Vizkozite ve Akaryakıt Analizleri

1. AKARYAKITLAR VE ANALİZLERİ
1.1. Genel Bilgiler
Yakıt olarak kullanılan sıvı maddelere akaryakıt adı verilir. Akaryakıtlar genel olarak
iki grupta toplanırlar. Bunlar;
1. Doğal akaryakıtlar: Ham petrolün destilasyon ürünleridir.
2. Suni akaryakıtlar: Üretim kaynaklanna göre üçe ayrılırlar.
a. Taş kömürü, linyit, odun ve benzeri maddelerden elde edilen sıvı yakıtlar,
b. Ağır petrol fraksiyonlarının krakingi ile elde edilen sıvı yakıtlar,
c. Sentez yolu ile elde edilen sıvı yakıtlar.
1.2. Doğal Akaryakıtlar
Çok sayıda hidrokarbonların kompleks bir karışımı olan petrol, ham petrol denilen
sıvı birikimler, doğal gaz adı verilen gaz birikimler ve ziftli kum, bitümlü şist gibi katı
birikimler olarak tanımlanır. Petrolün elementel bileşimi yaklaşık olarak şöyledir;
% 82-87 C, % 12-18 H, % 0,1-7,4 O, % 0,1-5,5 S, % 0,1-2,4 N ve % 0,1-5,5 çeşitli
mineraller.
Petrolde bulunan hidrokarbonlar genellikle düz zincirli (alifatik) ve halkalı
(karbosiklik) hidrokarbonlar olup buna göre yeryüzündeki petroller üç gruba ayrılırlar.
1. Parafinik Yapılı Ham Petroller: Çoğunlukla CnH2n+2 genel formülüne sahip
hidrokarbonlardan oluşur. Bu hidrokarbonlar düz zincirli veya dallanmış olabilir. Bu gruba
doymamış düz zincirli hidrokarbonlar da girer. Bileşiminde %2 n-hekzan, %1,7- 2,5 nheptan, %0,8-l,5 arasında, 2- ve 3-metil pentanlar. %1,2-1,3 arasında 2,3-dimetil pentan,
%1,3 civarında 2-metil hekzan bulunur.
2. Naftenik Yapılı Ham Petroller: CnH2n genel formülüne sahip doymuş ve doymamış
halkalı hidrokarbonlardan oluşur. Bileşimlerinde %0,5-l,3 metilsiklopentan, %0,6-0,8
siklohekzan, %1 -2 dimetilsiklopentan, %l,8-2,4 metilsiklohekzan bulunur.
3. Karışık Yapılı Ham Petroller: (parafinik + naftenik)
Çeşitli petrollerin yoğunlukları 0,65-1,8 g/cm3, alevlenme noktalan 15-200 °C ve
ortalama ısı değerleri 10500 cal/g'dır.
Petroldeki bazı maddelerin optikçe aktif olması ve parafinik yapıda azot
bulundurması, petrolün hayvansal ve bitkisel kaynaklı olduğunu göstermektedir.
Ham petrolün rafinasyonu, ihtiva ettiği maddelere göre yapılır. Ham petroldeki
yabancı maddeler uzaklaştırıldıktan sonra kullanılacağı yere göre fraksiyonlandırılır. Petrole
uygulanan ayırma metotları şunlardır;
1.2.1. Kimyasal metotlar
1-
Fiziksel Metotlar: Süzme, kristallendirme, ekstraksiyon gibi işlemler uygulanır.
2-
Destilasyon Metotlar: Destilasyon yöntemi ile uçuculuğu az olan bileşenler
uçuculuğu fazla olan bileşenlerden ayrılır. Bileşenlerin uçuculukları arasındaki fark az ise
ekstraktif veya azeotropik destilasyon uygulanabilir. Bunlar düşük uçuculuktaki madde
katılması ile (ekstraktif) veya yüksek uçuculuktaki madde katılması (azeotropik destilasyon)
ile yapılır.
Normal bir petrolün destilasyon ürünleri şunlardır.
a. Gaz Ürünler
:Petrol gazları (propan-bütan)
35 °C ye kadar.
Hafif benzin
35-95 °C
Ağır benzin
35-200 °C
b. Beyaz Ürünler: Gazyağı
200-315°C
Dizel yakıtı (motorin)
315-375 °C
Ağır motorin (madeni yağ)
370-550 °C
Nafta, benzin ve gazyağı arasındaki fraksiyonlardır ve % 10’u 175°C ye
kadar, %90’ ı 250 °C altında destillenir.
Çözücüler (solventler): Bir nafta çeşididir. Benzin ve gazyağı
aralıklarında alınan ve dar bir destilasyon aralığında gelen
fraksiyonlardir.
Parafin vaksi (mum)
c. Katı ve Siyah Ürünler: Hafif-orta-ağır fuel oil
Asfalt
Petrokok
1.3. Suni Akaryakıtlar
1.3.1. Taş Kömürü Katranından Elde Edilen Akaryakıtlar
Taş kömürü katranının yoğunluğu 1,1-2,2 g/cm3, alevlenme noktası 40-100 °C
arasındadır. Katranın destilasyonundan;
Hafif yağlar
170 °C' ye kadar,
Orta yağlar
230 °C' ye kadar,
Ağır yağlar
270 °C' ye kadar,
Antrasen yağları
320 °C' ye kadar gecer,
Kalıntıdan zift elde edilir.
Hafif yağların önemli bölümünü benzen oluşturur. Ayrıca ksilen ve toluen de hafif
yağlardan elde edilir.
1.4. Ağır Petrol Franksiyonlarının Krakingi ile Elde Edilen Akaryakıtlar
Ağır petrol fraksiyonlarındaki büyük moleküllü hidrokarbonların, katalizorlü ve
katalizörsüz olarak daha düşük karbonlu moleküllere parçalanması işlemine "kraking" denilir.
Kraking dört yolla yapılır:
1. Katalitik kraking
2. Termal kraking
3. Hidro kraking
4. Geciktirilmiş koklaştırma
Krakingden çıkan ve doymamış hidrokarbonlar ihtiva eden ürünlerden alkilasyon,
polimerizasyon ve izomerizasyon işlemleri ile istenilen ürünler elde edilir.
