实验七ASTM蒸馏实验.doc

實驗七 ASTM蒸餾實驗一、前言內燃機的動力來自液體燃料，液體燃料在燃燒過程，經加熱蒸發成為氣體狀態，液體變成氣體的難易性質稱為該液體的揮發性，所以液體燃料最重要的燃燒特性即為揮發性。液體燃料對於內燃機起動的難易、加速的快慢、汽缸分配的均勻與否、氣塞(vapor lock)的影響都有絕對的重要關係。液體燃料揮發性不良時，其沸點隨之升高，則汽化情形會不完全，汽缸內混合氣將含有未汽化之液態汽油，此部份汽油會經活塞環旁漏（Flow-by），而進入曲軸箱內，沖淡潤滑油，減低潤滑性能，增加內燃機的摩擦阻力。若液體燃料揮發性過高，則其沸點隨之降低，容易形成過多之氣態油氣，會阻塞油道，會發生氣塞現象，造成油路故障。因燃料是一種化合物，在提煉的過程中，隨著蒸餾的溫度升高，漸漸析出，其沸點的高低也不固定，沸點高低會影響燃料的汽化情形，造成燃燒的難易程度變化。燃料的純度高低，會影響沸點的集中與否，燃料的純度高，其沸點會集中在小範圍的溫度內，純度低時，其沸點分佈範圍會較大。大部份液體燃料和潤滑油是石油的化合物，由原油在各種溫度下提煉出來，石油為一種類繁多之碳氫化合物的混合體，依照其化學結構、成分而區分為石蠟基石油，瀝青基石油或奈基石油及混合基石油，在同一油田內開採而得不同油基之原油，經蒸餾可分為輕型部份（石油），中間型部份（煤油、輕柴油），重型部份（柴油、潤滑油、重油）及餘渣（重油、瀝青等）。在市面上一般消費者使用的汽油，是由低碳鍊 （Low Carbon Chain) 液態碳氫化合物混合而成，如：C4H10，C7H16，C8H18，C10H22 等，此外尚有些微之原油物質與抗爆劑加成物等，石油公司大多將汽油分為二類，即普通汽油和高級汽油，使用者也可視需要自行加以混合調配，其目的不外是想要獲得（1)良好之抗爆性（2)適當之揮發性，一般都是由辛烷值來做為衡量汽油燃燒性能的優劣標準，為使汽車輕易啟動，暖機（Warm up) 汽油中須含有些量的低沸點（高揮發性)之成份，又為防止蒸發損失，自行點火及造成蒸汽阻隔 （Vapor-lock)，並提高單位體積油料燃燒性質起見，須要相當含量之高沸點烴類（低揮發性與高碳素)，但此成份過量，又有沖稀曲軸箱潤滑油之弊。所以採用燃料之揮發性不可太高，也不可太低。通常所用的汽油常用ASTM標準的分餾法，測得其蒸餾曲線，以判斷其揮發性質。二、目的使學生瞭解燃油的特性及蒸餾的原理，並利用 ASTM 蒸餾設備，尋求引擎使用油料的蒸餾曲線 （DISTILLATION CURVE)， 測定油料之純度，檢驗其是否含有高沸點之成份，以判定汽油之性質，達到品質管制之目的。三、原理純物質的沸點為唯一，沸騰蒸發的過程，溫度保持不變，而化合物或混合物的沸點則否，在沸騰蒸發的過程中，溫度隨著加熱而上升，且沸點較低的物質會先蒸發，若能適當地控制加熱，而在特定溫度下，將蒸發出來的蒸汽，以冷凝的方式使其析出，則可得到在不同溫度下的物質，特定溫度的範圍越小，所得的物質就越純，此方法就是分餾法。如圖 3 所示裝置，為ASTM蒸餾實驗裝置，恩格勒蒸餾瓶的瓶口中，插有一個溫度計，上端瓶頸斜著的支管連通到凝結管，凝結管在冷凝槽中和冰水做熱交換而冷卻後，再連通到收集油氣冷凝液之玻璃量筒之上端。量筒上端的橡皮蓋，是用來防止未冷凝的油氣自量筒上方逸出。