Технічні науки / 3. Галузеве машинобудування

Ганзюк А.Л., Олександренко В.П. Нездоровін В.П.

Хмельницький національний університет

ЗМІНА СКЛАДУ ОРГАНІЧНИХ ТА ВОДНО-ОРГАНІЧНИХ СЕРЕДОВИЩ ПІД ВПЛИВОМ ФРЕТИНГ-ПРОЦЕСІВ

Ринок етилового спирту в економіці держави завжди займає ключове місце, а в період енергетичного голоду додаткові енергоджерела, в тому числі виробництво біопалива на основі спирту, адже при додаванні етанолу бензин збагачується киснем, що сприяє більш повному згоранню та зменшенню викидів оксиду вуглецю.

Актуальним є завдання покращення якісних показників спирту, зниження його собівартості, покращенні ефективності переробки при його виготовленні. Перш ніж отримати спирт в чистому вигляді сировина проходить цілий ряд складних технологічних процесів. Контакт продукту з різного роду металевими поверхнями промислових установок може викликати специфічні зміни фізико-хімічних та органолептичних показників при виготовленні етилового спирту.

Проходження спирту, його парів та взаємодія з поверхнями технологічного обладнання в місцях контакту може викликати різного роду окисні процеси, вібрації, флуктуації. Все це ініціює хімічні реакції, утворення нових хімічних сполук та призводить до погіршення якості ректифікованого спирту, а в подальшому впливає на якість готового продукту.

Для вивчення такого впливу проведено серію досліджень, щодо опису структурних змін металевих поверхонь зразків з сталі 30ХГСА та мікрокомпонентного складу спирту на установці для моделювання фретинг-процесів [1].

Оцінка мікрокомпонентного складу спирту проводилася методом газової хроматографії, на хроматографі „Кристал-2000М”. На стандартній хроматограмі можна спостерігати наступні піки характерні для етилового спирту: ацетальдегід, метилацетат, етилацетат, етилбутират, ізоамілацетат, метанол, пропаном, ізобутанол, бутанол, ізопентанол, пентаном.

Удосконалення установки [1] для дослідження фретинг-процесів дало змогу проводити фретинг в середовищі етилового спирту та його водних розчинів.

а б

в

Рис. 1 – Фотографії поверхонь зразків: а – фретинг у середовищі повітря; б – фретинг у водно-спиртовому середовищі; в – фретинг в середовищі спирту

Якщо порівняти (див. рис. 1) ураження поверхні зразків з сталі 30ХГСА внаслідок фретингу в присутності спирту та в середовищі повітря то виявлено, що оксидний шар найменший на рис.1,а, а найбільший у водно-спиртовому середовищі (рис. 1,б). Присутність води ініціює окислення, прискорює фретинг-процес та сприяє руйнуванню поверхні металу обладнання.

Було виконано хроматографічне дослідження складу спирту, який використовувався в якості середовища при перебігу фретингу. Встановлені зміни, які при цьому відбулися. Якщо проаналізувати хроматограму зразка спирту та спирту після перебігу фретингу, то можна зауважити наступні відмінності в мікрокомпонентному складові компонентів: проходить утворення більш складних органічних сполук, збільшення кількості складного ефіру – ізоамілацетату, який має найбільш складну структурну формулу [2].

Отже малоамплітудні циклічні коливання ініціюють перебіг складних трибо-хімічних реакцій в результаті яких з більш простих за своєю будовою сполук утворюються більш складні. Трибо-хімічні реакції, викликані дією фретингу в малоамплітудній області відносних мікропереміщень, ініціюють виривання електронів з металу, тобто їх емісією, яку можна розділити на два класи: емісію частинок та емісію енергії.

Водно-спиртові розчини досліджувались на вміст заліза за допомогою атомно-абсорбційному спектрофотометра С-115 ПК. при 0,1х10⁶, 0,3х10⁶ та 0,7х10⁶ циклах. Вимірювання оптичної густини проводилось полум’яневим методом (використано полум’я ацетилен-повітря, довжина хвилі поглинання 248,З нм). Виміряна оптична густина випробувального розчину складала від А_випр = 0,005 до 0,012.

Методом рентгенофлуресційного аналізу встановлено, що концентрація заліза в водно-спиртових розчинах змінюється пропорційно від часу перебігу фретингу (0,1х10⁶, 0,3х10⁶ та 0,7х10⁶ циклів). Концентрація заліза збільшується в залежності від кількості циклів та має наступні значення 0,008 мг/дм³;0,012 мг/дм³; 0,018мг/дм³.

Висновки

Проведені дослідження дозволили встановити, що в спиртовому та водно-спиртовому середовищі умови перебігу трибохімічних реакцій дещо інші ніж при контакті з повітрям. Найбільш інтенсивно фретинг проходить за умови присутності води, внаслідок чого спиртовий розчин насичується частинками оксида заліза та стає світло-бурого кольору. Як видно із зразків, які піддавались фретингу, руйнування поверхні металу в спиртовому середовищі дещо менші ніж при взаємодії з атмосферним середовищем. Частково це пояснюється тим, що для перебігу окисних процесів в спиртовим розчинах необхідна більша енергія активації атомів кисню ніж в середовищі води та на повітрі. Також, як видно з хроматографічних досліджень змінюється мікорокомпонентний склад самого спиртового розчину, крім процесів розкладу проходять реакції утворення більш складних хімічних сполук.

За умов фретингу металевих поверхонь в середовищі спирту, внаслідок трибо-хімічних реакцій змінюється його мікрокомпонентний склад. Це в кінцевому результаті погіршує якість етилового спирту. Отже зменшення різного роду вібраційних процесів, використання нових матеріалів технологічного обладнання, дотримання всіх необхідних стадій очистки та переробки дозволяє отримати кінцевий продукт – етиловий спирт з наперед заданими показниками.

Література

1. Патент на корисну модель. №38036 України, МПК G01M 3/00. Установка для дослідження процесу «напруга-деформація» у механічному контакті з вищою парою для матеріалів та покриттів / Костогриз С.Г., Мисліборський В.В., Ганзюк А.Л., (Україна); заявник і патентовласник Хмельницький нац. ун-т. – u 2008 06157; Заяв. 12.05.2008. Опубл.25.12.2008. Бюл. № 24 – 4 с.

2. Ганзюк А.Л. Практика застосування газорідинної хроматографії / А.Л. Ганзюк, О.П. Шелестюк // Криміналістичний вісник: Наук.-практ. зб. – К. : Вид. Дім «Ін Юре», – 2008 – №1(9), C.133-137.