Задачи по химмотологии и физикохимии Горюче-смазочных материалов (стр. 7 )

2 Определите тепловой эффект процесса изомеризации по закону Гесса:

. (19)

3 Рассчитайте измерение энтропии процесса изомеризации по формуле:

. (20)

4 Вычислите изменение энергии Гиббса процесса, используя уравнение:

, (21)

где Т – температура, К.

5 Рассчитайте константу равновесия (Кс) процесса изомеризации по формуле:

или ,  (22)

где Т –  температура, К;

R – универсальная газовая постоянная, R = 8,31 Дж/(моль·К).

6 Из расчетной величины Кс и условия о равенстве единице долей компонентов найдите содержание каждого компонента:

.

Обозначим концентрацию продукта x, а концентрацию реагента (1-x), тогда:

, x = Kc (1-x).

7 Октановое число является аддитивной величиной, поэтому ее можно определить по формуле:

,

где ОЧ(1), ОЧ(2) – октановые числа компонентов смеси;

А, В – содержание компонентов в смеси, условно выраженные в массовых процентах.

8 Какой процесс называется изомеризацией и какова его практическая значимость?

8 Пенообразование в гидравлических жидкостях

Смазочные масла классифицируют по способу получения и назначению (моторные, индустриальные, компрессорные, гидравлические, турбинные и другие).

Смазочные масла любого назначения должны иметь общие основные свойства:

1) надежно выполнять свои функции в широком диапазоне рабочих условий (нагрузок, температур, скоростей);

2) минимально изменять свойства при внешних воздействиях в условиях хранения и использования;

3) не влиять на контактирующие с ними материалы;

4) обладать приемлемыми экологическими свойствами.

В гидравлических устройствах машин в качестве рабочего тела используют гидравлические масла. Функции этих жидкостей заключаются в передаче мощности, смазывании контактирующих деталей, отведении тепла, удалении механических загрязнений.

В процессе работы машин и механизмов происходят существенные химические и физические изменения масел, затрагивающие их состав и свойства, что сопровождается нарушением эксплуатационных свойств масел.

Гидравлические жидкости растворяют газы. Наличие пузырьков диспергированных газов часто является причиной плохого функционирования гидросистемы, выражающегося в дополнительной потере мощности, уменьшении плавности работы механизмов, усилении кавитационной коррозии, возрастании сжимаемости жидкости и т. п.

В результате снижения давления в гидравлической жидкости выделяются пузырьки газов. Этому явлению способствует вибрация стенок емкостей. Пузырьки газов, находящиеся в жидкости, изменяют ее вязкость. Образуется пена, свойства которой зависят от размеров пузырьков газа, содержания ПАВ, вязкости и плотности жидкости.

Стабилизация пены происходит благодаря адсорбции поверхностно-активных веществ (ПАВ) на поверхности пузырьков. Свойствами ПАВ обладают продукты окисленных масел и топлив, а также многочисленные присадки. Ориентированные слои ПАВ на границе раздела «масло–воздух» препятствуют вытеканию жидкости из пленки пузырьков. Подобное тормозящее действие оказывают диспергированные асфальтены, нагар, нерастворимые продукты износа (оксиды, соли). Диспергированные частицы также захватываются внутрь масляной пленки пузырьков и замедляют вытекание из них жидкой фазы. Одновременно усиливается окисление в пленках пены, легко проницаемых для кислорода воздуха.

Таким образом, в результате выделения пузырьков газа и перетекания жидкости в емкостях и трубопроводах может образоваться пена. Вспенивание может привести к потерям масла, а также нарушению нормальной работы смазочной системы. Способность жидкости к выделению пузырьков газа характеризуется склонностью к пенообразованию, выражаемому объемом выделяемой пены в определенных условиях.

Пены – дисперсные системы типа «газ–жидкость», в которых дисперсной фазой (раздробленная часть системы) является газ, а дисперсной средой (непрерывная часть системы) – жидкость.

Так как масса и объем дисперсной фазы непостоянны и меняются, то общее объемное содержание дисперсной пены характеризуется кратностью пены в.

Кратность пены в показывает, во сколько раз объем пены превышает объем жидкости, необходимой для ее формирования. Она вычисляется по формуле:

, (23)

где Vж – объем жидкости, необходимой для формирования пены, м3;

Vn – объем пены, м3.

Число пузырьков в объеме жидкости рассчитывается по формуле:

,         (24)

где V/ – объем пузырька газа, м3;

d – диаметр пузырька, нм;

π = 3,14.

Свойства пены определяются свойствами дисперсной фазы и дисперсной среды, величиной поверхности раздела фаз между ними.

Поверхность раздела фаз «газ–жидкость» вспененного гидравлического масла можно определить по формуле:

, (25)

где В/ – поверхность одного пузырька, м2;

n – число всех пузырьков в пене;

d – диаметр пузырька, нм;

Так как масла должны обеспечивать гидродинамический режим трения, то их важнейшим показателем является вязкость. Устойчивость пены существенно зависит от вязкости масел и топлив. Маловязкие масла и топлива образуют пену, содержащую крупные пузыри, которые быстро разрушаются. Напротив, в вязких маслах и дизельных топливах возникает тонкодисперсная пена, обладающая устойчивостью.