Alkilasyon:
CH3
H3C
C
CH3
H
+
CH2
CHCH 2CH3
H2SO4
CH3
İzobütan
1.5.
H3C
C
CH 2CH2CH2CH 3
CH3
2-bütilen
İzooktan
Sentez Yolu ile Elde Edilen Sıvı Yakıtlar
1. Taş kömürü tozu ve ağır yağ karışımının katalizör yardımıyla sıcakta ve basınç altında
hidrojene edilmesiyle sıvı yakıtlar elde edilir.
2. Etilenden H2SO4 ile etil alkol üretimi yapılır.
3. Su gazından çıkılarak CH3OH üretimi gerçekleştirilir.
1.6. Akaryakıtların Özellikleri
Özgül Ağırlık: Akaryakıtlarda ve diğer sıvı petrol destilasyonu ürünlerinde, birim
hacmin ağırlığı olan özgül ağırlığın tespiti için çeşitli yömtemler vardır. Analizde kullanılan
ve gövde kısmı içinde termometre bulunan tiplerine ”termo-hidrometre” adı verilir. Özgül
ağırlığı belirlenecek numune, çapı hidrometre çapından en az 2,5 cm daha geniş ve
yüksekliğinde hidrometre yüzer vaziyette iken dipten 2,5 cm yukarı olacak şekilde cam bir
kabın çine konulur. Yakıtın kendi sıcaklığında ölçülen özgül ağırlık değerleri 15,5 oC (60 oF)
standart sıcaklığı çevrilerek yapılır. Akaryakıtlarda ASTM yöntemlerinin kabul ettiği diğer bir
özgül ağırlık birimi A.P.I. derecesi olup, d 15,5 oC (oF) ‘daki yoğunluk olmak üzere;
A.P.I = 141,5 / d-131,5 formülüyle bulunabilir.
Vizkozite: Vizkozite bir akıcılık ölçüsüdür. Yakıtın vizkozitesi düşük çalışma
sıcaklıklarında dahi serbestçe akacak kadar düşük, sızntıya engel olacak ve pompa sistemini
yağlayabilecek kadar da yüksek olmalıdır. Aynı zamanda yanma hücresine kolayca atomize
edebilecek uygun vizkozitede olmalıdır. Vizkozite akış halinde olan bir sıvının akmaya karşı
gösterdiği direnç olarak da tanımlanabilmekte ve mutlak vizkozite ve bağıl vizkozite olmak
üzere iki grupta verilmektedir.
Mutlak Vizkozite: 1 cm2’lik düzlem yüzey elemanını 1 cm uzakta, yine 1 cm2’lik
diğer bir yüze nazaran 1 cm/sn’lik bir hızla hareket ettirmek için 1 dyn’lik bir kuvvet
gerekiyorsa söz konusu sıvının vizkozitesine mutlak vizkozite veya mutlak içsel sürtünme adı
verilir. CGS sisteminin vizkozite birimi poise (g/s cm) dir. Vizkozite ölçülmesinde en çok şu
birimler kullanılmaktadır.
-Engler derecesi (oE)
-Redword saniye (RI)
-Saybolt saniye (SSU)
Destilasyon: Akaryakıtların özelliğini ve cinsini aydınlatmaya yarayan en önemli
yöntemlerden biri destilasyondur. Bu deney ASTM’nin kabul ettiği standart bir deney seti ile
yapılmaktadır. Deneyde, yakıt ısıtılarak buharlaştırılır. Buhar, bir soğutucudan geçirilerek,
yoğunlaşan yakıt bir ölçü kabında toplanır. %10 ,%20 ,%30 ,%40, %50, %60, %70, %80,
%90 ve son yakıtın yoğunlaştığı sıcaklıklar kaydedilir. Yakıt yüzdeleri, y eksenine,
sıcaklıklarda x eksenine alınarak her yakıt karışımı için buharlaşma eğrisi elde edilir. Düzgün
bir yanma için, buharlaşma eğrisinin de düzgün olması gerekmektedir.
Alevlenme Noktası: Sıvı bir yakıtın yanabilmesi için, bu yakıtın buharı ile havanın
belirli oranlarda karışmış olması gerekir. Bir yakıt ne kadar kolay buhar haline gelebilirse,
hava ile yanıcı bir karışım oluşturması da o derece kolay olur. Yakıtın bu kolay yanabilme
özelliği, alevlenme noktası ile tespit edilir. Yanıcı bir cismin alevlenme noktası bir cismin
hava ile yanıcı karışım meydana getiren bir buhar çıkardığı en düşük sıcaklık derecesidir.
Alevlenme noktasının yanma tekniği bakımından çok büyük bir önemi olmadığı
kaydedilmektedir. Ancak soğuk havalarda yanabilme özelliği bakımından sınırlamalar
getirmektedir. Özel kabına konulan numuneye istenilen bir sıcaklıktan itibaren bir derece
aralıklarla alev yaklaştırılmakta, yakıt buharının alevi aldığı sıcaklık, yakıtın alevlenme
noktası olarak belirlenmekte ve deney cihazı sesli sinyal vererek bu sıcaklığı dijital olarak
belirtmektedir.
Yakıtın Yapısal Bileşimi: Genel olarak parafin ve naften tipi yakıtlarda karbon
miktarı %89 civarındadır. Yakıtın önemli özelliklerinden biri de içindeki asfalt miktarıdır.
Asfaltlar, oksijenli ve kükürtlü büyük moleküllerdir. Sert asfalt normal sıcaklıkta yakıt
içersinde çözünmez. Böyle bir içeriğe sahip yakıt motorlarında kullanıldığı zaman piston,
silindir, subap yüzeylerine oturarak aşınmaya yol açar. Sert asfaltlar yakıt içersinde %0,50,7’yi geçmemelidir. Yakıt içersinde suyun bulunması da istenmez. Su bir yandan yakıt
donanımında korozyana yol açarken, diğer taraftan yakıtn ısı değerini düşürür.
