Chemia w lotnictwie

CHEMIA W LOTNICTWIE

Chemia jest nauka która zajmuje się badaniem różnych substancji ich właściwościach oraz przemianach jakim ulegają
Chemia jest nauką przyrodniczą i doświadczalną.
Osiągniecia w tej dziedzinie umożliwiły opracowanie nowych nowych technologi oraz wzrost skali produkcji w technologich tradycyjnych. Rozwija się przemysł chemiczny?

Przemysł chemiczny ma trzy oblicza:

tzw. wielką chemię - czyli przemysł surowcowy, do którego zalicza się przemysł petrochemiczny, przemysł tworzyw sztucznych, produkcja kwasu siarkowego, nawozów i tzw. wielka synteza organiczna.
chemię małotonażową - która specjalizuje się w produkcji stosunkowo małych ilości, ale za to bardzo kosztownych substancji, takich jak leki, związki zapachowe, detergenty, farby, kleje, itp.
przetwórstwo chemiczne - które nie produkuje chemikaliów jako takich, lecz tylko je przetwarza w produkty końcowe, poprzez mieszanie, obróbkę termiczną i mechaniczną lub tylko konfekcjonowanie (pakowanie).

Elementy chemii w budowie szybowca:

Materiały używane do budowy szybowców muszą spełniać określone normy.
Do lat siedemdziesiątych XX wieku podstawowym materiałem było drewno, do pokrywania powierzchni skrzydeł czy kadłubów najczęściej w szybowcach drewnianych używano sklejki oraz płótna.
Obecnie wynaleziono nowoczesne materiały, które udoskonaliły ich wytrzymałość i lot?

budowane są z laminatów szklano-epoksydowych, kompozytów włókien węglowych i aramidowych .

laminaty są to tworzywa warstwowe które otrzymuje się w wyniku połączenia w jedną całość kilku lub kilkudziesięciu warstw nośnika najczęściej:

a)Forniru ?są to cienkie płaty drewna uzyskiwane przez skrawanie płaskie (styczne - w kierunku prostopadłym do włókien) lub obwodowe (łuszczenie). Płaty te mają grubość od 0,1 do 3,0 mm. Płaty grubości do 5 mm zwane są obłogami. Fornir w zależności od efektywności rysunku (od gatunku drzewa) może być przeznaczony na sklejkę, okleinę lub drewno warstwowe prasowane.
Uplastycznienie przeprowadza się przez gotowanie surowca w wodzie lub naparowywanie parą nasyconą. Szybsze uplastycznienie następuje przy parowaniu. Ogólnie przyjmuje się 1, 5-2 godziny na każdy centymetr promienia wyrzynka przy parowaniu i 2-3 godziny przy gotowaniu.
b)arkuszy papieru
c)tkanin:
-bawełniane
-azbestowej: tkanina zbudowana z różnych minerałów występujących w włóknistej formie. Charakteryzuje się znaczną odpornością na działanie czynników chemicznych, ścieranie i wysoką temperaturę. najczęsciej stosowana jako materiał izolacyjny ponieważ nie przewodzi ciepła i prądu.
Jednak jego pył jest zbyt szkodliwy, wywołuje (pylice) czyli przelekła chorob układu oddechowego i prowadzi do niewydolności krążenia i raka płuc.
-szklanej: otrzymywane są ze szkła wodnego i czasami też ze stopionego szkła.

Wszystkie te elementy połączone są nasycone lub powleczone żywicą syntetyczną np.:

