Нефтяные топлива

Бензины.Следует прежде всего отметить важное свойство авиационных и автомобильных бензинов - это их антидетонационную способность. В поршневых двигателях с воспламенением горючей смеси от элек­трической искры в конце хода сжатия развиваются высокие давления и высокая температура. В этих условиях может возникать ненормаль­ное, детонационное горение топлива. Нормальное распространение фронта пламени в объеме камеры сгорания характеризуется скоро­стями в пределах 20-30 м/сек, при этом давление возрастает плавно, достигая до 50 бар в автомобильных и до 80 бар в авиационных двига­телях; температура до 2200-2800°С. В случае возникновения детонации скорость сгорания скачкообразно переходит к 1500-2500 м/сек. Горение становится взрывоподобным ударная волна многократно отражается от стенок в объеме камеры сгорания, что вызывает характерную жесткость звука; детонация может опреде­ляться даже на слух.. Детонационное горение приводит к излишнему износу двигателя, к потере мощности и даже к ава­рийному состоянию двигателя

Установлено, что углеводороды бензина различно сгорают в указанных условиях, так как структуры углеводородов обладают различной детонационной стойкостью. Отсюда возникла необходи­мость изготавливать сорта бензинов в зависимости от детонационной стойкости составляющих их углеводородов. Измерение детонационной стойкости бензинов производят различными методами. В нашей стране это испытание осуществляется стандартным моторным методом на од­ноцилиндровом экспериментальном двигателе с переменной степенью сжатия. Исчисление детонационной стойкости бензинов производят в так называемых октановых числах. При этом сгорание чистого изооктана (2, 2, 4-триметилпентана) в стандартных условиях приравни­вается к 100 октановым числам, а детонационные характеристики сго­рания нормального гептана в стандартных условиях принято считать за октановое число, равное 0.

Октановым числом горючего называется единица измерения детонационной стойкости, численно равная процентному содержанию (по объему) изооктана-2,2,4-трииметилпентана в его смеси с нормаль­ным гептаном, эквивалентной по детонационной стойкости испытуе­мому горючему при стандартных условиях испытания.

Октановое число - важнейший показатель качества, характеризующий детонационную стойкость бензина, зависящий от строения углеводородов.

Детонационная стойкость автомобильных бензинов определяется их углеводородным составом. Наибольшей детонационной стойкостью обладают ароматические углеводороды. Самая низкая детонационная стойкость у парафинов нормального строения, причем она уменьшается с увеличением их молекулярной массы. Изопарафины и олефины обладают более высокими антидетонационными свойствами по сравнению с нормальными парафинами. Увеличение степени разветвленности и снижение молекулярной массы повышает их детонационную стойкость. По детонационной стойкости нафтены превосходят парафины, но уступают аренам.

Антидетонаторами называют вещества, при незначительном добавлении которых к бензину происходит значительное увеличение ОЧ. Принцип действия антидетонаторов заключается в предотвращении взрывного разложения продуктов предпламенного окисления топлив, происходящего до начала нормального горения топливной смеси. При ее сжатии в камере сгорания развивается высокая температура, углеводороды начинают окисляться и образуют большое количество пероксидов. Будучи химически неустойчивыми, пероксиды разлагаются со взрывом. Антидетонаторы разрушают пероксиды и препятствуют их накоплению.

В качестве антидетонаторов используются следующие: оксигенаты – самым перспективным является МТБЭ (метилтретбутиловый эфир); марганецсодержащие присадки; железосодержащие; ароматические амины.

Концентрации почти всех антидетонаторов в бензинах по разным причинам ограничены, следовательно, ограничен максимальный прирост ОЧ. Кроме того, зависимость повышения ОЧ от концентрации антидетонатора нелинейная, и для каждой присадки имеется максимальная концентрация, увеличивать которую нет смысла.

