Способ определения давления насыщенных паров авиационных и автомобильных бензинов

Изобретение относится к анализу качества авиационных и автомобильных бензинов, а именно к способу определения давления насыщенных паров авиационных и автомобильных бензинов. В пробе бензина измеряют плотность при 20°С (ρ₄ ²⁰) и температуру начала кипения (Т_нк). По полученным значениям этих показателей рассчитывают величину давления насыщенных паров, используя постоянные числовые коэффициенты, полученные экспериментально. Техническим результатом изобретения является расширение перечня способов определения давления насыщенных паров бензинов, сокращение затрат за счет отказа от использования дорогостоящего прибора, сокращение продолжительности измерения. 2 ил., 3 табл.

 

Изобретение относится к способам контроля качества топлив, в частности авиационных (АВБ) и автомобильных (АМБ) бензинов по величине давления насыщенных паров (ДНП), и может быть использовано в лабораториях нефтеперерабатывающих заводов, нефтебазах, НИИ, а также в полевых условиях на местах применения и производства горючего.

Известно, что парообразование воздушных пробок нарушает непрерывность потока топлива в топливной системе. Для предотвращения образования паровоздушных пробок стандартом на автомобильные бензины предусмотрено ограничение по ДНП: для летних видов бензинов (независимо от их марки). ДНП должно быть не более 67 кПа, для зимних видов - не более 67-97 кПа. (Г.П.Покровский «Топливо, смазочные материалы и охлаждающие жидкости». М., «Машиностроение», 1985 г. С.21-22).

Давление насыщенных паров для АВБ и АМБ является показателем качества этих топлив. Его нижний предел характеризует наличие пусковых фракций (нормируется только для авиационных бензинов), а верхний позволяет судить о стабильности данного топлива и возможности возникновения газовых пробок. (Б.В.Белянин и др. «Технический анализ нефтепродуктов и газа». Ленинград, «Химия». Ленинградское отделение, 1986 г. С.76).

Бензины имеют неоднородный состав и ДНП при конкретной температуре является сложной функцией состава бензина и зависит от объема пространства, в котором находится паровая фаза. Это объясняется тем, что при разных объемах будет испаряться, т.е. переходить в паровую фазу, разное количество компонентов с наибольшим давлением пара, и, следовательно, состав жидкой фазы будет так же различным (Б.В.Белянин и др. С.93).

В практике возникает ситуация, когда необходимо заправить технику в полевых условиях топливом, находившимся длительное время в пути, и определить давление насыщенных паров.

Перед авторами стояла задача разработать способ определения давления насыщенных паров АВБ и АМБ, отвечающий требованиям по точности и достоверности.

Известен манометрический способ определения ДНП бензина в металлической бомбе по Рейду с помощью манометра типа Бурдона, включающий измерение атмосферного давления в месте проведения испытания, давления насыщенных паров воды при исходной температуре воздуха, исходной температуры воздуха и давления насыщенных паров воды при температуре 37,8°С и последующий расчет ДНП по формуле

Рнп=Риз-ΔР,

где Рнп - ДНП бензина при 37,8°С, кПа;

Риз - измеренное ДНП, кПа;

ΔР - поправка на изменение давления воздуха и паров воды в воздушной камере, вызванное различием между начальной температурой воздуха и температурой водяной бани.

Поправка рассчитывается по формуле

где Pa - атмосферное давление, кПа;

Pt - ДНП воды при температуре окружающей среды, кПа (по приложению);

t - исходная температура воздуха, °С;

P37,8 -ДНП воды при 3 7,8°С, кПа.

(ГОСТ 1756-2000, ИСО 3007-99. Нефтепродукты. Давление насыщенных паров. Минск. Изд. стандартов, 2001. С.7).

Способ получил наибольшее распространение в лабораторной практике в нашей стране и за рубежом.

Недостатком известного способа является значительная продолжительность измерения (90 мин), применение дорогостоящего прибора и громоздкого жидкостного термостата с регулировкой температуры ±0,01°С и необходимостью дополнительного измерения атмосферного давления и температуры воздуха для внесения поправки в измеряемую величину.

