Способ определения наличия противоизносной присадки "Хайтек 580" в топливе для реактивных двигателей Российский патент 2023 года по МПК G01N21/00 

Изобретение относится к области контроля качества топлив для реактивных (далее ТРД) двигателей с применением ИК-спектроскопии на основе преобразования Фурье, преимущественно для определения присадок, в частности наличия противоизносной присадки «Хайтек 580» и может найти применение в аналитических лабораториях, лабораториях предприятий нефтепродуктообеспечения.

Применение противоизносных присадок в составе топлив для реактивных двигателей (далее, топлив) позволяет уменьшить износ пар трения топливорегулирующей аппаратуры (ТРА). Учитывая важность противоизносных свойств топлива в обеспечении надежности ТРА, существуют методы определения концентрации противоизносной присадки с помощью РЖ-спектроскопии

Известно, что при эксплуатации реактивных двигателей применяются топлива, содержащие противоизносные присадки, позволяющие наиболее эффективно бороться с износом пар трения ТРА. Основными действующими компонентами присадок являются мономеры и димеры карбоновых кислот (линолевой, линоленовой, олеиновой и др.). Наиболее распространенной присадкой для ТРД является «Хайтек 580». Выпускается компанией Afton. Это не содержащая фосфора противоизносная присадка, представляет из себя прозрачную янтарную маслянистую жидкость плотностью 0,92 г/мг и температурой застывания -18°С (интернет-сайт https://neftregion.ru/obyavleniya/nefteprodukty/protivoiznosnaya-prisadka-Afton-Hitec-580, 13.01.2023), является многокомпонентной смесью, основным действующим веществом которой является димер линолиевой кислоты. В топлива для реактивных двигателей ее вводят в количестве 0,002-0,004% (ТУ 38.01237-90)

На практике не всегда необходимо определять количественное содержание присадки в ТРД, так с целью подтверждения заправки летательного аппарата необходимым, заявленным в инструкции топливом требуется установление его принадлежности к той или иной марке, что особенно востребовано в процессе расследования летных происшествий, учитывая недостаточность пробы ТРД. Для этого часто необходимо лишь определить наличие или отсутствие противоизносных присадок, причем объем анализируемого топлива не всегда достигает 1000 см³.

В настоящее время авторами не обнаружено методов, позволяющих определить наличие присадки в минимальном количестве пробы топлива (допустимое минимальное количество - 50 см³).

Перед авторами стояла задача разработать надежный оперативный способ определения наличия противоизносной присадки «Хайтек 580» в ТРД, который мог бы быть реализован на имеющемся в лаборатории оборудовании, был бы малозатратен, с короткими временем проведения испытаний и потребности пробы в допустимом минимальном размере.

При проведении исследований качества ТРД было выявлено, что определяя фактические смолы, (метод необходим для оценки качества ТРД) получают смолистый остаток, который более не используют (отходы эксперимента). Проведя исследования смолистого остатка доступными методами, даже в малом количестве были обнаружены следы противоизносной присадки «Хайтек 580», что стало предпочтительным требованием разработки способа определения противоизносной присадки «Хайтек 580».

При анализе патентной информации и научно-технической литературы были выявлены технические решения, частично решающие поставленную задачу.

Известен способ определения содержания противоизносных присадок на основе жирных кислот в дизельных топливах, которые определяют с помощью ИК-спектроскопии, заключающимся в разделении пробы с использованием твердофазной экстракции, в качестве элюента - этанол, и ИК-спектрометрирование на волновом числе 1710 см^-1. Определение количества противоизносной присадки на основе жирных кислот осуществляется по градуировочному графику. (RU 2723974)

Предложенный метод требует больших временных затрат за счет проведения длительных сложных аналитических операций - использование более трех видов растворителей.

Известен также способ определения наличия депрессорных присадок в дизельных топливах, включающий внесение катализатора - водно-аммиачного раствора Cu(II) в пробу дизельного топлива в указанном соотношении, перемешивании и выдерживании при температуре 40÷60°С в течение 50±10 с, охлаждении до комнатной температуры и оценивании результата по помутнению раствора. (RU 2199738)

Однако, этот способ имеет ограничение. Он применим только для определения депрессорных присадок.