Yakıtın Isı Değeri: Yakıtın ısı değeri genellikle birim kütlenin enerjisi ile verilir. Gaz
yakıtlarda ise ısı değeri, uygulamada birim hacminin enerjisi olarak verilir. Yanma sonu
sıcaklıklarında su her zaman buhar olarak bulunduğundan, ısı değeri, alt ısı değeri olarak
alınmalıdır.
1.6.1. Benzinin Özellikleri
Benzin, motor yakıtı olarak kullanılan ve genel formülü C5H12-CnH24 olan
hidrokarbonlardan oluşan bir karışımdır.
a. Buhar Basıncı: Benzinin uçuculuğunun bir ölçüsüdür. Buhar basıncı yüksek
benzinlerde buharlaşmadan dolayı büyük kayıplar olduğundan iklim şartlarına göre
ülkeler buhar basıncını sınırlandırırlar.
b. Vuruntu: Motorda, benzin ve hava karışımı bir kıvılcım ile ateşlendiğinde
kıvılcıma yakın kısım ateş alır. Alev 25 m/s hızla diğer bölgelere yayılırken, yanmayan
gazların sıcaklık ve basıncı da çok yükselir ve kendiliklerinden tutuşarak yanma anormal
bir hal alır. Bu şekilde oluşan dalga darbeleri silindir yüzeyi, piston ve silindir kafasına
çarparak vuruntu denilen ve istenmeyen bir olay meydana getirir. Vuruntu, basınç ve
sıcaklığın kritik bir sınırı aşamasından doğar. Yanma başlangıcında CO ve CO2'den başka
oluşan çok kararsız peroksit ve aldehitler belirli sıcaklık ve basınçta patlayarak vuruntu
oluşturur. Vuruntu yakıtın taşıdığı maddelere bağlı olarak değişir. n-heptan vuruntuyu
artırırken izooktan azaltır. Benzinin oktan sayısını artırmak için 4 LT benzine 3 mL
tetraetilkurşun (artık kurşunlu benzin lullanılmamaktadır) veya etilenbromür katılır.
c. Oktan Sayısı: İzooktan + n-heptan karışımındaki izooktan yüzdesine oktan
sayısı denir. Bir yakıtın oktan sayısı, aynı vuruntuyu veren izooktan/n-heptan karışımının
% oktan miktarıdır.
1.6.2. Gazyağının (Kerosen) Özellikleri
Gazyağı, genellikle 200-3.15 °C arasında kaynayan C12H26-C16H34 genel formüllü
hidrokarbonları ihtiva eder. Eskiden sadece aydınlatmada kullanılırken bugün ısıtma,
soğutma, traktor ve jet yakıtı olarak kullanılmaktadır.
1.6.3. Motorinin Özellikleri
Motorin ham petrolün destilasyonunda 315-375 °C aralığında destillenen C15H32C18H38 genel formüllü hidrokarbonlardan oluşur. Dizel yakıtı olarak kullanılır. Motorinin en
önemli iki özelliği akışkanlığı ve yanıcılığıdır. Bunlar uygun olmazsa “dizel vuruntusu”
denilen olay meydana gelir.
Setan Sayısı: Yakıtın yanma kalitesini ifade eder ve oktan sayısı gibi ölçülebilen bir
birimdir. Setan sayısı yüksek yakıtlarda dizel vuruntusu azalır. Kendiliğinden tutuşma özelliği
çok iyi olan setanın (n-hekzadekan) setan sayısı 100, kendiliğinden tutuşma özelliği çok kötü
olan α-metil naftalinin setan sayısı sıfır kabul edilmiştir. Bir yakıtın setan sayısı, aynı
vuruntuyu veren setan/α-metil naftalin karışımının % setan miktarıdır.
1.6.4. Fuel Oilin Özellikleri
Ham petrolün destilasyonundan elde edilen artıklarla destilasyon ürünlerinin çeşitli
oranlardaki karışımına ağır yakıt veya fuel oil denir. Fuel oilin ortalama özellikleri aşağıda
verilmiştir:
Bileşimi: % 81-86 C; % 10-13 H: % 0,5-5 S; % 0,0-0,25 tortu; % 0,0-1 H20
Alevlenme noktası: 70-140 °C
Isı değeri; 9600-10200 cal/g
Fuel oiller bazı özellikleri dikkate alınarak TS 2177'ye.göre Tablo 1.1' de verildiği
şekilde sınıflandırılmışlardır.
Tablo 1.1. Fuel Oillerin Sınıflandırılması (TS 2177)
Özellikler
Fuel Oil No:4
Kalorifer Yakıtı
Fuel Oil No:5
Alevlenme nokt.(min.)
55 oC
55 oC
55 oC
65 oC
Akma noktası (maks)
+2 oC
-
-
-
%su (hacimce)(maks)
0,5
1,00
1,00
2,00
Vizkozite
Kinematik (38 oC cst)
Kinematik (50 oC cst)
Ağır Fuel Oil
Maks. 35
Maks. 35
1.7. Akaryakıt Analizleri
Maks. 65
Maks. 162
Maks. 81
Maks. 638
1.7.1. Ksilol Metodu ile Su Tayini
10 mL'den daha fazla su vermeyecek numune kantitatif olarak tartılıp Ksilol
cihazının (Şekil 1) destilasyon balonuna konur. Yeteri kadar su ile doygun ksilol veya
bitümlü maddeler için (% 20 Benzol + % 80 ksilol) ilave edilir. Su toplama tuzağı ve
soğutucu takılır. Saniyede 2-5 damla destilat akacak şekilde, bir ceketli ısıtıcı ile balon
ısıtılır. Genellikle destilasyon süresi için bir saat yeterlidir. Destilasyondan sonra oda
sıcaklığına kadar soğutulan suyun hacmi okunarak numunedeki % su miktarı hesaplanır.
%su=
Tuzakta toplanan suyun hacmi
x100
Numune hacmi
Şekil 1.1. Ksilol Destilasyon Düzeneği
1.7.2. Vizkozite Tayini
Vizkozite akışkanın akmaya karşı gösterdiği direnç olup akışkanların en önemli ve
belirgin özelliklerindendir. Vizkozite çeşitli şekillerde tanımlanır. Bunlar;
a. Mutlak ( Dinamik) Vizkozite: Akan bir sıvının 1 g'lık kütlesi saniyede l cm
yol alıyorsa vizkozitesi 1 poise'dir. CGS birim sisteminde birimi 1 g/s cm = 1
poise'dir. 0,01 poise = 1 centipoise olup, suyun 20 °C' deki vizkozitesi l
centipoisedir.
b. Kinetik Vizkozite: Mutlak vizkozitenin yoğunluğa bölünmesiyle bulunur.