a)fenolowo- formaldehydową :Tworzywo sztuczne typu bakelit powstaje w wyniku reakcji fenolu z aldehydem mrówkowym. Reakcja między fenolem a aldehydem mrówkowym zachodzi w obecności katalizatorów
zasadowych (wodorotlenek sodu, chlorek amonu). W pierwszym etapie reakcji powstaje mieszanina alkoholi o- i p-hydroksybenzylowych, które reagują dalej tworząc polikondensat, zwany żywicą rezolową. Stałe i ciekłe żywice rezolowe są topliwe i rozpuszczalne w rozpuszczalnikach organicznych. Wielkość cząsteczek polikondensatu zależy od czasu i temperatury ogrzewania. Ostateczną strukturę żywicy tworzą splątane łańcuchy połączone ze sobą mostkami metylenowymi.
b)Poliestrową: grupa żywic syntecznych, których głównym składnikiem są różnego rodzaju poliestry. Najczęściej spotykane są dwuskładnikowe nienasycone żywice poliestrowe, w których proces sieciowania, zachodzi w temperaturze pokojowej i jest oparty na rodnikowo inicjowanej reakcji między wiązaniami wielokrotnymi węgiel-węgiel występującymi w strukturze tych substancji.
c)Epoksydową: rodzaj jedno- lub dwuskładnikowych żywic syntetycznych, które są zdolne do tworzenia nietopliwych i nierozpuszczalnych tworzyw sztucznych na skutek reakcji sieciowania z udziałem ugrupowań epoksydowych.
Żywica epoksydowa jest, zależnie od masy cząsteczkowej i struktury wysokolepką cieczą lub topliwym ciałem stałym, rozpuszczalnym w ketonach i węglowodorach aromatycznych. Utwardzona żywica epoksydowa staje się nierozpuszczalna i nietopliwa, bardzo przyczepna do prawie wszystkich materiałów oraz względnie chemoodporna.
Istnieją trzy sposoby otrzymywania żywic epoksydowych w przemyśle:
-reakcja epichlorochydryny ze związkami posiadającymi ruchliwe atomy wodoru (najczęściej difenole, czasem diaminy lub poliglikole) katalizowana zasadą, a następnie oligomeryzacja powstałych związków
-bezpośrednie utlenianie za pomocą kwasów organicznych nienasyconych węglowodorów alifatycznych lub cykloalifatycznych do odpowiednich związków epoksydowych
-addycja kwasu chlorowego(I) (HOCl) do związków nienasyconych i dehydrohalogenacja za pomocą zasady
d) aminową

proces łączenia warstw nośnika przeprowadza się w temperaturze ok. 105 stopni C, pod ciśnieniem 15MPa.
Zależnie od potrzeby dodawane są do tych żywic odpowiednie wypełniacze, zwłaszcza zaś gdy występują tzw. pogrubione spoiny lub gdy istnieje trudność z dokładnym dopasowaniem łączonych powierzchni. Drobno cięty rowing i płatki bawełniane zwiększają wytrzymałość połączenia, mikrobalon natomiast (lekki drobny proszek) stosowany jest do dobrego wypełnienia grubej spoiny. Krzemionka koloidalna dodawana jest do masy kleju w celu zapobieżenia wyciekaniu ze spoin świeżo naniesionego kleju. Często stosuje się jednocześnie kilka z wymienionych tu dodatków.

O zastosowaniu laminatów w konstrukcjach szybowcowych zadecydowały następujące właściwości laminatów:
- wysoka wytrzymałość,
- odporność na działanie czynników zewnętrznych,
- zdolność zachowania uformowanego przy wytwarzaniu kształtu,
- możliwość wiernego odwzorowania kształtów z foremnika,
- uzyskiwanie idealnie gładkich powierzchni zewnętrznych powłok,
- mniejsza pracochłonność w porównaniu z innymi metodami wytwarzania,
- stosunkowo prosta konstrukcja i technologia szybowców z laminatów.

proces budowy szybowca z laminatów szklano-epoksydowych jest bardzo powszechny i stosowany najczęściej.

Osłony kabin

Osłony kabin zbudowane są ze szkła organicznego.
Szkło organiczne to inaczej Poli(metakrylan metylu), PMMA. Przezroczysta masa wyglądem przypominająca szkło.
-[-CH2-C(CH3)( COOCH3)-]n jego gęstość wynosi 1,18 g/cm3.
Jest produktem polimeryzacji metakrylanu metylu. zbudowany z makrocząsteczek, głównie liniowych, rzadziej rozgałęzionych.
Nieograniczenie długo plastyczne w podwyższonej temperaturze, a twarde w temperaturze otoczenia (proces ten w przypadku termoplastów jest odwracalny).
Szkło organiczne jest odporne na działanie czynników atmosferycznych, kwasów, zasad, ozonu, węglowodorów alifatycznych oraz niskich temperatur. Ulega natomiast działaniu węglowodorów aromatycznych, ketonów, estrów. Jest palny, nie jest odporny na wysokie temperatury.