Известен также способ измерения давления насыщенных паров жидкости, включающий пропускание жидкости по трубопроводу, измерение поглощения ультразвуковых волн в двух сечениях, одно из которых находится ниже по потоку и перед которым поток нагревают и измеряют температуру, определяют первую разность коэффициентов поглощения в первом и втором сечениях трубопровода, затем нагревают жидкость перед вторым сечением до температуры ниже температуры кипения (справочные данные), аналогичным образом измеряют коэффициенты поглощения ультразвука в первом и втором сечениях трубопровода, определяют вторую разность коэффициентов поглощения ультразвука в первом и втором сечениях и по величине отклонения второй разности коэффициентов от первой определяют искомое давление насыщенных паров жидкости путем его сопоставления с предварительно полученной на жидкостях с известным давлением насыщенных паров градуировочной зависимостью между давлением насыщенных паров и величиной отклонения второй разности коэффициентов поглощения ультразвука от первой разности (СССР, а.с. № 1707491, G01L 11/00, 1987 г.).

Недостатком этого способа является его длительность (способ требует калибровки установки) и значительные затраты, связанные с использованием У3-датчиков. Кроме того, из описания изобретения не ясно, на какое расстояние удалены друг от друга сечения трубопровода, в которых устанавливают датчики ультразвука. Кроме того, взятая из паспортных данных температура начала кипения (Тнк) не всегда соответствует ее текущему значению, и нагрев жидкости перед вторым сечением до температуры ниже температуры кипения на 5°С влечет за собой погрешность определения ДНП. Следовательно, этот способ не учитывает истинное значение Т_нк.

Наиболее близким по технической сущности и взятым за прототип является способ определения давления насыщенных паров жидкостей, реализуемый с помощью устройства по а.с. №1026024, G01L 7/18, 1981 г.

В этом способе определяют плотность (ρ) анализируемой жидкости, измеряют высоту (h) столба жидкости в трубке над уровнем жидкости в резервуаре, в который трубка помещена открытым концом, измеряют внешнее давление (Рвн) над жидкостью в резервуаре и осуществляют последующий расчет ДНП по следующей зависимости

P=P_BH-ρ·gh,

где g - ускорение свободного падения.

Недостатком этого способа является сложность определения, т.к. необходима специальная настройка установки для удаления из системы воздуха. Кроме того, этот способ также требует построения графика зависимости упругости пара от температуры, который используют для термодинамических расчетов. Указанная необходимая при расчете плотность (ρ) исследуемой жидкости не замеряется (из описания нельзя сделать вывод о том, имеется ли в виду текущее значение плотности, или этот показатель взят из паспортных данных).

Технический результат изобретения - расширение перечня способов определения давления насыщенных паров авиационных и автомобильных бензинов с одновременным сокращением времени определения без снижения требований по точности и сходимости результатов.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в известном способе определения давления насыщенных паров авиационных и автомобильных бензинов, включающем измерение плотности бензина при 20°С, согласно изобретению замеряют температуру начала кипения автомобильного или авиационного бензина при атмосферном давлении, а давление насыщенных паров бензина рассчитывают по следующей зависимости

где Р - давление насыщенных паров анализируемого бензина, кПа;

K₁=157,3 и K₂=3,46 - постоянные коэффициенты, полученные экспериментально;

ρ₄ ²⁰ - плотность анализируемого бензина при 20°С, г/см³;

Тнк - температура начала кипения анализируемого бензина, °С.

Произведение плотности (ρ₄ ²⁰) на температуру начала кипения (Тнк) бензина авторы условно назвали «коэффициентом испаряемости» Кисп.

На фиг.1 представлена зависимость ДНП бензинов от коэффициента испаряемости;

фиг.2 - номограмма для экспрессного определения ДНП бензинов по их коэффициенту испаряемости.

После обработки большого количества статистических данных по различным маркам бензинов различных нефтеперерабатывающих заводов на основе анализа значений таких наиболее точно определяющих качество бензина физико-химических показателей (ДНП, ρ₄ ²⁰, Тнк) была получена зависимость, отражающая взаимосвязь этих показателей, куда вошли экспериментально полученные постоянные коэффициенты (K₁=157,3 и K₂=3,46).

В качестве измерителей плотности бензина могут быть использованы приборы различного принципа действия: пикнометрические, гидростатические, ареометрические, радиоактивные плотномеры (М.В.Кулаков, А.В.Казаков, М.В.Шелястин «Технические измерения и аналитические приборы в химической промышленности». М. 1964 г., с.319-321).

