Практикум. 
Химия нефти и газа

Лабораторная работа № 3. Многокомпонентный состав нефти

Определение содержания воды. В зависимости от природы нефтепродукта применяют различные способы определения наличия воды. Присутствие воды в светлых нефтепродуктах: бензине, керосине, реактивных и дизельных топливах, бензоле и т. д. определяют по способу Клиффорда. Для определения воды в смазочных маслах и других темных нефтепродуктах используют пробу на «потрескивание». Количественное содержание воды в нефтепродуктах определяют по способу Дина и Старка. Этот метод наиболее доступен и достаточно точен.

Качественное определение влаги по способу Клиффорда. Испытуемый продукт встряхивают в делительной воронке с сухим марганцовокислым калием. При наличии влаги образуется быстро исчезающая слабо-розовая окраска.

Проба на потрескивание. В тщательно вымытую и просушенную теплым воздухом стеклянную пробирку длиной 120— 150 мм и диаметром 10—15 мм наливают слой испытуемого продукта высотой 80—90 мм. Пробирку закрывают пробкой, в отверстие которой вставляют термометр со шкалой 0—200°С таким образом, чтобы шарик его находился на равных расстояниях от стенок пробирки и на высоте 20—30 мм от дна пробирки. Для нагревания пробирки с маслом используют баню, которая представляет собой цилиндрический сосуд диаметром 100 мм и высотой 90 мм. На расстоянии 10 мм от дна бани прикреплен металлический круг, в котором имеются два отверстия для термометра и пробирки (рис. 10). Баню наполняют на высоту 80 мм минеральным маслом с температурой вспышки не ниже 240 °C и нагревают до 175±5°С. Пробирку с испытуемым продуктом вставляют вертикально в нагретую баню и наблюдают за ней несколько минут (до достижения температуры в пробирке 150°С). При наличии в испытуемом продукте влаги он начинает пениться, слышится треск, пробирка вздрагивает, а капли продукта на стенках верхней части пробирки мутнеют.

Выполнение определения содержания воды по методу Дина и Старка (ГОСТ 2477—65)

Наиболее простым и достаточно точным методом количественного определения воды является способ Дина и Старка, основанный на отгонке воды из смеси испытуемого продукта с безводным растворителем. В качестве растворителя применяют бензин, от которого отогнаны фракции, кипящие до 80 °C, лигроин, толуол, бензол и др. Перед употреблением растворитель обезвоживают и профильтровывают. Для обезвоживания растворитель взбалтывают с высушенным и охлажденным сульфатом натрия. Смесь оставляют на несколько минут при температуре не выше 20 °C, а затем фильтруют.

Прибор (рис. 11, а) состоит из круглодонной металлической или стеклянной колбы 1 емкостью 500 мл, холодильника 3, приемника-ловушки 2, представляющего собой градуированную цилиндрическую пробирку емкостью 10 мл с конической нижней частью (рис. 11, б). Общая длина ловушки составляет 150—200 мм, диаметр цилиндрической части 15 мм. Приемник градуирован от 0 до 1 мл через каждые 0,5 мл, а от 1 до 10 мл через каждые 0,2 мл. Для лучшего стока конденсирующихся паров трубка холодильника срезана под острым углом к оси трубки.

В предварительно промытую и просушенную в сушильном шкафу колбу прибора помещают 100 г нефтепродукта, взвешенного на технических весах с точностью 0,1 г, и прибавляют 100 мл обезвоженного и профильтрованного растворителя. Затем в колбу опускают несколько кусочков кипятильников — неглазурованного фаянса, пемзы или стеклянные капилляры, запаянные с одного конца, для предотвращения толчков при нагревании. Холодильник укрепляют в приемнике-ловушке так, чтобы косо срезанный конец его находился против отводной трубки приемника.

Колбу и холодильник устанавливают на штативе, в рубашку холодильника пускают воду и нагревают колбу таким образом, чтобы из конца трубки холодильника падало 2—4 капли в 1 с. Конденсирующиеся в холодильнике пары стекают в пробирку, вода собирается в ее нижней части. Иногда в конце определения в трубке холодильника задерживаются капли воды; их смывают кратковременным сильным кипячением, а если это не помогает, то их сталкивают на дно градуированной пробирки приемника медной или стеклянной палочкой с надетым на ее конец кусочком каучуковой трубки. Перегонку продолжают до тех пор, пока уровень воды в пробирке не перестанет изменяться в течение часа. Если при этом растворитель имеет мутный вид, то пробирку выдерживают 30 мин в водяной бане с температурой 60—70°. Прозрачный растворитель охлаждают и определяют содержание воды. Содержание воды в весовых процентах (W) вычисляют по формуле.