Birimi cm2/s (stockes) dür. 0,01 st = 1 centistockes (cst) dur.
c. Bağıl Vizkozite: Bir sıvının 20 °C' deki vizkozitesinin suyun 20 °C' deki
mutlak vizkozitesine oranıdır.
d. Spesifik Vizkozite: Bir sıvının vizkozitesinin aynı sıcaklıktaki diğer bir
sıvının vizkozitezine oranıdır.
1.7.2.1. Engler Vizkozimetresiyle Vizkozite Tayini
Şekil 1,2' de gösterilen bu cihaz, 160 mm çapında, 62 mm derinliğinde ve hacmi 240
mL olan metalik bir kap (A) ve bu kabın etrafında bulunan bir su banyosundan (B) ibarettir.
Su banyosu, ayaklarından birinde seviye ayarlama vidası bulunan bir saç ayağı üzerine
oturtulmuştur. Banyo hava gazı veya elektrikle ısıtılabilir. Metalik kabın tam merkezinde,
ekseriye platinden veya buna benzer iyi ve dayanıklı cins bir metalden yapılmış olan 2,9 mm
çapında, 20 mm uzunluğunda bir delik (D) bulunur. Kap genellikle bir metalik kapakla
kapatılır. Bu kapağın tam ortasında, alttaki ufak deliğe girmek üzere ucu sivriltilmiş olan bir
tahta çubuk (C) bulunur. Bir tanesi kaptaki numunenin, diğeri de su banyosunun sıcaklığını
hassas olarak (0,2 °C) ölçebilecek iki termometre (E, F) vardır. Banyodaki su metalik bir
karıştırıcı (K) yardımıyla elle karıştırılır.
a
b
Şekil 1.2. Engler Viskometresi (a: dış görünüş, b: arakesit)
Deneye başlamadan önce, cihazın ilk olarak alkol, sonra da eterle iyice temizlenmiş ve
kurutulmuş olması gerekir. Numune içindeki eser kadar bile olsa ince madde parçacıklarının
bulunmaması gerekir. Bunun için tayinden önce numune süzülmelidir. Bundan sonra metalik
kap numuneyle, kap içinde bulunan seviye gösterici iğnenin üst hizasına kadar doldurulur.
Vizkozite ölçümünün yapılacağı sıcaklığa getirilir. Platin delik altına 200 mL hacmindeki
Engler Balonu (G) yerleştirilir. Termometreler istenilen sıcaklıkta sabit kaldıktan sonra ani bir
hareketle tahta çubuk yukarı çekilerek delik açılırken kronometre çalıştırılır. Engler
Balonunun dolması için geçen zaman kaydedilir. Bu değer viskozimetrenin su değerine
bölünerek numunenin "Engler Derecesi" olarak vizkozitesi bulunur. İstenirse Tablo 1.2' den
yararlanılarak diğer birimlere çevrilebilir.
Engler vizkozimetresinin değeri bilinmiyorsa, numune ile deneye başlamadan önce
tam 20 °C’deki saf su kullanılarak ve yukarıda anlatıldığı şekilde çalışarak su değerinin tayin
edilmesi gerekir. Yapılan üç aynı tayin ile bulunan değerler arasında 0,1 saniyeden daha küçük
bir fark varsa bu değerlerin ortalaması su değeri olarak kabul edilebilir.
Gerek akaryakıtlarda gerekse makine yağlarında bu cihazla 20, 50 ve 100 °C' de
vizkozite tayini yapılabilir
1.7.3. Petrol Ürünlerinin Destilasyonu
Destilasyon, yakıtın uçuculuk ölçüsü olup, uçuculuk azaldıkça yanma daha düzenli
olur. Yüksek devirli motorlarda en iyi gücü sağlamak ve dumanı azaltmak için düşük
uçuculuk özelliğine sahip yakıtlar kullanılır.
Destilasyon, benzin, uçak benzini, nafta, gazyağı, motorin ve fuel oil destilatı gibi
petrol ürünlerinin uçuculuklarını tayin etmek için yapılır.
Deneyin Yapılışı: Şekil 1.3' de verilen düzenek kurulur. Soğutucunun soğutma
banyosu su ve buz ile tamamen doldurulur. Banyo sıcaklığı 0-45 °C arasında olmalıdır.
Destilatın toplanacağı mezüre 100 mL numune alınıp destilasyon balonuna konur.
Termometre balona yerleştirilir. Termometrenin civa haznesi balonun çıkış borusu deliğinin
alt kısmında olmalıdır. Mezür kurulanmadan destilatın toplanacağı yere yerleştirilir.
Destilasyon süresince hava sıcaklığı 12,8-18,3 °C arasında olmalıdır. Eğer değilse mezür bir
soğuk su dolu kap içine konur. Mezürün ağzı, ortası delik bir süzgeç kâğıdıyla kapatılır.
Sistem hazırlandıktan sonra ilk destilat, 5 dk' dan kısa, 10 dk' dan uzun sürede
geçmeyecek şekilde balon ısıtılır. İlk destilat damlasının mezüre düştüğü andaki sıcaklık "ilk
kaynama noktası" olarak kaydedilir. Destilasyon hızı 4-5 mL/dk olmalıdır. Her 10 mL
destilat toplandığında sıcaklık kaydedilir. Balonda yaklaşık 5 mL kalıntı kalıncaya kadar
destilleme işlemine devam edilir. Destilasyon devam ettiği halde sıcaklık bir maksimuma
ulaştıktan sonra düşmeye başlar. Okunan en yüksek sıcaklığa "son kaynama noktası" denir.