試驗時，將欲測試之定量燃油樣品充填於蒸餾瓶內，而後在瓶底緩緩加熱，到了某個溫度，汽油開始蒸發，其蒸發出來油氣，首先經過冷凝管凝結，然後滴到玻璃量筒內，如此一直到某一溫度下，不再有凝結之汽油滴入量筒，此時測量量筒內凝結液重量，便可以計算在某一特定溫度下蒸餾的汽油樣品的百分數。如此再提高加熱溫度到另一特定溫度，同樣維持該特定溫度讓汽油繼續蒸發，如此可再計算出，在另外一個特定溫度下蒸餾汽油的總重量，和它占汽油樣品的百分數，如此逐步的試驗，一直將所填充的汽油完全蒸發為止。最後將此多次計算的結果，連成一條曲線，此條曲線稱為蒸餾性能曲線，如 圖7-1 所示，圖中縱座標為蒸餾溫度，橫座標表示百分回收率（）。 圖 7 - 1 蒸餾性能曲線 圖 7 - 2 汽油及柴油的蒸餾性能曲線由圖 7-2 可知較易揮發的汽油，其蒸餾曲線比較低，表示汽油在比較低的溫度下，就可以蒸發到所希望的量，亦可以說汽油的揮發性比較好。汽油的揮發性對引擎的起動性能的影響 所謂揮發性乃指在某一溫度下，自液體變為氣體之性能，任何液體在大氣壓力下皆可揮發，只不過其揮發速度不同而已，若溫度升高或氣壓降低，皆可增大蒸發汽化的速率，其中溫度的影響尤其重要。在引擎中，汽油的揮發性對油氣霧化的效果有絕對的影響，汽油首先霧化後與空氣混和，再點火引燃。霧化後的汽油與空氣的混和比，對引擎性能影響非常大，其影響可分成下列各方面： 1. 啟動性能汽油的揮發性影響內燃機冷起動性能較大。一般都以汽油蒸餾 10 量時的溫度的高低來表示冷啟動性能。欲使冷啟動性能良好，宜採用揮發性較佳的汽油，及汽油蒸發 10 的溫度越低，則冷啟動越容易。2. 汽障現象（vapor lock)當汽油揮發 10% 所需的溫度越低時，它在流過化油器的出油細管時，可能已有氣泡產生，以致阻礙細管，使汽油油路受阻，減少出油量，於是所流出的汽油和空氣混合成低混合比的過稀油汽氣體，因此發生引擎不著火之現象，如果有這種現象發生，汽油即無法在汽缸裡燃燒，而內燃機也無法運轉，這種現象叫汽障，為避免發生此現象，宜採用揮發性能較低之汽油。3. 行駛性能當汽油引擎在正常運轉時，汽油進入汽缸之前，要揮發 70 80，因此汽油在蒸發 75 80 所需要之溫度不宜太高，要能適合正常運轉時候， 汽油與空氣混和氣體流到進氣口的溫度，若能接近此溫度，可使引擎有良好之行駛性能。 4. 曲軸箱內滑油的稀釋性能當汽油流進氣缸之後，仍需要繼續揮發，務必要在壓縮衝程完成前全部揮發;若汽油蒸發 90 以上所需要的溫度較高，則很可能使液體汽油進入汽缸之後，與汽缸內側表面之潤滑油相黏和。如此一來，藉著活塞環之運動，此一未揮發之汽油將被刮入曲軸箱內，因此曲軸箱內之潤滑油就逐漸遭到汽油稀釋了。這種稀釋的現象，將使汽缸之潤滑情形降低，導致汽缸活塞等機件的加速磨損，為避免這種因汽油而導致的曲軸箱內潤滑油稀釋現象，可預熱引擎或用揮發性較高之汽油。5. 燃料分配不均之現象若使用之汽油，本身的揮發性不高，則空氣與燃料之混合氣，在進入汽缸之前，無發達到均勻的混合，如此混合氣噴入各汽缸時，必無法達到同樣之成分，以致產生引擎動力不均勻的現象，則輸出馬力將降低，為避免此種混合不均勻的現象產生，以採用揮發性較高之汽油。 