплохие результаты. Однако в случае определения бензинов, выпускаемых по различным ТУ, которых насчитывается в настоящее время более 20 , метод обладает существенными погрешностями. Подобные измерительные приборы для определения октанового числа (октанометры), которых в настоящее время внесено в Государственный реестр средств измерений шесть типов, уже не удовлетворяют современным требованиям по качеству измерений нефтепродуктов. В этой связи известны попытки решить указанную проблему различными методами: а) созданием банка данных по известным маркам и видам бензинов, б) используя различные дополнительные шкалы в указанных октанометрах, применяя для их калибровки образцы бензинов с известным октановым числом. Однако, на наш взгляд, единственно верным решением этой проблемы может стать разработка октанометра, по принципу действия близкому к физического определению октанового числа или методу его определения на моторной установке. Ранее делались попытки связать величину октанового числа бензинов с процессами окисления углеводородов химическими или термическими способами. Однако, получить четкую корреляцию процессов окисления с октановым числом так и не удалось. Применение ИК-спектрофотометров для анализа состава бензинов с последующим расчетом октанового числа оказалось также малоперспективным вследствие недостаточной точности этого косвенного метода и высокой стоимости применяемой для анализа аппаратуры. Проведенный нами анализ показывает, что параметром, так или иначе связанных с октановым числом, может стать время задержки воспламенения, измеряемое в стандартных условиях. Расчеты показывают, что, используя современную элементную базу измерительной техники вполне реальным является создание портативного октанометра. В настоящее время, в Сибирском НИИ метрологии проводятся работы по разработке указанного октанометра.

Следующим по степени значимости параметром автомобильных топлив может являться содержание воды в топливе. Вода в жидком топливе может находится в растворенном (гигроскопическом), диспергированном и свободном состоянии.

Содержание растворенной воды зависит в основном от химического состава нефтепродуктов и его температуры. С повышением температуры растворимость воды увеличивается во всех углеводородах. Наибольшей растворяющей способностью по отношению к воде обладают ароматические углеводороды. Чем выше содержание в нефтепродукте ароматических углеводородов, тем выше в ней растворимость воды. При снижении температуры растворимость воды в нефтепродукте уменьшается, и вода может выделяться в виде дисперсных частиц, образуя водонефтяные эмульсии. Наличие воды в моторных топливах и смазочных маслах является

крайне нежелательным. Содержание воды в смазочных маслах усиливает их склонность к окислению и ускоряет коррозию металлических поверхностей, соприкасающихся с маслом. Присутствие воды в моторных топливах может привести при низких температурах к прекращению подачи топлива из-за забивки топливных фильтров кристаллами льда. Методы определения воды в нефтепродуктах могут быть разбиты на две группы: качественные и количественные. К качественным методам относятся пробы на прозрачность и на потрескивание. Для количественного определения воды в нефтепродукте можно использовать различные их свойства, функционально связанные с содержанием в них воды: плотность, вязкость, поверхностное натяжение, диэлектрическую проницаемость, электропроводность, теплопроводность и т.д. Заранее рассчитать вид этой функциональной зависимости, как правило, невозможно из-за неаддитивного вклада содержания воды в измеряемый параметр. Неаддитивность обусловлена химическим взаимодействием молекул воды и вещества. По этой причине математическую зависимость обычно находят, используя экспериментальные данные.

Количественные методы определения воды делят на прямые и косвенные. К прямым методам следует отнести метод Дина и Старка, титрование реактивом Фишера, к косвенным - диэлькометрический, на котором основана работа прибора для определения воды в нефтепродуктах типа СИМ-4.Данный прибор, несмотря на удобство работы с ним и экспрессность измерения содержания воды позволяет определять только эмульсионную воду. В этой связи при измерениях всегда возникает погрешность определения содержания воды за счет растворенной воды и воды, содержащейся в свободном состоянии в виде отдельных капель размером 0,1-1 мм. В этой связи в настоящее время ведется разработка прибора для определения воды по электропроводности адсорбирующего элемента. Преимуществом указанного способа определения является возможность определения воды независимо от формах содержания ее в нефтепродукте.

К еще одному важнейшему показателю качества нефтепродукта определяемому при приемо-сдаточных испытаниях относятся содержание механических примесей. Механические примеси образуются в нефтепродуктах за счет продуктов коррозии аппаратов и трубопроводов, а также загрязнении при транспортировке и хранении. Механические примеси в топливе могут привести к засорению топливо проводов, фильтров, увеличению износа топливной аппаратуры, нарушению питания двигателя. Из механических примесей наиболее опасными являются песок и другие твердые частицы, истирающие металлические поверхности. Стандартизованные методы оценки чистоты нефтепродуктов позволяют контролировать содержание твердых примесей в широких пределах (ГОСТ 10577-78, ГОСТ 6370 - 83). Однако эти методы имеют очень существенный недостаток, связанный с применением точных аналитических весов и длительной подготовки пробы для анализа. Перспективным является использование экспресс-анализаторов, например типа СИМ-12. Вместе с

тем, указанный анализатор имеет также основной недостаток, который заключается в том, что крупные частицы мехпримесей не участвуют в результате измерения за счет их высокой скорости седиментации.

На наш взгляд, наиболее обоснованным методом, который может быть положен в основу для разработки прибора для измерения мехпримесей нефтепродуктах, является метод фильтрационной мембранографии с последующей объективной фотометрией осажденных примесей.

Кроме этого, такие важнейшие показатели качества топлива как: содержание бензола, марганца, фактических смол, определение кислотности и индукционного периода не могут быть определены приборами типа типа СИМ. Вместе с тем, требования к топливам, а именно: ГОСТ 2048-77, ГОСТ Р 51105-97, ГОСТ 302-97 требуют обязательной проверки топлив по перечисленным параметрам. Поэтому существует необходимость рассмотреть возможность использования различных физико-химических методов для контроля этих параметров нефтепродуктов, что является темой отдельной работы.

Таким образом, анализируя состояние метрологического обеспечения измерений основных параметров нефтепродуктов в части приборного обеспечения, его можно признать удовлетворительным для современных практических измерений. Вместе с тем, существует ряд недостатков присущих используемым в технических измерениях приборам. Поэтому возникает необходимость разработки и создания приборов экспресс-контроля имеющих улучшенные технические и метрологические показатели. В основу работы этих приборов могут быть положены различные физико-химические методы анализа.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Применение физико-химических методов анализа для определения параметров ГСМ / Шувалов, Г.В. // Материалы 6-й междунар. конф. «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП - 2002»: сб. тр. Новосибирск, 2002. - Т. 3. - С. 135137.

© Г. В. Шувалов, 2007