5 mL'lik kalıntı 5 dk'da destillenir. Destilasyon sonunda balonun dibindeki son
damlanın buharlaştığı sıcaklığa "kuru nokta", akaryakıtın bozunduğu sıcaklığa (duman çıkışı
ile belli olur) "bozunma noktası" denir. Toplam destilat hacmi "% destilasyon verimi" dir.
Balonda kalan artık bir ölçü kabına alınarak hacmi ölçülür ve "% artık" bulunur.
% Kayıp = 100 - (% destilasyon verimi + % artık)
Deneyin yapıldığı andaki hava basıncı 760 mmHg'dan daha az ise, okunan
sıcaklıklara aşağıda verilen Sydney-Young formülü ile hesaplanan düzeltme değeri ilave
edilmelidir:
T= 0,00012 (760-P)(273+t)
T=İlave edilen sıcaklık (K)
t= Okunan sıcaklık (°C)
P=Deneyin yapıldığı andaki basınç (mmHg)
Şekil 1.3. Destilasyon Düzeneği
1.7.4. Alevlenme Noktası Tayini
Bir akaryakıt buharının alev aldığı en düşük sıcaklığa alevlenme sıcaklığı denir.
Özellikle yakıtın depolanması ve kullanılmasında yangın tehlikesine karşı alınacak tedbirler
bakımından büyük önem taşır. Alevlenme noktası tayininde şu metotlar kullanılmaktadır:
1- Tag kapalı kap metodu,
2- Pensky-Martens metodu,
3- Abel-Pensky metodu.
4- Cleveland açık kap metodu.
Aşağıda laboratuvarda kullanılan Cleveland Açık Kap Metodu açıklanmıştır:
1.7.4.1. Cleveland Açık Kap Metodu ile Alevlenme Noktası Tayini
Genel olarak az uçucu örneklerin alevlenme noktası tayininde kullanılan Cleveland
açık kap alevlenme noktası tayin cihazı yarı otomatik olarak çalışır. Şekil 1.4' te görüldüğü
gibi cihaz numune kabı (A), ısıtıcı (B), gaz bağlantılı bir brülor (C) ve termometreden (D)
ibarettir. Cihazla 400 °C' ye kadar tayin yapmak mümkündür.
Parlama (Alevlenme) noktası tayin edilecek örnek, işaret çizgisine kadar numune
kabına doldurulur ve cihaza yerleştirilir. Isıtıcı açılarak 5 °C/dk hızla ısıtma yapılır. Parlama
noktasından 15-20 °C önce gaz açılarak brülör yakılır. Alevin boyu yaklaşık 4 mm olmalıdır.
Bu sırada ısıtma hızı 3-4 °C/dk’ya düşürülür. "Test" düğmesi yardımıyla otomatik olarak alev,
numune üzerinde bir saniye süre ile gezdirilir. İşlem, sıcaklık her 1 °C yükseldiğinde
tekrarlanır. 104 °C’ den daha yüksek sıcaklıklarda 3 °C' de bir tekrarlanmalıdır. Numunenin
alev aldığı en düşük sıcaklık alevlenme noktası olarak kaydedilir.
Şekil 1.4. Cleveland Açık Kap Alevlenme Noktası Tayin Cihazı
Tablo 1.2. Vizkozite Çevirme Cetveli
1.8. Biyodizel
Ayçiçeği, soya, kanola, aspir, fındık, pamuk gibi yağlı tohum bitkileri ile hayvansal
ve atık yağlardan elde edilen yağların bir katalizör eşliğinde alkol ile tepkimesi sonucu ortaya
çıkan ve yakıt olarak kullanılan bir üründür.
Biyodizel petrol içermez; fakat saf olarak veya her oranda petrol kökenli dizelle
karıştırılarak yakıt olarak kullanılabilir. Saf biyodizel ve dizel-biyodizel karışımları herhangi
bir dizel motorunda, motor üzerinde herhangi bir modifikasyona gerek kalmadan veya küçük
değişiklikler yapılarak kullanılabilir.
Biyodizel,
dizel ile karışım oranları
bazında
aşağıdaki gibi adlandırılmaktadır.
B5 : % 5 Biyodizel + %95 dizel
B20 : % 20 Biyodizel + %80 dizel
B50 : % 50 Biyodizel + %50 dizel
B100:%100Biyodizel
1.8.1. Neden Biyodizel?
Dışa Bağımlılığı Azaltır: Üretimin tamamen yerli olması sebebiyle mahalli tarım
ürünlerinin ülke içinde değerlendirilmesiyle biyodizel üretilerek enerjide dışa bağımlılık
ortadan kalkacaktır. Bu enerji aynı zamanda yenilenebilir ve stratejik bir enerji kaynağıdır.
Ticari Etkisi: Biyodizelin elde edilmesi esnasında ortaya çıkan gliserin ve potasyum
gübresi ticari amaçla kullanılabilir. Biyodizel üretimi petrol rafîne tekniğine benzer bir
yöntemle yapıldığında SETAN (dizel yakıt güçlendiricisi), NAFTA (benzin katkısı) gibi yan
ürünler elde edilmektedir. SETAN katkılı dizel yakıt yeşil dizel olarak bilinir. Tarımsal
sanayinin güçlenmesini sağlar ve böylece kırsal alandan göçü azaltabilir.
Alternatif Yakıt: Biyodizel temelde mazota rakip değil, alternatiftir. Ülkemizde
mazot tüketimi yıllık 15.000.000 ton civarındadır. Bu tüketim miktarının % 10-20 arası bir
miktar biyodizel olarak üretilebilir. Fiyat ve nitelik açısından biyodizel mazot sahteciliği ve
kaçakçılığının önüne geçerek devletimizi kayıptan kurtaracaktır.
1.8.2. Çevre Kirliliği Açısından Faydaları
Çevre Dostu Biyodizel: Fosil kökenli yakıtların çevre üzerindeki olumsuz etkilerine
karşılık, "Biyodizel çevre ile uyumludur. 21 gün gibi kısa süre içerisinde tabiatta % 99,6' ya
varan oranlarda biyolojik olarak parçalanır. Biyodizelin yanması sonucu yeryüzü bitki örtüsü
için gerekli tabii karbondioksit açığa çıkar. Yanma sonucu oluşan gazın, çevreye zarar veren
gaz emisyon değerleri oldukça azdır
Suyu Kirletmez: 1 litre petrol 1 milyon litre içme suyunun kirlenmesine yol açar.