四、儀器裝置見圖 7-3 ASTM 蒸餾試驗裝置7-3 ASTM 蒸餾試驗裝置1、恩格勒（Engler)蒸餾瓶（125 ml) 1 個(含橡皮塞)2、冷凝管及冷凝槽 1 式3、圍屏 1 式4、本生燈承座（含高度調整扳手） 一組5、加熱器（或本生燈）1 具6、量筒 （100 ml) 1 個7、溫度計 （0360oC) 1 支(含橡皮塞)8、燒杯（200ml) 1支9、均熱板（含高度調整扳手）一套五、實驗方法、試驗開始前，先檢查核對儀器情況，並清點配件個數，澈底清洗燒瓶及量筒後晾乾，並用鐵絲繫以一軟布拭淨冷凝管內部，確實清除前次試驗所留存物質。、冷凝槽放入冰塊，打開進水閥（注意！閥門開度不可太大，以免水柱沖出冷凝槽），使能淹沒冷凝管，冰塊量多寡的標準，以能在實驗中隨時保持足夠的未融化冰塊，（即保持溫度在 04oC）。、以電子秤秤量取蒸餾瓶淨重Wnet（至0.01g)，用量筒量取100ml之樣品，倒入恩格韌蒸餾瓶內，再秤取其總重Wgross_a（不含溫度計及橡皮塞)，將油料倒入蒸餾瓶時，需注意不使樣品流入蒸餾瓶支管內，正確方法為蒸餾瓶傾斜，支管朝上，沿蒸餾瓶口管壁倒入，如右圖。、裝溫度計於軟木塞中，使之與蒸餾瓶口嚴密緊合，並使溫度計水銀部分與蒸餾瓶支管， 如右圖。、使蒸餾瓶之支管伸入冷凝管約 2.55 cm，調整蒸餾瓶支撐架，使蒸餾瓶保持直立。、將回收量筒放置於冷凝器之出口，利用木塊墊高量筒高度，使冷凝管末端與量筒內壁接觸，使冷凝液能順著量筒內壁滑下，不可使冷凝液直接低入量筒內，撞擊量筒內油面，造成油面起泡、擾動，使油面高度讀數不確實。且量筒須加橡皮蓋以免油汽外洩,使讀數不準（然在測量初餾點時，不可使冷凝管末端與量筒內壁接觸，以免第一滴蒸餾液流出時無法察覺，造成初餾點測不出來）。、調整本生燈支撐架， 使蒸餾瓶位於本生燈正上方，點燃本生燈，調整本生燈瓦斯及空氣量大小，使產生第一滴冷凝液之所需時間約為 510 分鐘。 在測量初餾點時，不可使冷凝管末端與量筒內壁接觸，以免第一滴蒸餾液流出時無法察覺，當第一滴冷凝液自冷凝管滴下時，此時之溫度為”初餾點”，記錄之。、控制加熱速度，使每分鐘冷凝液產生量約 45 ml。、每當冷凝液收集量增加 5 ml 時，記錄溫度一次。10、收集量達到 90% 後，火力須較以前強，因蒸餾液較重，而具有較高之沸點，自 90% 點至蒸餾終止，每分鐘得 45 ml 之冷凝液甚難達到，但該段時間不得少於 3 分鐘，也不得多於 5 分鐘。11、繼續加熱，使溫度達溫度計最高溫度刻畫並記錄之，若最高溫度為燒瓶底部最後一滴液體揮發時之溫度，稱為”乾餾點”，若最高溫度時，燒瓶底部仍無法燒乾時，則稱此溫度為”終餾點”。12、如果達到最高溫度時，試料仍未燒乾時，取乾布或鋼夾將燒瓶取出冷卻 , 量出蒸餾瓶總重Wgross_b，則其殘留液體積 （Vlast）為 -(7.1)13、實驗完畢，冷凝槽排水旋塞打開，水放掉，試料倒入廢油收集桶，將量筒、蒸餾瓶、燒杯以去漬油清洗殘留油漬，再以洗衣粉洗刷乾淨，並擺設在實驗桌上晾乾。1. 蒸餾汽油第一滴約2min。完全蒸餾時間約15-20min。2. 之汽油蒸餾後得到蒸餾汽油約7080cc.3. 試驗後蒸餾瓶內若仍有殘留液體時，需將瓶冷卻後量出殘留液之重量或容量（需精確至0.1c.c）。4. 每次所記錄之溫度需精準至0.5（1），而收集汽油量需精確至0.5ml，並註明當時之大氣壓力。