Зависимость вязкости жидкости от содержания в ней растворенных газов выражается формулой:

η = η0⋅(1 + 0,0015 ⋅ β), (26)

где η – динамическая вязкость жидкости, содержащей пузырьки газа, Па⋅с;

η0 – динамическая вязкость жидкости, без пузырьков газа, Па⋅с;

β – кратность пены, %.

Динамическая вязкость невспененной гидравлической жидкости связана с кинематической вязкость соотношением:

, (27)

где ν – кинематическая вязкость (указывается в паспорте смазочных материалов), мм2/с (Ст);

ρ – плотность масла, г/см3.

Для минимизации физических и химических изменений состава и свойств в процессе эксплуатации в смазочные масла вводят специальные вещества или их композиции. Наиболее распространены и многочисленны в качестве присадок органические маслорастворимые добавки. В настоящее время используется более 120 органических соединений различного назначения.

По функциональному действию присадки разделяют на антиокислительные, вязкостные, моюще-диспергирующие, антифрикционные, противоизносные, противопенные и другие. Их вводят в масла в небольших количествах – от долей до нескольких процентов по массе. Для пеногашения топлив и масел используют вещества с большой поверхностной активностью. Пеногасители вытесняют ПАВ из поверхностного слоя, не образуя прочных поверхностных структур.

В гидравлические масла добавляют противопенные присадки, уменьшающие склонность масел к пенообразованию, особенно при аэрации, а также в процессе эксплуатации. Противопенными присадками являются силоксаны. Это кремнийорганические соединения – жидкости полимерной природы со сравнительно небольшой молекулярной массой (500–25000 а. е.м.). К их числу относят силанолы.

Силанолы R3SiОН, R2Si(ОН)2 и RSi(ОН)3 (где R – незамещенные или замещенные алкилы, арилы, например триметилсиланол (CH3)3SiОН, трифенилсиланол (C6H5)3SiОН, дифенилсиландиол (C6H5)2Si(ОН)2). Стабильность силанолов тем выше, чем меньше число ОН-групп и чем больше длина органических радикалов. При конденсации силанолов образуются органосилоксаны (силоксаны). Силоксаны содержат в молекуле группы Si-O-Si и органические радикалы у атомов кремния (Si).

Задание

Определите динамическую вязкость вспененного масла или топлива, если известна его кинематическая вязкость, объем пены и объем жидкости топлива или масла (табл. 12). Укажите причины пенообразования в маслах, топлива, гидравлических жидкостях и негативные последствия этого явления. Предложите условия снижения пенообразования.

1 Вычислите кратность пены cмазочных масел по формуле (23), топлив различного назначения в соответствии с вариантом задания (табл. 12).

2 Определите число пузырьков n в указанном объеме жидкости по (24).

3 Рассчитайте площадь B (см2) поверхности раздела фаз «газ–жидкость» вспененного гидравлического масла по формуле (25).

4 По формуле (27) определите динамическую вязкость невспененного масла или топлива (в Па⋅с), учитывая его кинематическую вязкость (перевести значение кинематической вязкости из сСт в Па⋅с, а значение плотности – в кг/м3).

5 Вычислите динамическую вязкость жидкости (Па⋅с) после ее вспенивания по формуле (26) и сравнить ее с вязкость невспененной жидкости.

6 Сделайте вывод на основе полученных результатов расчетов. Поясните, как влияет величина поверхности раздела фаз «газ–жидкость» В на динамическую вязкость топлив и масел и их эксплуатационные свойства.

7 Обсудите полученный результат. Может ли масло (топливо) с данным значением динамической вязкости использоваться в гидравлической системе?

8 Укажите причины пенообразования в маслах, топливах, гидравлических жидкостях и негативные последствия этого явления. Предложите меры по устранению (или снижению) вспенивания масел и топлив.

Таблица 12

№	Объем пены, см3	Объем жидкости, см3	Диаметр пузырька, мкм	Кинематическая вязкость масла, сСт	Плотность масла, г/см3	Тип масла
1	300	6000	100	1,5	0,800	Т-1
2	350	6200	110	1,25	0,775	ТС-2
3	370	6000	115	1,05	0,755	Т-2
4	100	5500	55	5,0	0,845	Т-5
5	120	4000	62	4,5	0,840	Т-6
6	150	3000	80	1,25	0,775	Т-7
7	100	5000	25	8,3	0,865	12Н 72-78
8	60	6000	20	23,0	0,860	МС-8
9	30	6000	8	440,0	0,905	МТС
10	40	4000	15	42,0	0,845	РN 12Н 101-87

Масла Т-1…Т-7 – реактивные топлива; 12Н 72-78 – дизельное топливо; МС-8 38-1-187-88, МТС  38-1-187-88 – специальные синтетические масла.

Библиографический список

Савенкова, работы по физико-химии горюче-смазочных материалов / , , . –Ростов н/Д: РГУПС, 2002. – 52 с. Леффлер, нефти / . – М.: Олимп-бизнес, 2003. – 224 с. Кульчицкий, автомобильных и тракторных двигателей / . – М.: Академический проект, 2004. – 400 с. Справочник по триботехнике / под ред. М. Хебды, . – М.: Машиностроение, 1990. – 416 с. Виленский, -химические основы инженерной химии на железнодорожном транспорте. Ч. 1. / . – Ростов н/Д: РГУПС, 1993. – 105 с. Виленский, -химические основы инженерной химии на железнодорожном транспорте. Ч. 2. / . – Ростов н/Д: РГУПС, 1995. – 101 с.