Yapılan araştırmalar sonucu biyodizelin sudaki canlılara karşı toksit etkisi olmayan bir yakıt
olduğu ortaya çıkmıştır. Biyodizel petrol kaynaklı dizel ile her oranda karıştırılabileceği için
bu durumda yanma sonucu ortaya çıkan zararlı gazlar azalmakta ve motordaki yağlanma
derecesi artmaktadır. Petrol kökenli dizele göre daha yüksek tutuşma derecesine sahip olan
biyodizel bu özelliği nedeniyle taşıma ve depolama sırasında kolaylık sağlamaktadır. Motor
randımanlarında ise petrol kökenli dizellerle aralarında bir fark olmamaktadır.
Sera Etkisini Artırmaz: Biyodizel, egzozlardan atılan duman ve kurumu %70' ten
fazla bir oranda azaltır, araçlarda motor ömrünü uzatır, vuruntuyu önler ve aracın sessiz
çalışmasını sağlar. Üretim tesisinin bertaraf özelliği ise, atıkların değerlendirilip çevreyi
kirletmeden ekonomik değer kazandırılmasını sağlar.
1.8.3. Nerelerde Kullanılabilir?
Biyodizel, herhangi bir modifikasyona gerek duyulmadan, tüm dizel yakıtlı araçlarda
kullanılabilir. Kara ve deniz taşımacılığı araçlarında, yeraltı maden sektöründe, tarım
makinelerinde, endüstriyel jeneratör ve ısıtma sistemlerinde kullanılabilir. Su araçlarında
kullanımının çok daha fazla çevresel fayda oluşturduğu 180 Beygir gücündeki bir test
teknesinde kullanımıyla gösterilmiştir (1994).
Biyodizel %100 kullanılabileceği gibi, petrol kökenli dizelle de belirli oranlarda
karıştırılarak kullanılabilir.
1.8.4. Biyodizelin Ana Özellikleri
Biyolojik Olarak Bozunabilirliği: Biyodizeli oluşturan C16-C18 metil esterleri
doğada kolayca ve hızla parçalanıp bozunur. 10 g/l' ye kadar herhangi bir olumsuz
rnikrobiyolojik etki göstermezler. Suya bırakıldığında 28 günde biyodizelin %95'i
bozunabilirken
petrol
dizelinin
ise
%40'ı
bozunabilmektedir.
Biyodizelin
doğada
bozunabilme özelliği dekstroza (şeker) benzemektedir.
Toksik Etkisi: Biyodizelin olumsuz bir toksik özelliği bulunmamaktadır. Biyodizel
için ağızdan alınmada öldürücü doz 17,4 g. biyodizel/ kg. vücut ağırlığı şeklindedir. Sofra
tuzu için bu değer 1,75 g tuz/kg. vücut ağırlığı olup, tuz biyodizelden 10 kat daha yüksek
öldürücü etkiye sahiptir. İnsanlar üzerinde yapılan elle temas testleri biyodizelin ciltte
%4'lük sabun çözeltisinden daha az toksik etkisi olduğunu göstermiştir.
Depolama: Biyodizel temiz, kuru ve karanlık bir ortamda depolanmalı ve aşırı
sıcaktan kaçınılmalıdır.
Soğukta Akış Özellikleri: Biyodizel ve biyodizel-motorin karışımları motorinden
daha yüksek akma ve bulanma noktasına sahiptir. Bu durum yakıtların çok soğuk hava
şartlarında kullanımında sorun çıkarır. Akma ve bulanma noktaları uygun katkı maddeleri
(antijel maddeler) kullanımı ile düşürülebilmektedir. Biyodizel-motorin karışımları 4 °C
üzerinde harmanlama ile hazırlanmalıdır.
Motor Yakıtı Özellikleri: Biyodizel; motoru güç azaltıcı birikintilerden temizleme ve
motorinden çok daha iyi yağlayıcı özelliklere sahiptir.
1.8.5. Biyodizelin Kimyasal Yapısı
Biyodizel, biyolojik yağlardan transesterifikasyon (ester değişimi) yöntemi ile elde
edilen yağ metil esteridir. Ortalama kimyasal karışım oranları
Bitkisel yağ % 82,3
Metil alkol %17
Sodyum hidroksit % 0,7
Bu karışım yağdaki pH oranına ve metil alkolün saflık derecesine göre değişim
gösterebilir. Bitkisel yağlar metil alkolle reaksiyona girdikten sonra yağın moleküler yapısı
değişir. Reaksiyon sonucunda yağın içerisindeki gliserin ayrılır, işlem sonunda:
Biyodizel %82
Gliserin %16
Atık (sabunlu su) % 2
1.8.6. Biyodizel Üretimi Nasıl Yapılır?
180 mL metanol' ün içerisine 5 g NaOH sodyum hidroksit (kostik) koyularak yarım
saat çözününceye kadar kanştırılır. Buna metaoksit denir.
Daha sonra l000 mL yağ 55 °C kadar ısıtılır. Bu sıcaklıkta yağ ile metaoksit birbirine
katılarak 1 saat karıştırılır. Daha sonra 8 saat dinlendirilir. Alt kısımda %10 gliserin dibe
çöker. Bu gliserin fiziksel olarak ayrıştırılır. Daha sonra kalan %90 lık kısım saf su ile yıkanır.
Bu işleme suyun pH'sı 7 olana kadar devam edilir. Su ile biyodizel 10 saat dinlendirilince
birbirinden ayrılır. Kalan biyodizel kurutma işlemine tabi tutulur. Gerekli testler yapılarak
kullanıma hazır hale getirilir. Elde edilen gliserin ise mineral asit verilerek saflaştırılır. Bu
işlemler pek çok metot kullanılarak yapılmaktadır. Separatörler verimlilik ve hız kazandırır.
Kalite de artar. Biyodizel işi; tarımından hasadına, işlemesinden son ürüne kadar sürekli
kontrol gerektiren testler yapılması gereken teknik ve önemli bir iştir.