Температуру начала кипения Тнк определяют с помощью, например, аппарата по автоматическому определению фракционного состава нефтепродуктов «AD 86 5G2 (с.V-44, п.4.6, 4.9.3) Инструкция пользователя ООО «БЭЛЛА Д», 2003 г.».

Способ реализуется следующим образом.

Пример 1. Отбирают пробу бензина Р-92 по ГОСТ 2517-85 объемом 2000 см³ и охлаждают до температуры 2±0,5°С. Замеряют плотность бензина по ГОСТ 3900-85, для чего охлажденную пробу бензина (100 см³) наливают в цилиндр. Опускают чистый и сухой ареометр (АНТ-1 по ГОСТ 18481 в пробу бензина. Когда ареометр установится, фиксируют показания ареометра ρ=0,720 г/см³ при температуре бензина 2°С. По полученным значениям показания ареометра и температуре бензина определяют плотность бензина при 20°С, используя таблицу ГОСТ 3900-85, ρ₄ ²⁰=0,709 г/см³.

Время, затраченное на определение ρ₄ ²⁰, составило 15 мин.

Одновременно с определением плотности замеряют температуру начала кипения (Тнк) анализируемого бензина, для чего пробу бензина объемом 100 см³ переносят в колбу для перегонки. Собирают аппарат для разгонки согласно ГОСТ 2177-85. Затем начинают проводить нагрев пробы в колбе до появления первой капли анализируемого бензина. Фиксируют температуру появления первой капли 38°С, которую принимают согласно ГОСТ 2177-85 за температуру начала кипения Тнк=38°С.

Время, затраченное на определение Тнк, составило 10 мин.

Получив значения ρ₄ ²⁰=0,709 г/см³ и Тнк=38°С, согласно заявляемой расчетной формуле определяют давление насыщенных паров ДНП (Р):

Р=K₁-K₂·ρ₄ ²⁰·Тнк=157,3-3,46·0,709·38=64,1 кПа,

где K₁=157,3 и K₂=3,46 - постоянные коэффициенты, полученные экспериментально.

Полученное значение Р=64,1 кПа соответствует установленному нормированному значению, что позволяет сделать вывод о кондиционности анализируемого бензина.

Пример 2. Определяют плотность авиационного бензина Б 91/115 по ГОСТ 3900-85. Когда ареометр установится, фиксируют его показания - ρ=0,790 г/см³ при температуре 2°С. По полученным значениям показания ареометра и температуре бензина, по таблице ГОСТ 3900-85 определяют плотность бензина при 20°С, ρ₄ ²⁰=0,776 г/см³.

Одновременно с определением плотности замеряют температуру начала кипения анализируемого бензина, Тнк=47°С.

По полученным результатам рассчитывают ДНП анализируемого бензина:

Р=К_i -К₂-ρ₄ ²⁰·Тнк=157,3-3,46·0,776·47=31 кПа.

Полученное значение Р=31 кПа указывает на кондиционность авиационного бензина по ГОСТ 1012-72.

Как видно из приведенных примеров 1 и 2, заявляемый способ определения давления насыщенных паров авиационных и автомобильных бензинов значительно оперативнее известных - максимальная длительность определения параметра не более 30 мин.

Предполагаемый способ может быть использован как на нефтеперерабатывающих заводах (при определенной автоматизации производства - установке соответствующих датчиков контроля и введении сигналов этих датчиков в блоки обработки и управления технологией производства), так и в полевых условиях, не применяя расчета.

Такая оперативность возможна только при отсутствии отклонений от норм требований к перевозке и хранению бензинов.

Возможность использования табличных данных является следствием изобретения, отражающего совокупность трех технологических физико-химических показателей, оказывающих влияние на качество бензинов. Данная совокупность отличительных признаков является существенной и получена в соответствии с результатами обработки статистических данных по различным маркам бензинов различных нефтеперерабатывающих заводов. С допустимой степенью достоверности были получены числовые значения условно названных коэффициентов испаряемости Кисп.(табл.1, столбец 5).

Были проведены испытания различных бензинов, поступивших в ФГУП «25 ГосНИИ Минобороны России» из организаций г.Москвы и Московской области.

