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Determinación del punto de chispa y el punto de inflamación por el método de cámara abierta de Cleveland
Presentado por: (Grupo #3) Nicole Daniela Latorre Latorre Bustos (20151133529) (20151133529) Harold Lozada Ordoñez (20151132999) Juan David Monje Díaz (20151134333) Agosto 2017.
Haydee Morales (Profesora) (Profesora)
Universidad Surcolombiana. Facultad de Ingeniería. Programa de Petróleos. Crudos y derivados.
2 Tabla de contenido Objetivos .............................................................................................................................3 Objetivo general ...............................................................................................................3 Objetivo específico ..........................................................................................................3 Marco teórico .....................................................................................................................4 ¿Qué es Flash Point y Fire Point? ....................................................................................4 ¿ Por qué es importante su determinación? .....................................................................4 Equipos utilizados y su fundamentación .................................................. ...................5 Procedimiento de la practica ............................................................................................6 Resultados obtenidos .........................................................................................................8 Muestra de cálculos............................................................................................................8 Análisis de resultados .......................................................................................................9 Conclusiones .....................................................................................................................11 Cuestionario .....................................................................................................................12 Lista de referencias .........................................................................................................14
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1. Objetivos Objetivo general
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Determinar los puntos de chispa y encendido del crudo y del aceite lubricante por el método de cámara abierta de Cleveland.
Objetivos específicos
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Aprender y conocer los principios en los que se basa la experiencia.
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Analizar la importancia mantener las ratas de calentamien to definidas en la norma ASTM D92-11 y las consecuencias de su incumplimiento, además de cómo afecta la presión en la determinación de estas temperaturas.
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Mejorar el manejo del equipo de laboratorio.
4 2. Marco teórico ¿Qué es Flash Point y Fire Point?
Ambas temperaturas son básicamente medidas que indican la inflamabilidad y volatilidad del derivado. La norma ASTM D92-11 define el F lash point , o punto de chispa, en los productos petrolíferos, como la temperatura más baja corregida a una presión barométrica de 101,3 kPa (760 mm Hg), en la que la aplicación de una fuente d e ignición provoca que los vapores de la muestra se inflamen dando lugar a una combustión que se mantiene por un instante, se observa solo una chispa, como el derivado está suficientemente evaporado crea una mezcla con el aire que se prende al pasar una llama. Por otro lado, también descrito en la norma el F ir e point o punto de incendio, lo definen como la temperatura, corregida a una presión barométrica de 101,3 kPa, en la que la aplicación de una fuente de ignición provoca que los vapo res de una muestra de ensayo de la muestra se enciendan y se mantengan quemando por un mínimo de 5 segundos bajo condiciones especificadas de prueba, pues la combustión es posible solamente cuando la velocidad de vapor de combustible y aire se encuentra dentro de ciertos límites. ¿En qué consiste esta prueba y por qué se realiza?