где v — объем воды в приемнике-ловушке, мл; g — навеска продукта, г.

Содержание воды в объемных процентах (W1) рассчитывают по формуле.

.

где с — плотность испытуемого продукта при температуре опыта, г/см3. Разница между двумя параллельными определениями не должна превышать 0,2 мл. Если количество воды меньше 0,025 мл (половины нижнего деления ловушки), то считают, что вещество содержит следы воды.

Определение содержания серы в моторном топливе

Проба на медную пластинку. Определения проводят для того, чтобы предотвратить применение топлива, которое может оказать разрушающее действие на металл в карбюрационной и топливоподающей системе двигателя внутреннего сгорания. Испытания производят при температуре 50 °C, так как она соответствует условиям применения топлива.

Пробирку диаметром 15 и длиной 150 мм заливают испытуемым продуктом до высоты 60 мм. Щипцами опускают в нее медную пластинку длиной 40, шириной 10 и толщиной 2 мм. Пластинку изготовляют из электролитической меди, очищенной шлифовальной шкуркой. Новые пластинки промывают 96%-ным раствором спирта, а затем серным эфиром и подсушивают фильтровальной бумагой. Пробирку закрывают плотно пригнанной корковой пробкой и устанавливают в штативе, который помещают в водяную баню при температуре 50±2°. Через 3 ч пластинку вынимают из пробирки и промывают в фарфоровой чашке ацетоном или спиртово-бензольной смесью. Если пластинка покрылась налетом любого цвета или пятнами, продукт считается не выдержавшим испытания. Каждый образец испытывают не менее двух раз.

Для определения содержания серы в светлых нефтепродуктах наиболее распространен ламповый метод.

Выполнение определения содержания серы ламповым методом. Сущность лампового метода заключается в полном сжигании испытуемого продукта, улавливании продуктов горения и определении в них образовавшегося оксида серы (V). SO2 улавливают раствором карбоната натрия:

SO2 + Na2CO3 Na2SО3 + СО2 ^.

Избыток карбоната натрия оттитровывают соляной кислотой. По количеству вступившего в реакцию карбоната натрия вычисляют содержание серы.

Данный метод определения содержания серы является одним из самых точных, так как при этом методе достигается фиксация всей серы, применяется сравнительно большая навеска испытуемого продукта, что значительно уменьшает погрешность при проведении испытания.

Схема прибора для количественного определения содержания серы ламповым методом приведена на рис. 12. Прибор состоит из лампочки, лампового стекла 2, адсорберов 3 (поглотителей продуктов сгорания) и брызгоуловителя 4. Лампочкой служит плоскодонная колба из тонкого стекла, закрытая корковой пробкой с отверстием для стеклянной трубки, через которую пропущен фитиль 5 из хлопчатобумажных нитей. При определении используются: 1) соляная кислота, 0,05 н. раствор; 2) карбонат натрия, 0,3%-ный раствор; 3) бензин бессернистый (содержание серы не более 0,005%); 4) эфир петролейный.

Перед сборкой прибора тщательно промывают все его части дистиллированной водой, а фитиль и лампочки — петролейным эфиром. Фитиль и лампочки после промывки тщательно высушивают. Большие сосуды адсорбера заполняют на? высоты стеклянными палочками или бусами, которые предварительно промывают дистиллированной водой и высушивают. В адсорберы при помощи бюретки заливают по 10 мл раствора карбоната натрия и по 10 мл дистиллированной воды.

В лампочку приливают 4—5 мл испытуемого малосернистого низкокипящего продукта или 1,5—3 мл сернистого и высококипящего продукта и закрывают пробкой с фитилем. Нижний конец фитиля укладывают по окружности дна лампочки. После того как фитиль пропитается испытуемым продуктом, наружный конец его срезают заподлицо с верхним краем фитильной трубки, лампочку зажигают, устанавливают высоту пламени, равную 5—6 мм, затем пламя гасят, лампочку прикрывают специальным стеклянным колпачком для предотвращения потерь от испарения и взвешивают на аналитических весах с точностью до 0,004 г.