Давление насыщенных паров определяли заявляемым способом и известным (ГОСТ 1756-2000).

Результаты испытаний представлены в табл.2.

Таблица 1
Результаты испытаний различных бензинов заявляемым и стандартным способами определения давления насыщенных паров производства основных НПЗ страны
Марка бензина (год анализа)	Наименование НПЗ	Плотность при 20°С (ρ4 20), г/см3	Температура начала кипения (Тнк), °С	Коэффициент испаряемости (Кисп=p4 20.Тнк)	Давление насыщенных паров, кПа
ГОСТ 1756-2000	Заявляемый способ*	Расхож. % отн.
1	2	3	. 4	5	6	7	8
АИ-80(95)	Омский	0,726	41	29,7	41.3	54,3	6,7
Б-91/115(95)	То же	0,723	46	33,3	43,9	42,9	2,3
А-76(95)	Куйбышевский То же	0,736	38	28,0	58,7	60.7	3,3
Б-91/115(95)		0,736	49	36,0	37,1	32,1	15,6
АИ-9Ц94)	Уфимский	0,758	38	28,8	56,6	57,6	1,7
Б-91/115(94)	То же	0,721	71	31,0	47,9	50,9	5,9
АИ-93(95)	Новокуйбышевский	0,744	38	28,3	57,3	59,3	3,7
Б-91/115(95)	То же	0,735	47	34,5	42,7	38,7	10,6
Б-70(04)	Рязанский	0,699	49	34,3	38,5	39,5	2,56
АИ-92(94)	Горьковский	0,760	" 36	27,4	61,9	65,9	6,1
АИ-95(95)	Новоуфимский	0,767	37	29,1	55,6	56,8	1,8
АИ-98(98)	Ярославский	0,733	36	26,4	58,3	66,3	12,0
АИ-80(99)	То же	0,710	38	27,0	61,3	63,3	3,2
А-76(95)	Сызранский	0,704	38	26,8	66,7	64,7	3,1
А-76(95)	Орский	0,710	38	27,0	66,7	63,3	4,7
АИ-93(95)	Хабаровский	0,729	35	25,5	62,3	68,3	8,8
АИ-92(02)	Московский	0,723	40	28,9	51,0	51,0	0
Среднее значение:	5,4
* По расчетной формуле: Р=K1-К2·ρ4 20·Тнк.

Таблица 2
Результаты испытаний различных бензинов заявляемым и стандартным способами определения давления насыщенных паров, поступивших из г.Москвы и Московской области в ФГУП «25 ГосНИИ Минобороны России»
Марка бензина	Плотность при 20°С (ρ4 20), г/см3	Температура начала кипения (Тнк), °С	Коэффициент испаряемости (Кисп)	Давление насыщенных паров, кПа
				ГОСТ 1756-2000	Заявляемый способ	Расхождения
кПа	% отн.
1	2	3	4	5	6	7	8
АИ-80	0,770	36	27,7	61,8	61,4	0,4	0,6
АИ-80	0,709	38	26,9	58,4	64,1	5,7	8,9
АИ-80	0,705	35	24,7	68,3	71,9	3,6	5,0
АИ-80	0,714	37	-26,4	59,3	65,9	6,6	10,0
АИ-92	0,750	35	26,3	62,5	66,5	4,0	6,0
АИ-92	0,740	39	28,9	60,8	57,4	3,4	5,6
АИ-92	0,732	38	27,8	62,5	61,1	1,4	2,2
АИ-92	0,749	38	28,5	55,8	58,6	3,0	5,1
АИ-92	0,713	40	28,5	65,2	58,6	6,6	10,1
АИ-92	0,746	37	27,6	66,7	61,8	4,9	7,3
АИ-92	0,752	35	26,3	61,8	66,5	4,4	6,7
АИ-95	0,748	35	26,2	64,3	66,7	2,4	3,6
АИ-95	0,742	38	28,2	63,8	59,7	4.1	6,4
АИ-95	0,773	38	29,4	60,3	55,7	4,6	7,6
АИ-95	0,742	40	28,5	65,2	58,6	6,6	10,1
АИ-95	0,755	36	- 27,2	57,5	63,2	5,7	9,0
Супер 98	0,768	35	26,9	64,8	64,3	0,5	0,8
Супер 98	0,766	34	26,0	68,2	67,2	1,0	1,5
Всего 18	Среднее значение:	3,8	5,9

На основании результатов испытания конкретных бензинов различных производителей (табл.1, 2) авторы разработали таблицу 3 и номограмму (фиг.2), которыми можно воспользоваться в полевых условиях, применив и расчет по полученной зависимости Р=f(ρ₄ ²⁰, Тнк) давления насыщенных паров бензинов, подставив полученные экспериментально коэффициенты К₁=157,3 и К₂=3,46.