Наиболее близким по технической сущности и взятым за прототип является способ определения количества присадок "Хайтек-580" и "Агидол-1" в топливах для реактивных двигателей, включающий отбор пробы, измерение оптической плотности и последующий расчет концентрации присадки, которую разделяют на две равные части, одну из которых перед спектрофотометрированием выпаривают под вакуумом 0,5 МПа, постепенно нагревая до 214±0,5°С и замеряя текущее значение объема пробы, после достижения которого 5-10 см³ замеряют оптическую плотность остатка пробы на полосе поглощения 1711,32 см^-1 и фиксируют ее значение, равное длине отрезка от пика спектра до точки пересечения с базовой линией, проведенной между минимальными значениями оптической плотности остатка пробы на полосах поглощения 1761,68 см^-1 и 1699,0 см^-1, после чего рассчитывают количество присадки Хайтек-580 по математической зависимости с использованием оптической плотности и экспериментально полученных коэффициентов; а другую часть пробы топлива подвергают экстракции и определяют в ней по расчетной формуле с использованием коэффициента экстракции и эмпирических коэффициентов суммарное содержание двух присадок; а количество присадки Агидол-1 оценивают по разности двух расчетных величин двух концентраций. (RU 2593767 -прототип)

Недостатком указанного способа - прототипа является большое количество подготовительных операций, значительная продолжительность проведения испытания (более трех часов), использование большого объема пробы (не менее 1000 см³), что не всегда на практике возможно. В особых случаях количество топлива, подлежащего анализу составляет менее 100 см³.

Технический результат изобретения - расширение номенклатуры способов определения наличия противоизносной присадки «Хайтек 580» в ТРД с одновременным повышением оперативности при минимальном объеме пробы для испытания.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе определения наличия противоизносной присадки «Хайтек 580» в топливе для реактивных двигателей, включающий отбор пробы и снятие РЖ-спектра в диапазоне от 1800 до 1600 см^-1, согласно изобретению снятие РЖ-спектра осуществляют с полученного во время испытания анализируемого топлива на аппарате для выпаривания пробы в струе воздуха смолистого остатка, который предварительно порциями промывают до момента визуального контроля чистоты стакана спирто-толуольной смесью, взятой в соотношении 1:4, перенося продукты смыва на кристалл приставки РЖ-спектрофотометра, удаляя растворитель до получения суммарного смолистого остатка, а о наличия присадки судят по совпадению или различию профилей спектров в заданном диапазоне с результатами испытаний искусственно приготовленных стандартных образцов топлива с противоизносной присадкой «Хайтек 580».

На фиг. 1 представлен фрагмент РЖ-спектра смолистых остатков стандартных образцов ТРД без противоизносной присадки Хайтек 580 из базы данных РЖ-Фурье Nicolet 6700;

фиг. 2 - фрагмент РЖ-спектра смолистых остатков стандартных образцов ТРД, содержащих противоизносную присадку Хайтек 580 из базы данных РЖ-Фурье Nicolet 6700;

фиг. 3 - фрагмент РЖ-спектров смолистых остатков ТРД, содержащего присадку Хайтек 580, и присадки Хайтек 580 из базы данных РЖ-Фурье спектрометра Nicolet 6700;

фиг. 4 - фрагмент ИК-спектров стандартных образцов ТРД и поступившего на испытание из базы данных ИК-Фурье спектрометра Nicolet 6700;

фиг. 5 - Фрагмент РЖ-спектра стандартных образцов ТРД и поступившего на испытание из базы данных РЖ-Фурье спектрометра Nicolet 6700.

Для пояснения реализации способа и подтверждения технического результата приняты следующие условные обозначения:

1 - РЖ-спектр стандартного образца ТРД без противоизносной присадки Хайтек 580

2 - РЖ-спектр стандартного образца ТРД без противоизносной присадки Хайтек 580

3 - РЖ-спектр стандартного образца ТРД без противоизносной присадки Хайтек 580

4 - РЖ-спектр стандартного образца ТРД с содержанием противоизносной присадки Хайтек 580 0,0031%

5 - РЖ-спектр стандартного образца ТРД с содержанием противоизносной присадки Хайтек 580 0,0035%

6 - РЖ-спектр стандартного образца с содержанием противоизносной присадки Хайтек 580 0,0028%

7 - РЖ-спектр противоизносной присадки Хайтек 580

8 - РЖ-спектр образа (пример 1)

9 - РЖ-спектр образа (пример 2)

а - величина интенсивности поглощения (пример 1)