5. 各項溫度及容量百分比說明：初餾點（初沸點）（initial boiling point）：第一滴凝結液自凝結管滴到量筒時之觀測溫度。終餾點（終沸點）（initial boiling point）：蒸餾時所能達之最高溫度。 乾點：蒸餾瓶內最後一滴液體所揮發之溫度。百分收集量：某溫度時，量筒內所收集到冷凝液之毫升量（ml)。百分回收量：蒸餾試驗之最大收集量（ml)。百分殘渣量：試驗完畢後，燒瓶內之殘留液量（ml) 。總百分回收量：百分回收量加百分殘渣量之總和（ml)。百分損失量：100減去總百分回收量所得之量（ml)。百分揮發量: 某溫度下，百分收集量加百分損失量之總和（ml)。蒸餾性能曲線:為說明清楚起見舉實例于後: 實驗記錄: 初餾點 37 50% 102 5%收集量 45 70% 131 10% 54 80% 150 20% 65 90% 172 30% 77 95% 188 40% 90 終餾點 210回收率 97.5% 殘留量1.0% 損失量1.5% 百分回收率與溫度曲線（圖7-4) 六、計算與結果 百分揮發量與溫度之關係求法:(1)計算法: T:某百分揮發量時之溫度計讀數 R:某百分揮發量減除損失量所得之百分回收量 RH:百分收集量,最接近高於R者 TH:RH之相對溫計讀數 RL:具有實驗溫度記錄,稍低於R的百分回收量 TL:RL之相對溫度計讀數 （a) 設5%揮發量（即3.5%回收量)之溫度（損失量為1.5%) （b)設50%揮發量（即48.5%回收量)之溫度 （c)設90%揮發量（即88.5%回收量)之溫度(2)圖解法:（依據圖7-4繪成揮發量與溫度之曲線)一、實驗記錄表試料名稱：試 料 溫 度頁: 6初餾點5%回收量10%回收量15%回收量20%回收量25%回收量30%回收量35%回收量40%回收量45%回收量50%回收量55%回收量60%回收量65%回收量70%回收量75%回收量80%回收量85%回收量90%回收量95%回收量終餾點回收率殘留量損失率大氣壓力: mmHg二、蒸餾曲線圖三、問題討論1. 為何冷凝槽的溫度要在0至4之間？2. 收集量到達90%之後，為何收集液較難得到？3. 一般潤滑油有否做ASTM蒸餾試驗之必要？為何？4. ASTM蒸餾所得曲線，其代表的意思是什麼？5.是否還有其他方法可測試揮發性，請說明之？解答參考: 1. 為何冷凝槽的溫度要在0至4之間？因為在蒸餾同時，蒸餾瓶上方之分支管流出，由蒸汽和 04之冷凝管相接觸，則蒸汽即 冷凝成液體從冷凝管流出。 2. 收集量到達90%之後，為何收集液較難得到？因燃料在蒸餾的過程中，隨著蒸餾的溫度升高，漸漸析出，其沸點的高低也不固定，沸點高低會影響燃料的汽化情形，造成燃燒的難易程度變化。 3. 一般潤滑油有否做ASTM蒸餾試驗之必要？為何？由於一般潤滑油之揮發性低，而燃點過高，本身又是耐高溫物質，所以十分不適樣用於 ASTM蒸餾試驗。 4. ASTM蒸餾所得曲線，其代表的意思是什麼？由於 ASTM蒸餾所得曲線，可測定油料之純度，檢驗其是否含有高沸點之成份，以判定汽油之性質，若其蒸餾曲線比較低，表示汽油在比較低的溫度下，就可以蒸發到所希望的量，亦可以說汽油的揮發性比較好。 5.是否還有其他方法可測試揮發性，請說明之？