Топливо для реактивных двигателей. Современная авиация применяет воздушные турбореактивные двигатели, в которых в качестве горючего используются керосиновые фракции прямой гонки.

Процесс сгорания горючего происходит в камере сгорания в воздушном потоке непрерывно, при искровом зажигании. Смесь воздуха и продуктов сгорания служит рабочим телом для газовой турбины, которая расходует развиваемую ею мощность на реактивное движение и на работу воздушного компрессора. В камере сгорания топливо насосом впрыскивается в сжатый воздух и, хотя воспламенение обеспечивается от электрического зажигания, значительная часть горючего сгорает в результате самовоспламенения в горячем скомпремированном воздухе. Следовательно, способность топлива к самовоспламенению играет в этом процессе очень важную роль. Применяемые в качестве горючего авиационные керосины об­ладают высокой теплотворной способностью, не ниже 10250 ккал/кг (42916 дж/кг). Условия применения требуют обеспечения легкой текучести горючего при температурах до – 50^оС, при этом жидкое горючее не должно иметь кристаллов. Кроме того, при нагреве до 100^оС горючее не должно излишне испаряться, что обеспечивается фракционным составом. Авиационные керосины применяют с грани­цами кипения 150-280^оС; иногда используют широкую фракцию с температурой выкипания 60-280^оС. Для самолетов с большой вы­сотой полета применяют утяжеленный керосин с границами кипения 195-315^оС. Отсутствие легкокипящих фракций обеспечивает сплош­ность жидкой фазы и отсутствие в тракте горючего паровых пробок и испарения топлива в баках. Горючее не должно содержать или об­разовывать смол, способных выпадать в осадок и засорять топливную аппаратуру.

Сказанное о технических требованиях позволяет сделать вывод о недопустимости в авиареактивном горючем кристаллизующихся высокомолекулярных парафиновых углеводородов и непредельных углеводородов, способных к осмолению. Ароматические углеводороды должны быть ограничены из-за их гигроскопичности с последующей возможностью вымораживания влаги в виде кристалликов льда. Кроме того, ароматические углеводороды более других склонны к нагарообразованию.

Дизельные топлива.В качестве дизельных топлив для быстроходных дизелей применяются керосино-газойлевые фракции нефти. В тихоходных дизелях, обычно работающих в стационарных условиях, применяют более тяжелое моторное топливо и даже мазуты. Дизели - самые экономич­ные тепловые двигатели, их КПД может достигать 45%. Недостат­ком этих двигателей является высокий удельный вес и невозможность достичь большой мощности в одном агрегате.

Принципиальное отличие этого типа двигателей от других заклю­чается в сгорании топлива в результате самовоспламенения. Вначале в цилиндре двигателя компремируется воздух, давление может дости­гать 40 бар, а температура – 550-650^оС. В конце хода сжатия в ци­линдр под давлением впрыскивается тонкораспыленное топливо, ко­торое в этих условиях самовоспламеняется. Из этого вытекает основ­ное техническое требование к дизельным топливам - наиболее вы­сокая способность к самовоспламенению. В дизельных топливах являются желательными те свойства угле­водородов, которые противопоказаны бензиновым углеводородам; если последним нужна устойчивость против самовоспламенения, то в случае дизельных топлив необходима быстрая окисляемость, дохо­дящая до самовоспламенения. Легкое самовоспламенение не свойст­венно низкомолекулярным (бензиновым и газовым) углеводородам, ароматические углеводороды очень трудно окисляются и, следова­тельно, также трудно самовоспламеняются. Поэтому наиболее жела­тельными компонентами дизельного топлива следует считать нормаль­ные алканы и полиметилены. Эти углеводороды окисляются и самовос-пламеняются скорее других. Повышение степени сжатия и обеднение смеси в дизелях приводит не к увеличению, как в случае с бензино­выми двигателями, а к уменьшению детонационного стука в дизеле. Оценка горючего для дизелей производится моторным методом на испытательных установках с дизельной головкой в стандартных ус­ловиях. Детонационная оценка дается в цетановых числах по анало­гии с октановыми для бензинов.