б - величина интенсивности поглощения (пример 2)

Полученные стандартные образцы использованы для подтверждения технического результата, разработанного нового способа определения наличия противоизносной присадки «Хайтек 580» в топливе для реактивных двигателей. Состав образцов, представленных выше, сведены в таблицу 1. Приготовленные образцы прошли испытания по использованию в заявляемом способе и были внесены в базу данных РЖ-спектрофотометра (фиг 1, 2). Определение наличия противоизносной присадки «Хайтек 580» достигалась путем фиксации областей поглощения, характерных для функциональных групп (СОО-) (Фиг. 3 спектр 7). На фиг. 1 и 2 явно прослеживаются отличия в высоте пика в области 1711 см^-1, что говорит о возможности определения наличия противоизносной присадки «Хайтек 580» в диапазоне как в прототипе.

Использование остатка, полученного во время испытания анализируемого топлива на аппарате для выпаривания пробы в струе воздуха в совокупности с выбранным растворителем позволило частично достичь технического результата. В качестве растворителя использовалась широко известная спитрто-толуольная смесь, однако потребовалось провести исследования по подбору соотношения этих двух компонентов (таблица 2). Смесь для растворения смолистого остатка на стенках стеклянного стаканчика должна растворять как алифатические, так и ароматические углеводороды. Исходя из этих требований использовали смесь спирта с толуолом. Исследования по подбору растворителя проводились с использованием искусственно приготовленных образцов ТРД (таблица 1) с заведомо известным содержанием или отсутствием противоизносной присадки Хайтек 580. Были приготовлены смеси растворителей с различным их соотношением (таблица 2).

Как видно из результатов таблицы 2 самым эффективным соотношением спирто-толуольной смеси является 1:4, которая растворяет полученный смолистый остаток.

Необходимым и достаточным признаком этого способа является нанесение смыва на кристалл приставки, которые отрабатывали на стандартных образцах, приготовленных в лабораторных условиях (таблица 1). Для этого продукты смыва наносили минимальными порциями на кристалл приставки, контролируя равномерное распределение по всей площади кристалла, растворитель удаляли путем продувки воздуха при комнатной температуре. Объем порций, взятых для испарения на приставке выбирали, исходя из требований нанесения контролируемого объема на кристалл в виде тонкого слоя по всей поверхности этого кристалла. После визуального контроля за испарившимся растворителем (на кристалле остается смолистый остаток) наносили следующую порцию из полученного продукта смыва и так до полного расхода продуктов смыва.

Способ реализуется следующим образом:

Пробу, прошедшую испытания по ГОСТ 32404 на аппарате для выпаривания струей воздуха, извлекают стакан, охлаждают до комнатной температуры, полученный смолистый остаток смывают порциями спирто-толуольной смесью приготовленной в соотношении 1:4, последовательно количественно переносят на поверхность кристалла приставки, удаляя растворитель, снимают ИК-спектр смолистого остатка. Во время этой операции приставка и образец находятся при температуре окружающей среды. Профиль полученного ИК-спектра сравнивают с профилями спектров в диапазонах поглощения функциональных групп, входящих в групповой и индивидуальный состав присадки (от 1800 до 1600 см^-1) с максимумом поглощения приблизительно 1711 см^-1. Профиль полученного РЖ-спектра сравнивают с профилями спектров, внесенными в базу данных средства измерения (Фиг. 1 и 2). Значимыми результатами испытаний образцов топлива на наличие или отсутствие противоизносной присадки «Хайтек 580» признаются результаты, совпадающие или различающиеся в диапазонах поглощения функциональных групп, отвечающих за групповой и индивидуальный состав присадки (от 1800 до 1600 см^-1) с максимумом поглощения около 1711 см^-1 (Фиг. 3), входящие в состав топлива и проявившиеся в спектрах смолистых остатков, соотнесенные с составом и маркой исследуемого топлива.

Пример 1.

Необходимо определить наличие присадки «Хайтек 580» в пробе ТРД (фиг. 4, спектр 8), поступившей на испытание, которая не подлежит определению известным методом, т.к. объем пробы не превышал 150 см³.