Según lo indicado en la norma ASTM D92-11, la prueba para determinar el punto de incendio y punto de chispa es un método dinámico y depende especialmente de las ratas de calentamiento para el aumento de la temperatura de la muestra, estas se encuentran ya definidas con el fin de controlar la precisión de los resultados. Se utiliza principalmente para materiales viscosos que tienen un punto de inflamación por encima de 79 ° C (175 ° F) y por debajo de 400 ° C (752 ° F). El resumen de este método encontrado en la norma nos dice que consiste en poner a calentar la muestra en el aparato de copa abierta de C leveland, la temperatura se incrementa rápidamente al principio y luego a una velocidad constante más lenta, a intervalos especificados se pasa una llama de prueba a través de la copa, con el fin de encender la mezcla de vapores de combustible y aire que se empieza a formar sobre la película. El punto de chispa es la temperatura más baja a la que la aplicación de la llama de prueba hace que los vapores de la muestra de ensayo de la muestra se inflamen por un instante, la prueba continúa hasta que la aplicación de la llama de prueba hace que los vapores sobre la película se encienda y sostenga la combustión durante un mínimo de 5 segundos, el valor de la temperatura obtenida aquí se le denomina Fire Point. El punto de chispa se utiliza en los reglamentos para definir materiales inflamables y combustibles, además puede indicar la posible presencia de volátiles en una sustancia. Por
5 ejemplo, un flash anormalmente bajo al punto especificado en el aceite de motor puede indicar presencia de carburantes. Los resultados de este método de ensayo pueden utilizarse como elementos para la evaluación de riesgos de incendio que tenga en cu enta los factores que son pertinentes para al momento de darle un uso final particular al derivado del crudo. Equipos utilizados y su fundamentación Aplicador de llama de prueba
Placa de calentamiento Calentador
Copa de prueba -
Aparato de copa abierto Cleveland
Este aparato consta de la copa de prueba, la placa de calentamiento, el aplicador de llama de prueba, el calentador y los soportes. -
Placa de calentamiento
La placa de calentamiento se compondrá de dos platinas, una metálica, de bronce, hierro dulce o de acero, y la otra de asbesto duro. La platina metálica deberá tener un orificio en el centro y un área de depresión plana alrededor del orificio, a manera de escalón, en la cual se soporta la copa. La platina de asbesto también tendrá un orificio en el centro, pero de diámetro mayor, de tal forma que al colocarla sobre la platina metálica, no cubra el escalón de ésta. -
Calentador
Puede ser sustituido por cualquier fuente conveniente, el uso de un quemador de gas o una lámpara de alcohol están permitidos, pero bajo ninguna circunstancia debe usarse una llama, para productos altamente combustibles. -
Termometro ASTM
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Un termómetro que tenga un rango de temperatura de -6° a +400°C (20° a 760°F) de acuerdo con las especificaciones de la ASTM E-1, que correspondan a la referencia 11C, 28C o 11F o con las del IP para 28°C y 28°F. Se pueden emplear medidores eléctricos de temperatura tales como termocuplas o termómetros de resistencia. -
Cronometro
Reloj de precisión que se emplea para medir fracciones de tiempo muy pequeñas. En esta prueba se utiliza para controlar y mantener la taza de calentamiento especificada en la norma.
7 3. Procedimiento de la práctica INICIO
Llenar la copa de prueba con la muestra hasta que el menisco esté al nivel de la marca de llenado Quitar el exceso de muestra y remover las burbujas de aire Calentar la muestra hasta 100 °F. Aplicar calor con una rata de calentamiento de 25 a 30 °F /min
Disminuir la proporción de calentamiento a 9-11°F/min
Iniciar a aplicar la llama de prueba Registrar la temperatura cuando aparezca el primer relampagueo en la superficie del fluido Continuar calentando a 5-6 °C /min hasta que la muestra se encienda
No ha alcanzado el punto de ignición
¿La ignición duró más de 5 segundos?
FIN
8 4. Resultados obtenidos Flash Point
Fire Point
Muestra
Temperatura laboratorio
Temperatura corregida
Temperatura laboratorio
Temperatura corregida
Crudo
-
-
196 °F
198,34 °F
Aceite Lubricante
242 °F
244,34 °F
314 °F
316,34 °F
5. Muestra de cálculo
Corrección de la temperatura obtenida en el laboratorio según la norma ASTM 4007-11:
ó ℎ = + 0,06(760 − )
Ec. 2
Donde: C= punto de chispa observado (°C) F= Punto de chispa observado (°F) P= Presión barométrica del ambiente (mmHg) Entonces, como la presión barométrica en Neiva es 721mmHg corregimos el valor obtenido de Fire Point en el crudo, asi:
= 196 °F + 0,06(760 − 721) = 198,34 °F
9 6. Análisis de resultados