Цетановым числом называют процентное содержание (по объему) цетана в смеси с а-метилнафталином, эквивалентной по самовоспла­меняемости испытуемому топливу в стандартных условиях испытания. При этом цетановое число самого цетана (гексадекана - С₁₆Н₃₄) при­нято считать равным 100, а цетановое число метилнафталина (С₁₀Н₇-СН₃) считают равным нулю. Цетановые числа дизельных топлив нормируются в пределах от 40 до 50 ед. Высокие цетановые числа отражают лучшие пусковые свойства, наиболее короткий период задержки самовоспламенения, большую полноту сгорания и, следова­тельно, меньшую задымленность выхлопных газов и склонность к нагарообразованию.

Оценку детонационных свойств дизельных топлив можно еще про­изводить с помощью так называемого дизельного индекса (ДИ), ко­торый, в свою очередь, выводится на основе экспериментального определения анилиновой точки и плотности испытуемого топлива.

Для повышения способности к самовоспламенению и для сокращения периода задержки самовоспламенения применяются различные присадки, состоящие из органических перекисей или нитропроизводных. Некоторые присадки повышают значение цетанового числа на 15-20 ед.

Алканы нормального строения и их однозамещенные имеют высокие цетановые числа (47-100), у более разветвленных замещенных алканов они равны 9-60. С увеличением молекулярной массы углеводорода цетановые числа увеличиваются: алкены имеют цетановые числа 28-79; цикланы 45-70; бицикланы- 21-48.

Топливо для газовых турбин и котельное топливо.

Для газотурбинных двигателей (ГТД) или установок (ГТУ) так же, как и для парокотельных, пригодно одно и то же жид­кое топливо, способное распыляться в механических форсунках и выделяющее при сгорании теплоту (порядка 9500-10500 ккал/кг). Однако кроме общих требований к жидкому топ­ливу для ГТУ имеются частные, более высокие технические требова­ния. Эти специфические требования вызваны тем, что роль горючего вещества как источника тепла одинакова в случаях применения го­рючего в парокотельных установках и в ГТУ, но в последнем случае роль горючего как бы не заканчивается, так как продукты его сгора­ния являются, в смеси с воздухом, рабочим телом газовой турбины. Так осуществляется непосредственный контакт продуктов сгорания горючего со стенками камеры сгорания, с поверхностью лопаток газовой турбины и последующим газовым трактом. В этом случае недопустимы нагары в камере сгорания и особенно недопустимы отложения зольных и солевых компонентов горючего на поверхностях лопаток газовой турбины.

Газотурбинные установки перспективные тепловые двигатели. В процессе освоения уже имели место случаи постепенного снижения мощности установки из-за уменьшения сечения газового потока и из­менения геометрии газового тракта, вследствие обильного отложения осадков золы от сгорания остаточных мазутов. Эти же отложения при­водили к недопустимой коррозии лопаток от окисляющего воздейст­вия высших окислов ванадия и ванадатов натрия. Следовательно, для ГТУ можно употреблять любое, даже жидкое топливо (мазут). Однако лучше, если этот мазут не будет иметь в золе большого количества окиси ванадия и натрия; наконец, еще надежнее эксплуа­тировать ГТУ на дистиллятном мазуте или в случае ответственных транспортных ГТД - на дистиллятном топливе, близком по техни­ческим характеристикам к дизельным топливам.

Мазут - жидкий продукт темно-коричневого цвета, остаток после выделения из нефти или продуктов ее вторичной переработки бензиновых, керосиновых и газойлевых фракций, выкипающих до 350-360°С. Мазут это смесь углеводородов (с молекулярной массой от 400 до 1000 г/моль), нефтяных смол (с молекулярной массой 500—3000 и более г/моль), асфальтенов, карбенов, карбоидов и органических соединений, содержащих металлы (V, Ni, Fe, Mg, Na, Ca)'°.