Biyodizel
Gliserin
Şekil l.5. Biyodizel Üretimi Akım Şeması
1.8.7. Motorin ile Biyodizel Arasındaki Fark
1) Fosil yakıt olan motorine oranla doğada daha kolay yok olur ve çevreye daha az zarar
verir.
2) Suya karıştığında 28 gün içinde yüzde 95'i yok olabilir. Motorinde ise bu oran yüzde
40'a kadar çıkabilir.
3) Setan sayısının fazla olması, biyodizelde yüzde 35'e varan oranda yakıt tasarrufu
sağlanmasına da neden olur.
4) Duman ve kurum oranı yüzde 70 azalır. Biyodizelin yağlayıcı özelliği, araç bakım
masraflarında azalmaya yol açar.
Dezavantaj:
Karşılaşılan en önemli dezavantaj ise maliyet fıyatı konusunda
olmaktadır. Şu anda 60 dolar olan petrole karşı biyodizelin fiyatı 80-90 dolar civarında
olmasıdır. Yoğunluğunun fazla olması da soğuk iklimli yerlerde saf kullanımı bir sorun
oluşturmaktadır.
Ana Üretim Birimleri: Bir biyodizel üretim tesisinin ana üretim birimleri; reaktörler,
destilasyon kolonları, ekstraksiyon kolonları, ısı değiştiriciler, pompalar ve separatörleridir.
1.8.8. Bitkisel Yağların Yakıt Özelliklerini İyileştirme Yöntemleri
Biodizel üretiminde kullanılan yağların kullanım aşamasına gelebilmesi için
vizkozitelerinin azaltılmasında ısıl ve kimyasal olmak üzere iki yöntem uygulanmaktadır.
İyileştirme yöntemleri aşağıdaki şemada gösterilmiştir.
Vizkozitenin Azaltılması
Isıl Yöntem
İnceltme
(Seyreltme)
Kimyasal Yöntem
Mikroemisyon
Proliz
Transesterifikasyon
(Ayrıştırma) (Yeniden Esterleştirme)
(Oluşturma)
Şekil 1.6. Bitkisel Yağların Yakıt Özelliklerinin İyileştirilmesi
Bu yöntemlerden uygulamada en çok kullanılanı kimyasal yöntemdir. Kimyasal
yöntemler içerisinde de en fazla kullanılanı seyreltme (inceltme) ve transesterifikasyon
yöntemidir.
1.8.8.1.
Seyreltme (İnceltme) Yöntemi
Bu yöntem bitkisel yağların belirli oranlarda dizel yakıtına karıştırılması olarak tanımlanır.
Uygulamada yaygın kullanılan B20 yakıtı, Dizel içerisine %20 oranında bitkisel yağ katılarak
elde edilir. Bu şekilde elde edilen yakıtın dizel yakıtına göre maliyetinin daha düşük olduğu
ve performans değerlerinin de dizel yakıtına yakın olduğu belirlenmiştir.
1.8.8.2.
Transesterifikasyon Yöntemi
Bitkisel yağların, dizel yakıtı alternatifi olarak uygunlaştırılmasında izlenen en önemli
yöntem kimyasal yöntemdir. Bu yönteme alkoliz reaksiyonu adı da verilmektedir.
Transesterifikasyon, bitkisel yağın küçük molekül ağırlıklı alkolle bir katalizatör eşliğinde
gliserin ve yağ asidi esteri oluşturmak üzere reaksiyona girmesidir. Bu reaksiyon sonucu
biyodizel elde edilmektedir. Bitkisel yağlarda transesterifikasyonun uygulanması Şekil 1.7.
ile gösterilmektedir.
H2C
O
CO
R1
HC
O
CO
R2
H2C
O
CO
R3
trigliserit
+ 3CH3OH
metanol
katalizor
R1
O
COOCH3
R2
O
COOCH3
R3
O
COOCH3
+
H2C
OH
HC
OH
H2C
OH
yag asiti metil esterleri
(biyodizel)
Şekil 1.7. Bitkisel Yağın Transesterifikasyonu
1.8.9. Kullanılmış Bitkisel ve Hayvansal Yağlardan Biyodizel Üretimi
gliserin
Kullanılmış yağlar ayrı kaplarda toplanır. Temiz bir ortamda yeterli seviyeye
gelinceye kadar bekletilir.
Yağ içindeki her türlü yanmış gıda maddeleri filtre edilir. Kullanılmış yağ içinde
olması muhtemel su ısıtılarak (100 °C sıcaklık yeterli) giderilir.
Ticari metil alkol veya etil alkol satın alınır. Metil alkol ile etil alkol prosesleri çok
farklıdır. Metil alkol sağlık açısından çok zararlı madde olduğundan dikkatli kullanılmalıdır.
Ticari sodyum hidroksit satın alınır. Sodyum hidroksit çok bazik ve nem tutma
özelliğine sahip olduğundan nemsiz ortamda depolanmalıdır. Dikkatli kullanılmazsa kalıcı
hasarlara neden olabilir.
20 °C sıcaklıkta bitkisel veya hayvansal atık yağ derişik ve pıhtı halinde ise bu
durumda reaktanlar ilave edilmeden önce kullanılmış yağın ısıtılması (48-54 °C) gereklidir.
Küçük kapasiteli uygulamalar için 40 ila 120 litrelik çelik kaplar yeterlidir. Kaplar
sıcaklığa ve korozyona dayanıklı olmalıdır. Konsantre ve pıhtı halindeki yağları ısıtmak için
ideal sıcaklık 48-54 °C' dir. Daha büyük hacimler için bir su ısıtıcı eleman, karıştırmalı çelik
biyodizel tankı dışına monte edilir. Plastik kaplarda bu işlem yapılacaksa sıcaklık 60 °C’yi
geçmemelidir. Aksi durumda plastik deforme olabilir.
Bitkisel veya hayvansal atık yağa ilave edilecek metil alkol miktarı, Vx0,2 (LT)
formülünden hesaplanır. Burada V bitkisel veya hayvansal yağ miktarıdır. Vx0,2 (LT)
değerini M olarak belirtelim.