En la prueba de laboratorio, se buscó determinar el flash point (punto de chispa) y el fire point (punto de encendido) para la muestra de crudo y el aceite lubricante mediante el uso de la cámara abierta de Cleveland, cuya importancia radica en establecer la temperatura óptima para el almacenamiento y transporte del crudo. Todo esto se realizó bajo las pautas establecidas en la norma ASTM D92 – 11. Mediante esta prueba también es posible determinar la calidad del crudo, pues el flash point y el fire point son inversamente proporcionales a la gravedad API; esto quiere decir que, para crudos menos densos, con mayor presencia de volátiles cuya gravedad API es alta, el flash point y el fire point serán relativamente menores que en un crudo denso. De acuerdo con lo anterior, los resultados obtenidos del laboratorio nos indican que nuestro crudo es denso, pues si comparamos el fire point registrado en la prueba, 198,34 °F ≈ 110,19 °C, con el fire point de un crudo promedio según el Centro de Información de Sustancias Químicas, Emergencias y Medio Ambiente (C ISTEMA – ARL SURA) el cual es 164 °F ≈ 91 °C, vemos que el dato de experimental está muy por encima que lo estipulado por la entidad, lo que nos permite concluir que nuestro crudo es denso, por lo tanto su gravedad API debe ser baja. A continuación, para explicar el efecto de la rata de calentamiento sobre la determinación de la temperatura necesaria para alc anzar el flash point, se presenta el diagrama de una muestra de crudo (figura 1) que contiene diversos componentes, A: color oscuro, B: color intermedio, C: color claro. Estos componentes tienen como característica que la densidad de A > B y a su vez B > C, también la temperatura de volatilización de A > B y la de B > C. Para lograr el flash point se requiere una determinada constitución de componentes volátiles que a una mínima temperatura alcance una ignición espontánea al aplicar una llama. Es importante entonces mantener la rata de calentamiento establecida en la norma ASTM D92 – 11, pues de lo contrario se pueden obtener errores en la medición de la temperatura así: Para una rata de calentamiento en el rango establecido (9 – 11 °F/min), vamos a tener una composición de volátiles necesaria (esta composición es supuesta) para alcanzar la temperatura mínima del flash point. Si se utiliza la rata de calentamiento adecuada se fomentará la formación de gases en la película formada en la superficie de la muestra en ese tiempo adecuado, favoreciendo la determinación de flash point y el fire point. Figura 1. Esquema de los diferentes componentes en una muestra de crudo.
Si, por el contrario, se maneja una rata de temperatura menor se obtendrá un flash point, pero no a una temperatura mínima, pues la composición a la que se logre la ignición instantánea será diferente. Es decir, como los componentes presentan diferentes temperaturas a la cual se
10 liberan volátiles, si el incremento de temperatura es mu y lento, al momento de la volatilización del componente B, no se tendrá suficiente del componente A ya que la gran mayoría de este ya no se encontrará en la película de gases donde ocurre la ignición, para lograr la temperatura mínima de flash point. Es importante entonces mantener el incremento de la temperatura en el rango establecido previamente, pues con esta rata se obtendrá la cantidad necesaria de fracciones volátiles de los componentes para llegar al flash point a una mínima temperatura, en contraste si usamos ratas de calentamiento superiores o infe riores, no se logrará dicha cantidad específica, pues el tiempo en el cual se liberan volátiles juega un papel importante. Si ilustramos lo anteriormente expuesto tenemos que: +
+
= Flash Point @ T mínima Con una rata de calentamiento 9 – 11 °F/min
+
+
+
+
+
= Flash Point @ T mayor Con una rata de calentamiento mayor
= Flash Point @ T mayor Con una rata de calentamiento menor
Donde vamos a obtener diferentes temperaturas con diferentes composiciones en cada una de las ratas de calentamiento, y podemos observar que la única temperatura correcta es la mínima que sólo ocurre cuando la rata de calentamiento está en el rango establecido. Cabe aclarar que todo lo anterior expuesto es una suposición del comportamiento de crudo a diferentes ratas de incremento de temperatura. Durante la prueba no fue posible determinar el flash point de la muestra de crudo por problemas en el equipo, pues no se podía conocer la cantidad de calor que se suministraba al sistema para así tener un control sobre la rata de calentamiento, esto ocasionó que el incremento de temperatura inicialmente fuera demasiado rápido y no se pudiera registrar la temperatura y el tiempo necesarios para alcanzar el flash point. Sin embargo, teniendo en cuenta que el flash point es la temperatura mínima necesaria para se formen vapores suficientes para provocar una c hispa al aplicarle fuego, podemos suponer o estimar la temperatura a la cual se hubiese alcanzado. De acuerdo con todo lo anterior, según lo establecido por la entidad antes mencionada (CISTEMA – ARL SURA) que dirige sus servicios a la información sobre el manejo seguro de los productos químicos, llevando a cabo una importante labor social; el flash point promedio d el crudo