PALIWA LOTNICZE

Druga połowa XX wieku to okres dynamicznego rozwoju lotnictwa. Świat w 2003 konsumował ok. 720 milionów litrów nafty lotniczej w ciągu jednego dnia. Czyli co 5 minut w komorach spalania silników lotniczych znika paliwo, którym możny by wypełnić 5 basenów olimpijskich!
Paliwo lotnicze musi spełniać odpowiednie parametry:
-Duża ilość energii ze spalania w stosunku do masy i objętości paliwa. W samolotach istotna jest waga i objętość ? paliwo nie może być zbyt ciężkie i zajmować zbyt dużą objętość.
-Wytrzymałość na niskie temperatury. Na każde 100 m wysokości temperatura spada o 0,65 stopni C, a więc na wysokości rejsowych maszyn pasażerskich (10 000 m) wynosi nawet ?50 stopni C.
-Stabilność cieplna. Właściwości paliwa nie powinny się zmieniać w wyniku zmiany temperatury.

Kerozyna

Paliwo lotnicze, ze względu na specyficzne warunki pracy musi spełnić wiele wymagań.
Kerozyna to paliwo lotnicze potocznie nazywane ?nafta lotniczą?.
Jest to niskogatunkowe paliwo węglowodorowe otrzymywane z ropy naftowej, będące mieszanką węglowodorów cięższych od stosowanych w benzynie. Kerozyna jest paliwem znacznie tańszym od benzyny i jest zdatna do spalania w silnikach turboodrzutowych lub turbowałowych.
Ze względu na niską liczbę oktanową i prostą technologię wytwarzania jest stosunkowo tania - tańsza niż benzyna czy diesel, ale także przez to jest nieprzydatna do zasilania silników zarówno o zapłonie iskrowym (benzynowych), jak i samoczynnym (wysokoprężnych - Diesla).
Nafta lotnicza ma niestety także swój wkład w emisję dwutlenku węgla, któremu przypisuje się odpowiedzialność za globalne ocieplenie. Szacuje sie, że samolot pasażerski na trasie z Los Angeles do Nowego Jorku (5000 mil) emituje do atmosfery 1,5 ton CO2. Na jednego pasażera.
Kerozyna spełnia wszystkie powyższe wymagania.

tartujący F-16 zużywa nawet 2 litry paliwa lotniczego na sekundę.

Masa i objętość paliwa w stosunku do uzyskiwanej energii. Najbardziej zbliżone parametry w stosunku do nafty lotniczej posiada biodiesel. Interesujące właściwości ma wodór - z jednego kilograma można uzyskać prawie 3 razy więcej energii niż z nafty - jest to cenna właściwość w lotnictwie, gdzie liczy się niski ciężar. Niestety, kilogram ciekłego wodoru zajmuje objętość ok 4 razy większą niż nafta o tej samej masie.

Biodiesel

Jest to biopaliwo ? zastępcze paliwo -przetworzony chemicznie olej roślinny, np. rzepakowy do silników wysokoprężnych (Diesla).
Biodieslem nazywamy zarówno estry metylowe kwasów tłuszczowych (FAME - czysty biodiesel) jak i mieszanki paliwowe z olejem napędowym w celu otrzymania paliwa zapewniającego lepsze warunki pracy silnika:
-B100 100% FAME
-B80 80% FAME 20% ON
-B20 20% FAME 80% ON i tak dalej.
-Dodatkowo biodiesel ma o wiele lepsze smarowanie niż tradycyjny olej napędowy oraz przedłuża istotnie żywotność silnika.

Biodiesel jest paliwem biodegradowalnym i nietoksycznym, jego wykorzystanie powoduje znaczne obniżenie emisji szkodliwych substancji do atmosfery. Nie powoduje zanieczyszczeń związkami siarki, a część wyemitowanego w trakcie spalania dwutlenku węgla zostaje wcześniej wchłonięta przez rośliny a w przypadku ON pochodzi on z ropy naftowej; w związku z tym wprowadza się mniejsze ilości dodatkowego, CO2 do atmosfery.
Nadaje się on do wykorzystania prawie wszędzie tam, gdzie dziś stosuje się olej napędowy.

Aby otrzymać litr biodiesla, potrzeba niewiele ponad litr oleju roślinnego i ok. 0,1 litra metanolu.

Próbka biodiesla po pierwszym płukaniu. Na dole naczynia widoczna warstwa wody zawierającej zanieczyszczenia wyciągnięte z paliwa.