Bitkisel veya hayvansal yağa ilave edilecek sodyum hidroksit miktarı ise Vx3,5 gram
formülünden hesaplanır. Eğer kullanılmış yağ tekrar kullanılacaksa Vx5,5 alınır. Vx3,5'i L
diye belirtelim.
L gram sodyum hidroksit, M litre metil alkole ilave edilir. Sodyum hidroksit metil
alkolde çözününceye kadar karıştırılır. Sodyum metoksit çözeltisi elde edilir. Sodyum
metoksit çözeltisi, çok toksik ve boyalara karşı çok koroziftir. Sodyum hidroksit, çinko,
alüminyum veya teneke kaplarla reaksiyona girer. Dolayısıyla bu tür kaplar kesinlikle
kullanılmamalıdır. Mümkünse çelik kaplar kullanılmalıdır.
Sodyum metoksit, sıvı haldeki bitkisel veya hayvansal yağa bekletilmeden ilave edilir.
Bir saat düzenli olarak karıştırılır. Karışımın fazlarına ayrışması ve soğuması için 8 saat
bekletilir. Üst fazda oluşan biyodizel yukarıdan alınır. Alt fazda oluşan gliserin ise alttan
alınır. Gliserin yıkanır. Klasik sistemlerde gliserin en az bir hafta güneş ışığı altında
bekletilerek metil alkolün buharlaşması sağlanır. Gliserine ilave edilecek koku verici madde
ile istenilen koku elde edilebilir.
1.8.10. Türkiye'nin Bitkisel Yağ Potansiyeli
Bitkisel yağlar ülkemizde halen yemeklik yağ olarak tüketildiğinden ekim ve üretim
miktarları bu alana cevap verebilecek düzeydedir. Bitkisel yağların motor yakıtı olarak
kullanılabilir duruma gelmesiyle, bu alandaki üretimin artırılma olanağı vardır.
Ülkemizde yağlı bitkilerin tarımı ayçiçeği üzerine yoğunlaşmıştır. Buna alternatif
olarak kanola bitkisi de yüksek verim, yağ kalitesi, yüksek yağ oranı, tarım kolaylığı ve
küspesi açısından önemlidir.
1.8.11. Biyodizel Üretim Yöntemleri
Manuel basit sistem
Bach sistem (beklemeli)
Kontini sistem (sürekli)
Süper kritikıl yöntem (yüksek basınçlı)
Yüksek frekanslı sistem (çok yeni)
Bu sistemler sırasında maliyet giderek artmaktadır. Ülkemizdeki sistemlerin tamamına
yakını manuel basit sistemdir. Bu sistemler mutlaka krom nikel 316-L olmalıdır. Ana depo
hariç olabilir. Bach sistemler ise otomasyonlu ve seperatör kullanılan orta boy işletmelerdir.
Seperatör ana maliyet olup, en az 2 adet gereklidir. EN 14214 standardında mamul üretebilir.
Sürekli sistemlerde ise yüksek kolonlar olup mal akışı sürekli otomasyonlu, 4 seperatörlü
sistemlerdir. Tamamen 316-L çelikten yapılırlar. Ayrılan gliserin tıbbi gliserin olarak
kullanılır. Sistemden su dahil hiçbir atık çıkmaz. Yüksek Frekans sistemler için yeni paten
alınmış olup çok yenidir.
Tablo 1.3. Dizel Yakıtı ve Biyodizelin Özellikleri
Yakıtın
Özellikleri
Birim
Kapalı formül
-
Molekül ağırlığı
g/mol
Sınır Değeri
Min. Maks.
Biyodizel
Dizel
-
C19H35,2 O2
C12,226 H23,29 S0,0575
296
120-320
Alt ısıl değeri
-
Kütlesel
MJ/kg
-
37,1
42,7
Hacimsel
MJ/L
-
32,6
35,5
Kg/L
0,875-0,900
0,87-0,88
0,82-0,86
mm2/s
2-4,5
4,3
2,5-3,5
Tutuşma noktası
o
55-..
>100
>55
Kükürt içeriği
% kütlesel
..-0,05
<0,01
<0,05
Tutuşma katsayısı
Setan Sayısı
49-..
>55
49-55
Kül
% kütlesel
..-0,01
<0,01
<0,01
Su miktarı
mg/kg
..-200
<300
<200
Özgül ağırlığı 15
o
C
Kinematik
o
vizkozite 40 C
C
Sonuç olarak, araştırmacılar biyodizel kullanımı konusunda elde ettikleri ortak
sonuçları aşağıdaki gibi sıralamışlardır.
- Maksimum %5'lik bir verim kaybının, ancak aşırı yük gibi özel durumlarda
belirlenebildiğini,
- Yakıt filtrelerinde veya yakıt pompalarında herhangi bir probleme rastlanmadığını,
ayrıca motor üzerinde teknik bir değişim olmadan biyodizelin kullanılabileceğini,
- Biyodizelin kış aylarında da kullanılabileceğini, kış aylarında motorun ilk çalışmasının
sorun çıkamadığını,
Kanola ve kanola metil esteri kullanımı sonucu atmosferdeki CO2 oranının
azaltılmasının mümkün olacağını,
- Biyodizel'in emisyonlarının zararsız olduğunu ve toprakta hızlı bir şekilde
indirgendiğini, ayrıca dolum sırasında depodan zehirli gaz açığa çıkmadığını,
- Biyodizel'in iyi bir yağlama yeteneğine sahip olduğunu ve böylece yüksek derecede
motor aşınması oluşturmadığını,
- Biyodizel'in yanması sonucunda çevreye atılan zararlı gazların, dizel yakıtına göre;
%15 daha az CO, %27 daha az HC, sadece %5 daha fazla NOx, %22 daha az partikül, %50
daha az is ve %10 daha düşük ısıl değeri, buna karşın ortalama yakıt tüketiminin yaklaşık
olarak dizelden %3 fazla olduğunu,
-Bitkisel yağların asıl avantajının, yağların biyolojik olarak çözünebilir olduğu,
özellikle gemilerde, koruma altındaki su bölgelerinde, endüstri bölgelerinde veya benzer
şekildeki hassas bölgelerde kullanılmasının daha da anlamlı ve kaçınılmaz olacağı sonucuna
varılmıştır.