Проводят испытание согласно ГОСТ 32404 «Нефтепродукты. Метод определения содержание фактических смол выпариванием струей». Для этого берут 50 см³ пробы ТРД, переносят в стеклянный стакан, который помещают в аппарат для выпаривания струей воздуха на 30 минут, достают, охлаждают до комнатной температуры. Полученный смолистый остаток порционно смывают спирто-толуольным раствором, взятом в соотношении согласно таблице 2 строка 4. Продукты смыва последовательно переносят минимальными порциями на поверхность кристалла приставки, каждую порцию упаривают, удаляя растворитель, продувая потоком воздуха. Сканируют инфракрасный спектр полученного остатка, по совпадению профилей или несовпадению полученного ИК-спектра с профилями спектров, внесенными в базу данных средства измерения (образцы из таблицы 1), судят о наличии или отсутствии присадки в области от 1800 до 1600 см^-1 с максимумом поглощения на полосе 1711 см^-1 (Фиг 4). Как видно на фиг 4 значительное отличие спектра ТРД 1 со спектрами 8 и 4, по высоте пика, интенсивности поглощения (а), с максимумом поглощения 1711 см^-1, что позволяет судить о присутствии противоизносной присадки «Хайтек 580» в полученном на испытания образце.

При сравнении ИК-спектров (фиг. 4) из базы данных прибора 1, 4 с исследуемым образцом 8 в области от 1800 до 1600 см^-1 профиль спектра близок к ИК-спектру образца 4, что является доказательством присутствия противоизносной присадки «Хайтек 580».

Пример 2.

Необходимо доказать отсутствие присадки «Хайтек 580» в пробе (фиг. 5 спектр 9), поступившей на испытание, не подлежащей определению известным методом, т.к. объем пробы не превышал 200 см.

Подготовка и проведения испытания на наличие или отсутствие присадки «Хайтек 580» аналогична примеру 1. Результаты сравнения спектров представлены на фиг. 5. На фиг. 5 четко просматривается различие в профилях спектров 9 и 1 со спектром 4 (интенсивность поглощения образца 9 на полосе 1711 см^-1 близка к интенсивности образца 1 из базы данных прибора), что является доказательством отсутствия противоизносной присадки «Хайтек 580».

Заявляемым способом были проанализированы пробы других топлив, поступивших для контроля за наличием противоизносной присадки «Хайтек 580» в ТРД. Объем этих проб не превышал 400 см.

Таким образом, за счет совокупности изложенных в формуле существенных признаков, заявленное изобретение расширяет номенклуатуру способов определения наличия противоизносной присадки «Хайтек 580». Время определения наличия противоизносной присадки «Хайтек 580» составляет не более 1-1,5 часов, что подтверждает оперативность заявляемого способа при минимально допустимом объеме пробы (50 см³) анализируемого топлива.

Изобретение относится к области исследований материалов с использованием инфракрасного света, в частности к области контроля качества топлив для реактивных двигателей с применением инфракрасной спектроскопии для определения наличия противоизносной присадки «Хайтек 580» в топливе. Технический результат - повышение оперативности контроля при минимальном объеме пробы для испытания. Сущность способа заключается в том, что отбирают пробу, аккумулируют присадку в пробе топлива с помощью аппарата для выпаривания струей воздуха, затем растворяют их в спирто-толуольной смеси, взятой в соотношении (1:4) несколько раз, последовательно перенося раствор маленькими порциями на кристалл приставки из селенида цинка для ИК-Фурье спектрометра, упаривают полученный раствор до высыхания растворителя, сканируют ИК-спектр образца, устанавливают наличие присадки по совпадению или различию профилей спектров с результатами испытаний искусственно приготовленных стандартных образцов в диапазоне от 1800 до 1600 см^-1. 5 ил., 2 табл.

Способ определения наличия противоизносной присадки «Хайтек 580» в топливе для реактивных двигателей, включающий отбор пробы и снятие ИК-спектра в диапазоне от 1800 до 1600 см^-1, отличающийся тем, что снятие ИК-спектра осуществляют с полученного во время испытания анализируемого топлива на аппарате для выпаривания пробы в струе воздуха смолистого остатка, который предварительно порциями промывают до момента визуального контроля чистоты стакана спирто-толуольной смесью, взятой в соотношении 1:4, перенося продукты смыва на кристалл приставки ИК-спектрофотометра, удаляя растворитель до получения суммарного смолистого остатка, а о наличии присадки судят по совпадению или различию профилей спектров суммарного смолистого остатка и искусственно приготовленных стандартных образцов топлива с противоизносной присадкой «Хайтек 580».