Таким же образом заполняют испытуемым продуктом вторую лампочку, в третью же наливают этиловый спирт. Затем колбу Бунзена соединяют при помощи вакуумной трубки с водоструйным насосом, и в горло колбы через резиновую трубку вставляют отросток трехотводного стеклянного паука. Конец паука соединяют при помощи вакуумной трубки с брызгоуловителями, последние с адсорберами, установленными на деревянных подставках, а адсорберы — с ламповыми стеклами. На резиновые трубки между колбой Бунзена и насосом и между брызгоуловителями и пауком надевают винтовые зажимы.

После этого пускают в ход вакуум-насос, зажигают лампочку пламенем, не содержащим соединений серы (применение спичек запрещается), и регулируют длину фитиля, высоту пламени и скорость просасывания воздуха с таким расчетом, чтобы сгорание продукта было полным и чтобы вся двуокись серы успевала поглощаться раствором карбоната натрия. Испытание считается законченным, когда сгорит весь испытуемый продукт. После сжигания продукта в лампочку наливают 1—2 мл бессернистого бензина и сжигают полностью. Затем лампочки гасят, накрывают их колпачками и через 3—5 мин выключают насос. Прибор разбирают, брызгоуловители, ламповые стекла и верхние части адсорберов тщательно промывают струёй дистиллированной воды из промывалки, промывные воды собирают в соответствующий адсорбер.

К раствору в адсорбере приливают 1—2 капли метилового оранжевого и титруют непрореагировавший карбонат натрия 0,05 н. раствором НС1. Вначале титруют раствор из адсорбера контрольного опыта, а затем из адсорберов после сжигания анализируемого продукта. Содержание серы xS в анализируемом нефтепродукте (в весовых процентах) вычисляют по формуле.

.

где v1 — количество 0,05 н. раствора соляной кислоты, затраченное на титрование контрольного опыта, мл; v2 — количество 0,05 н. раствора соляной кислоты, затраченное на титрование раствора в адсорберах после сжигания анализируемого продукта, мл; K — поправочный коэффициент к 0,05 н. раствору соляной кислоты; 0,0008 — количество серы, соответствующее 1 мл точно 0,05 н. раствора соляной кислоты, г; g — навеска анализируемого нефтепродукта, г.

Определение минеральных кислот и щелочей в жидких нефтепродуктах.

Выполнение определения. В чистую делительную воронку емкостью 250—300 мл наливают 50 мл дистиллированной воды, нагретой до 70—80°С, и 50 мл нефтепродукта, взятого из тщательно размешанной в течение 3 мин исходной пробы. Содержимое воронки энергично взбалтывают 5 мин, после чего смеси дают расслоиться. После расслоения часть нижнего водного слоя спускают в две пробирки. В одну из них приливают две капли 0,02%-ного водного раствора метилового оранжевого, а в другую — три капли 1%-ного спиртового раствора фенолфталеина. В присутствии кислоты раствор в первой пробирке приобретает розовую окраску, в присутствии щелочи раствор во второй пробирке окрашивается в малиновый цвет. Если при смешении нефтепродукта с водой образуется стойкая эмульсия, то испытания повторяют, но не с чистой водой, а со спиртово-водной смесью (1:1), предварительно нагретой до 50 °C. При определении кислотного числа используют реактивы: 1) спирт этиловый, 95% раствор; 2) эфир серный; 3) КОН, 0,05 н. спиртовой раствор; 4) фенолфталеин. Выполнение определения. В тарированной конической колбе взвешивают около 1,5 г вещества (нефти) с точностью до 0,0002 г. Навеску растворяют в 25 мл свеженейтрализованного этанола и добавляют несколько капель фенолфталеина. Раствор титруют 0,05 н спиртовым раствором КОН до слабо-розовой окраски, не исчезающей в течение нескольких минут. Кислотное число (КЧ) находят по формуле.

где g — навеска, г; V — объем раствора КОН, пошедшего на титрование, мл; ТКОН — титр раствора КОН, мг/мл. Если нет полного растворения, то можно использовать для растворения смесь этанола с эфиром (1:1). При анализе темных нефтепродуктов удобно проводить потенциометрическое титрование.

Содержание механических примесей в нефтепродуктах определяют весовым методом.