11 es aproximadamente 61 °C ≈ 110 °F, por lo tanto, la temperatura a la cual nuestra muestra de crudo hubiese alcanzado el flash point hubiese sido superior a este valor y si mantenemos en el rango de 30 °C de diferencia entre el flash point y fire point anteriormente expuesto, nos atrevemos a suponer que la temperatura de flash point hubiese sido aproximadamente 80 °C ≈ 144 °F. Es necesario tener en cuenta que esta es una suposición experimental de acuerdo a un análisis a partir de los datos del crudo establecidos por la entidad CISTEMA y al fundam ento teórico del flash point que se mencionó anteriormente, cabe aclarar que esta postulación está sujeta a refutaciones con otro cualquier enfoque diferente. Entonces, la temperatura supuesta para el flash poin t junto con la temperatura del fire point en el crudo, no representan peligro pues están por encima a la temperatura ambiente local, sin embargo, para disminuir al máximo los posibles riesgos es conve niente almacenar y transportar el crudo a temperaturas aún más bajas. En cuanto al aceite lubricante super moto para motores de 2 tiempos, marca Eduardoño; si fue posible la determinación de la temperatura necesaria para alcanzar flash point y el fire point pese a los inconvenientes que presentaba el equipo, y como resultado obtuvimos temperaturas bastantes altas. Lo anterior nos quiere decir que, como derivado del petróleo, el aceite es muy denso y cuenta con una gravedad API baja. Los datos obtenidos estuvieron en un rango de ±3 grados °F con respecto a los valores establecidos por el fabricante (198,34 °F p ara el flash point y 316,34 °F para el fire point), sin embargo, la temperatura del fire point no supera los 200 °C = 360 °F y en la norma ASTM D92 – 11, se establece que el punto de inflamación o encendido de los aceites está normalmente por encima de los 200 °C. Esto es debido a que el aceite lubricante estaba lo suficientemente limpio, con un n úmero mínimo de carburantes y contaminantes, que ocasionaron que las temperaturas fueran menores a las esperadas. Por otro lado, si cumple una de las pautas para realizar este método establecidas en la norma, la cual es que los aceites y derivados a usar tengan un flash point superior o igual a los 175 °F. Del mismo modo, la presión cumple un papel fundamental en la determinación de la temperatura del flash point y el fire point. Esta relación es directamente proporcional, pues en condiciones de mayor presión, la temperatura va a ser mayor debido a que se requiere mayor cantidad energía para vencer la fuerza que ejerce la presión sobre el fluido y así permitir la liberación de volátiles que constituirán la película sobre la superficie de la muestra. Es conveniente entonces, realizar esta prueba a p resiones bajas para poder conocer la temperatura más baja posible a la cuál puede alcanzarse el flash point y así establecer las condiciones de presión y temperatura mínimos apropiadas para el almacenamiento y el transporte de crudo de forma segura.
12 7. Conclusiones
7.1. Mediante el uso de la cámara abierta de Cleveland para la determinación del flash point y el fire point, es posible determinar la calidad del crudo. En crudos densos, donde la cantidad de fracciones volátiles es baja, la temperatura para alcanzar el flash point y el fire point es relativamente alta. En crudos livianos, ha y una mayor cantidad de volátiles ocasionando que la temperatura necesaria para alcanzar el flash point y el fire point es menor. De acuerdo con lo anterior, la gravedad API, que determina la calidad del crudo, es inversamente proporcional al flash point y al fire point; pues en crudos con alta gravedad API (crudos livianos) el flash point y el fire p oint se alcanzan a una temperatura menor. 7.2. El exceder la rata de calentamiento conlleva la obtención de no solo datos errados, sino a una realización inadecuada de la prueba, ya que como sucedió en el laboratorio, el exceso de calentamiento nos impidió hallar el flash point del crudo. Es por eso que se deben de seguir al pie de la letra las pautas establecidas por la norma. De el mismo modo, una rata excesivamente baja afectaría de manera negativa la prueba, pues en el crudo encontramos diversos componentes, cada uno libe ra los gases volátiles a distintas temperaturas y es ahí, donde una baja rata de calentamiento impediría la formación de la capa de gases en la película superficial del crudo, retrasando tanto el flash p oint y el fire point, obteniendo así datos erróneos.