Biodiesel jest lepszym rozpuszczalnikiem niż olej napędowy, stąd pojawia się tendencja do wypłukiwania przez to paliwo zanieczyszczeń z baków pojazdów eksploatowanych wcześniej na oleju napędowym. Zanieczyszczenia te w początkowym okresie korzystania z biodiesla osadzają się na filtrach paliwa co może powodować ich zatykanie.

Biodiesel blokuje zimny filtr paliwa w temperaturze wyższej niż dzieje się to w przypadku stosowania oleju napędowego.

Produkcja paliwa biodiesel:

Wyprodukowanie tego paliwa jest bardzo proste i może zrobić to każdy z nas. Wystarczy zakupić odpowiednie do tego urządzenia, które można dostać w Polsce.
Do jego produkcji potrzebne są surowce:
-olej roślinny - nowy lub zużyty
- metanol
- NaOH lub KOH
Mniejsze ilości biopaliwa można wykonywać ręcznie, lecz do większych ilości potrzebna jest odpowiednia aparatura.
Na początku należy określić kwasowość oleju roślinnego. Jest różna i zależy od partii produkcyjnej, a także od tego, czy olej jest świeży czy przepracowany.

W zależności od otrzymanego wyniku należy zastosować różną ilość wodorotlenku sodu / potasu.
Do wyprodukowania 1000 litrów biodiesla potrzeba 1000 litrów oleju roślinnego, 150 l metanolu oraz ok. 22 kg KOH.
Następnie w urządzeniu następuje mieszanie składników i to trwa godzinę. Wymieszane składniki należy pozostawić na 16 do 20 godzin, czym dłużej tym, jakość paliwa jest lepsza.
Przez ten cały czas następuje oddzielenie gliceryny od paliwa. Należy ją potem odprowadzić do osobnego pojemnika. Z 1000 litrów oleju roślinnego otrzymuje się 200 kg gliceryny, którą można sprzedawać po 1 zł/kg.
Otrzymane paliwo oczyszcza się poprzez pranie wodą z dodatkiem chemicznego środka który ułatwia wiązanie wody z zanieczyszczeniami w paliwie i parowanie metanolu.
Do zamkniętego pojemnika, w którym znajduje się biodiesel należy wlewać wodę, mieszać, a następnie spuszczać wodę po kilku minutach, gdy oddzieli się ona od oleju. Czynność należy powtarzać (za każdym razem mieszając intensywniej, w pierwszym płukaniu mieszanie powinno być delikatne) tak długo, jak długo zużyta woda będzie mętna.

Ciekły wodór

Wodór w stanie lotnym ma bardzo małą gęstość energetyczną w stosunku do objętości. Żeby mógł spełniać rolę paliwa należy go skroplić, schładzając do temperatury -252,8 ?C i utrzymywać w tym stanie w specjalnie izolowanych zbiornikach.

Wodorowe ogniwo paliwowe składa się z dwóch (wykonanych z porowatego materiału) elektrod, otoczonych katalizatorami, między którymi znajduje się elektrolit. Ogniwo działa na zasadzie zamiany energii powstałej z chemicznej reakcji łączenia wodoru z tlenem - w energię elektryczną.
Wodór doprowadza się do anody, gdzie atomy ulęgają rozkładowi na elektrony i protony. Elektrony, poprzez katalizator przenikają do zewnętrznego obwodu elektrycznego, tworząc prąd. Natomiast protony, po przejściu przez katalizator i elektrolit (np. w postaci membrany z polimerów), docierają do katody. Katoda jest otoczona tlenem pobieranym z powietrza, który łącząc się z protonami i elektronami tworzy cząsteczki wody, będącą ubocznym produktem reakcji.
Ogniwa dzielą się w zależności od typu elektrolitu na następujące: alkaliczne, z elektrolitem w postaci membrany z polimeru, z kwasem fosforowym, ze stopu alkaliczno - węglanowego,
z tlenkami metali (pracujące w temperaturze 900 - 1000 0C). Przebiegi reakcji są pokazane w tabeli.
( tabela ze strony: http://www.ekologika.pl/modules.php?name=News&file=article&sid=423 )
Wodorowe ogniwo nie wydziela spalin, co stanowi największą zaletę. Teoretycznie, 83 % energii może być przemienione na prąd elektryczny. W rzeczywistości, rzecz jasna, uzyskuje się mniej, ale w porównaniu z tradycyjną technologią sprawność jest bardzo wysoka.