Таблица 3
Числовые значения коэффициента испаряемости, соответствующие определенному давлению насыщенных паров АМБ и АВБ (по статистическим данным)
Кисп. (Тнк·ρ4 20)	Р	Кисп (Тнк·p4 20)	Р
21,0	84,0	29,0	56,5
22,5	82,5	29,5	55,0
22,0	81,0	30,0	53,5
22,5	79,0	30,5	51,5
23,0	77,0	31,0	50,0
23,5	75,5	31,5	48,0
24,0	74,0	32,0	46,5
24,5	72,0	32,5	45,0
25,0	70,5	33,0	43,0
25,5	68,5	33,5	41,5
26,0	66,8	34,0	40,0
26,5	65,0	34,5	38,0
27,0	63,5	35,0	36,5
27,5	62,5	35,5	34,5
28,0	60,0	36,0	33,0
28,5	58,5	37,0	30,0

Ниже приведены примеры реализации способа определения ДНП бензинов с использованием табл.3 и номограммы (экспресс-метод с допустимой степенью точности) в полевых условиях.

Пример 3. Экспрессный контроль давления насыщенных паров авиационного бензина Б-91/115 производства Новокуйбышевского НПЗ на основании эмпирической формулы и расчетной табл.3.

Из общей характеристики качества бензина (паспорта) берут значения плотности при 20°С ρ₄ ²⁰=0,735 г/см³ и величину температуры начала кипения Тнк=47°С. На основании этих величин рассчитывают коэффициент испаряемости К=34,5 и по формуле Р=К₁-К₂·ρ₄ ²⁰·Тнк или по табл.3 переводят в давление насыщенных паров Р=38,0 кПа.

Пример 4. Экспрессный контроль давления насыщенных паров автомобильного бензина АИ-93 производства Хабаровского НПЗ на основании номограммы (фиг.2).

Из общей характеристики качества (паспорта) бензина берут значение плотности при 20°С ρ₄ ²⁰=0,735 г/см³ и величину температуры начала кипения Тнк=35°С. На основании этих величин по формуле рассчитывают коэффициент испаряемости К=25,5, по которому согласно номограмме устанавливают давление насыщенных паров бензина Р=68,3 кПа. Для этого на шкале коэффициентов испаряемости отмечают точку на 25,5, из которой проводят горизонтальную прямую до пересечения со шкалой давления насыщенных паров в точке, соответствующей Р=68,3 кПа. Для автомобильного бензина марки АИ-93 норма по ГОСТ Р 513-99 составляет 35-100 кПа. Таким образом, определенное по заявляемому способу давление насыщенных паров находится в пределах установленной нормы, что указывает на кондиционность контролируемого бензина.

Следовательно, заявляемый способ определения величины давления насыщенных паров авиационного или автомобильного бензина является новым (авторам не известна совокупность заявляемых признаков, когда одновременно замеряют плотность при 20°С (ρ₄ ²⁰) и температуру начала кипения (Тнк) бензина при атмосферном давлении), расширяет перечень способов определения ДНП, сокращая при этом затраты за счет отказа от использования дорогостоящего прибора.

Способ определения давления насыщенных паров авиационных и автомобильных бензинов, включающий измерение плотности бензина при 20°С, отличающийся тем, что замеряют температуру начала кипения авиационного или автомобильного бензина при атмосферном давлении, а давление насыщенных паров бензина рассчитывают по следующей зависимости:

где Р - давление насыщенных паров анализируемого бензина, кПа;

K₁=157,3 и K₂=3,46 - постоянные коэффициенты, полученные экспериментально;

ρ₄ ²⁰ - плотность анализируемого бензина при 20°С, г/см³;

Т_нк - температура начала кипения бензина, °С.