Выполнение определения. Гладкий бумажный беззольный фильтр марки «красная полоса» диаметром 10—11 мм помещают в бюкс с крышкой и высушивают до постоянной массы в термостате при температуре 105—110°С. Фильтр взвешивают вместе с бюксом с точностью до 0,0002 г. Пробу испытуемого нефтепродукта тщательно перемешивают в течение 5 мин. Затем 100 г пробы взвешивают в высоком стакане с носиком на технических весах с точностью до 0,1 г и разбавляют двух-, четырехкратным количеством растворителя (бензин или бензол). Смесь нефти или нефтепродукта с растворителем тщательно перемешивают и фильтруют через подготовленный фильтр, вложенный в стеклянную воронку. Сгустки нефтепродукта или твердые примеси, приставшие к стенкам колбы, снимают стеклянной палочкой с резиновым наконечником, с которого затем чистым растворителем смывают эти частицы на фильтр. Стакан и фильтр промывают растворителем до тех пор, пока растворитель не будет совершенно прозрачным и бесцветным. Затем фильтр снимают с воронки, помещают в тот же бюкс и сушат в термостате при температуре 105— 110 °C до постоянной массы. Процентное содержание механических примесей х рассчитывают по формуле.

где а — масса механических примесей, г; g — масса анализируемого продукта, г.

Определение йодного числа. Спиртовой раствор йода прибавляют в избытке, который затем оттитровывают раствором тиосульфата натрия. Используют реактивы: 1) спирто-эфирная смесь (1: 1 по объему); 2) иод, 0,2 н. раствор в спирте; 3) тиосульфат натрия, 0,1 н. раствор; 4) индикатор крахмал.

Навеску вещества около 0,1—0,2 г, взятую с точностью до 0,0002 г, помещают в сухую коническую колбу емкостью 500 мл с притертой стеклянной пробкой или хорошо подогнанной резиновой. В колбу вносят 10 мл спирто-эфирной смеси и слегка перемешивают до полного растворения вещества. После растворения вещества добавляют 20 мл 0,2 н. спиртового раствора иода, перемешивают и быстро вливают 250 мл дистиллированной воды, колбу плотно закрывают пробкой и, придерживая ее рукой, энергично встряхивают, и сразу же титруют избыточный йод 0,1 н. раствором тиосульфата натрия. Первые 10—15 мл раствора тиосульфата натрия титруют быстро, а затем с обычной для тиосульфата скоростью. Под конец титрования прибавляют 2—3 мл 1%-ного раствора крахмала и титруют при энергичном встряхивании до полного исчезновения синей окраски. Параллельно ставят контрольный опыт с теми же реактивами и в тех же условиях, что и основной опыт, но без анализируемого вещества. 3атем вычисляют йодное число:

ИЧ =.

где v1 — количество 0,1 н. раствора тиосульфата натрия, израсходованное на титрование контрольного опыта, мл; v2 — количество 0,1 н. раствора тиосульфата натрия, израсходованное на титрование основного опыта, мл; ТNa2S2O3/I2 — титр тиосульфата натрия по йоду, г; g— навеска исследуемого вещества, г.

Пример. Навеска вещества 0,1000 г. На титрование контрольной пробы израсходовано 49,8 мл 0,1 н. раствора тиосульфата натрия, на титрование навески — 39,8 мл. Коэффициент поправки к 0,1 н. раствору Na2S2O3 равен 1. Вычислить йодное число.

ИЧ = г.

Бромное число. Используются реактивы: 1) бром, 0,1 н. раствор; 2) тиосульфат натрия, 0,1 н. раствор; 3) йодистый калий, 10%-ный раствор (свежеприготовленный); 4) крахмал. Выполнение определения. Навеску исследуемого вещества около 0,1—0,2 г, взятую с точностью до 0,0002 г, помещают в коническую колбу с притертой пробкой, приливают пипеткой 25 мл 0,1 н. раствора брома, плотно закрывают пробкой и оставляют в темном месте на 30 мин. Затем добавляют 10 мл 10%-ного раствора йодистого калия, перемешивают и титруют выделившийся йод 0,1 н. раствором тиосульфата натрия. Перед окончанием титрования добавляют раствор крахмала и титруют до исчезновения синей окраски раствора. Параллельно ставят контрольный опыт. Бромное число (БЧ) вычисляют по формуле.

БЧ = ,.

где v1 — количество 0,1 н. раствора тиосульфата натрия, израсходованное на титрование контрольного опыта, мл; v2 — количество 0,1 н. раствора тиосульфата натрия, израсходованное на титрование основного опыта, мл; ТNa2S2O3/Br2 — титр тиосульфата натрия по брому, г; g— навеска исследуемого вещества, г.