8. Cuestionario
8.1. ¿Cuál es la repetibilidad y la reproducibilidad en esta determinación? Según la norma ASTM D92-11 Repetibilidad: La diferencia entre los resultados sucesivos, obtenidos por el mismo operador con el mismo aparato en condiciones de funcionamiento constantes sobre material de ensayo idéntico, a largo plazo, en el funcionamiento normal y correcto del método de ensayo, supera los siguientes valores en 1 de 20 casos: Flash point 8°C (15°F) Fire point 8°C (15°F) Reproducibilidad: La diferencia entre dos resultados únicos e indep endientes, obtenidos por diferentes operadores que trabajan en diferentes laboratorios sobre un material idéntico, a largo plazo, en el funcionamiento normal y correcto del método de ensayo, supera los siguientes valores sólo en un caso de 20: Flash point 18°C (32°F) Fire point 14°C (25°F) 8.2. ¿Cuál es la aplicabilidad de esta determinación en la industria?
13 Es de suma importancia conocer todas las propiedades del crudo una vez extraído del yacimiento, pues estas nos determinan su calidad, pero determinar el flash point y el fire point, que son medidas para evaluar el peligro de inflamabilidad, es fundamental pues en base a esto, se establecen las temperaturas a las cuales puede ser almacenado y transportado para evitar pérdidas de las fracciones volátiles y con esto peligrosas explosiones que puede afectar la infraestructura, y posiblemente vidas humanas. Por otro lado, conocer la temperatura a la cual se puede formar una mezcla inflamable con el aire de los derivados del petróleo nos da una mayor seguridad a la hora de darles su uso; pues el punto de inflamación se utiliza en los reglamentos para definir los materiales como inflamables y combustibles. 8.3.¿Con que ecuación se corrige el punto de chispa y de encendido? Explique sus variables. En la norma ASTM D92-11 encontramos las siguientes correcciones: ó = + 0,25(101,3 − ) Ec. 1 ó = + 0,06(760 − ) Ec. 2 ó = + 0,033(760 − ) Ec. 3 Donde: C= punto de chispa observado (°C) F= Punto de chispa observado (°F) P= Presión barométrica del ambiente (mmHg) K= Presión barométrica del ambiente (kpa) Todas estas ecuaciones se utilizan cuando la presión a la cual se encuentra el laboratorio donde se realiza la prueba es diferente a 101,3 kpa (760 mmHg). La ecuación número 1 se utiliza cuando hemos medido el punto de chispa en grados Celsius y la presión en kpa. La número 2, cuando lo hemos medido en grados Fahrenheit y la presión en mmHg. Por último, la tercera es cuando medimos el punto de chispa en grados Celsius y la presión en mmHg. 8.4.¿Cuándo se deben hacer las correcciones para presiones barométricas? Según la norma ASTM D92-11 se deben hacer las correcciones para presiones barométricas cuando la presión a la cual se encuentra el recinto donde se está llevando a cabo la práctica es diferente de 101,3 kpa o 760 mmHg. 8.5. ¿Cuál es la relación entre la gravedad API y los puntos de chispa y encendido, de productos del petróleo? Una de las aplicaciones de este método es la determinación de la calidad del crudo, de la siguiente manera: Para crudos densos, la presencia de volátiles es relativamente menor lo que ocasiona que el flash point y el fire point se logren a temperaturas mayores; éstos crudos densos como bien se sabe, cuentan con una gravedad API baja. Caso contrario es el comportamiento de los crudos menos densos, é stos cuentan con alta presencia de volátiles provocando así que las temperaturas de flash point y fire point sean relativamente bajas y los crudos menos densos o li vianos tiene una gravedad API alta;
14 esto los vuelve comercialmente más valioso. De a cuerdo con lo anterior, la gravedad API es inversamente proporcional a las temperaturas a las cuales se alcance el flash point y el fire point, siendo así más altas en crudos con baja gravedad API y menores en crudos con alta gravedad API. Lista de referencias
https://arlsura.com/index.php/44-cistema-/ique-es-cistema-/48-ique-es-cistema http://www.sencamer.gob.ve/sencamer/normas/2765-93.pdf http://educaciones.cubaeduca.cu/medias/pdf/2428.pdf http://www.ridsso.com/documentos/muro/207_1466704440_576c223879f77.pdf