Физико-химические свойства мазута зависят от химического состава исходной нефти и степени отгона дистиллятных фракций и характеризуются следующими данными : вязкость 8—80 мм²/с (при 100 °С), плотность 0,89—1 г/см³ (при 20 °С), температура застывания 10—40°С, содержание серы 0,5— 3,5 %, золы до 0,3 %, низшая теплота сгорания 39,4—40,7 МДж/моль".

При производстве многих продуктов, таких как моторные масла, кокс, битумы, смазочные масла и т.д., используется мазут. Кроме этого, мазут применяется и в качестве котельного топлива. Он представляет собой нефтепродукт, но при этом он может производиться и из каменных углей, а также горючих сланцев, однако такие варианты мазута предназначаются для потребления в месте производства, а потому не изготавливаются в больших количествах. Мазут является смесью большого количества различных компонентов, среди которых имеются некоторые органические соединения,

нефтяные смолы, карбены, углеводороды с молекулярной массой 400-1000 г/моль. Консистенция мазута жидкая, а цвет темно-коричневый. В настоящее время известны следующие виды мазута:

- топочные

- прямогонные

- крекинг-мазут

- флотский

- печное бытовое топливо.

Мазут представляет собой остаток первичной перегонки нефти и может применяться в качестве котельного топлива - облегченный мазут (выше 330 С), а также в качестве сырья, в последующем перерабатываемого на масляные фракции до гудрона, который применяется при производстве масел - утяжеленный мазут (выше 360 С).

Кроме этого, если раньше мазут использовался как сырье установок термического крекинга, то на сегодняшний день он применяется и в качестве сырья установок гидрокрекинга и каталитического крекинга. Используя разные составы и физико-химические свойства исходного материала, имеется возможность получать мазут, обладающий различными свойствами. В зависимости от плотности, вязкости и содержания в составе мазута серы производится оценка его качества. Плотность мазута определяют при температуре 20 С, и она должна составлять 0,89 - 1 грамм на кубический сантиметр.

Не менее важным параметром оценки качества является температура застывания, которая варьируется от 10 до 50 С, но исключением являются флотские мазуты, для которых данная температура составляет от минус 5 до минус 10 С. Вязкость мазута должна находиться в пределах 8-80 мм2/с и измеряется при температуре 100 С.

Содержание в составе мазута серы должно составлять 0,5 - 3,5 %. Благодаря таким эксплуатационным свойствам мазута, как небольшое (менее 0,3%) содержание золы и высокая теплопроводность, имеется возможность получать требуемые температуры при вполне небольшом расходе сырья.

На сегодняшний день большое количество мазута перерабатывается, и в результате переработки получаются дистиллятные смазочные материалы и моторные топлива. Основными потребителями являются предприятия промышленности, а также жилищно-коммунальные хозяйства.

Мазут применяется в двигателях морских судов и тепловозов, но наиболее широко используется как топливо для паровых котлов, промышленных печей и котельных установок. Пик потребления выпадает на зимний сезон, однако, это не означает, что на него нет спроса в остальное время года.

В современное время наиболее популярен мазут М-100 и М-40. Мы производим на территории Саратовской области М-40 и М-100 I и II вида (т.е. S до 1%).

Вопросы для самопроверки

1. Назовите основные виды жидких топлив.

2. Назовите основные технические характеристики бензинов.

3. Что такое октановое число? Как его определяют?

4. Какие классы углеводородов обеспечивают высокие ОЧ автомобильных бензинов?

5. Каковы технические характеристики авиационных керосинов?

6. Какие классы углеводородов обладают самыми высокими цетановыми числами?

7. Почему окисляемость является основным требованием к углеводородам в дизельных топливах?

8. Назовите основные технические характеристики котельных топлив.