Развитие нефтеперерабатывающей промышленности в СССР. 12 страница

⇐ ПредыдущаяСтр 12 из 30Следующая ⇒

Если в топливе преобладают углеводороды, не.образующие в условиях предпламенного окисления значительного количества перекисей, то взрывного распада не произойдет, смесь не перенасытится активными частицами и сгорание будет проходить с обычными скоростями, без детонации.

Оценка детонационной стойкости (ДС) или антидетонационных свойств углеводородов и топлив проводится на стационарных одноцилиндровых двигателях. В основе всех методов оценки ДС лежит принцип сравнения испытуемого топлива со смесямл эталонных топлив. В качестве последних выбраны 2,2,4-триметилпентан

(изооктан) и гептан, а за меру детонационной стойкости принято октановое число.

Октановым числом называется условная единица измерения детонационной стойкости, численно равная содержанию, в %(об.).. изооктана (2,2,4-триметилпентана) в его смеси с гептаном, эквивалентной по детонационной стойкости испытуемому топливу при стандартных условиях испытания.

Октановое число изооктана принято равным 100, а гептана — -0. Следовательно, если испытуемый бензин оказался эквивалентным в стандартных условиях испытания, смеси, состоящей, например, из 70% изооктана и 30% гептана, то его октановое число равно 70. Октановое число — нормируемый показатель детонационной стойкости автомобильных бензинов, а также авиационных бензинов при работе на бедных смесях и без применения наддува.

Для оценки ДС авиационных бензинов при работе двигателя на богатых смесях и с применением наддува нормируемым показателем служит- сортность топлива.

Сортность топлива на богатой смеси —- это характеристика, показывающая величину мощности двигателя (в процентах) при работе на испытуемом топливе по сравнению с мощностью, полученной на эталонном изооктане, сортность которого принимается за 100.

Октановые числа определяются на специальных испытательных установках при строго стандартных условиях. Существует два стандартных метода испытания: моторный и исследовательский. Условия испытания по моторному методу более жесткие (частота вращения 900 об/мин, температура рабочей смеси 149°С после карбюратора). Поэтому он более подходит для оценки ДС топлив, предназначенных для двигателей с малой степенью сжатия.

Условия испытания по исследовательскому методу Мягче (частота вращения 600 об/мин, рабочая смесь перед карбюратором не подогревается). Этим методом оцениваются высокооктановые компоненты и топлива, предназначенные для высокофорсированных двигателей с верхним расположением клапанов. Октановые числа, -определенные по исследовательскому методу, всегда несколько выше, чем по моторному. Эта разница получила название «чувствительности» топлива. Наиболее чувствительны к режиму испытания бензины каталитического крекинга и каталитического рифор-минга. Разница в октановых числах может достигать 5—10 пунктов в зависимости от содержания ароматических углеводородов в бензине. Поэтому, когда приводятся данные по октановым числам, всегда надо оговаривать метод их испытания.

Одним из путей повышения детонационной стойкости топлив для двигателей с зажиганием от искры является применение антидетонаторов. Это вещества, которые добавляют к бензинам в количестве не более 0,5% с целью значительного улучшения антидетонационных свойств.

Достаточно эффективным, применяемым во всех странах, антидетонатором является тетраэтилсвинец (ТЭС) РЬ(С₂Н₅)4. ТЭС

ужепри 200—250 °С легко распадается на свинец и свободные радикалы (этил), присутствие которых в топливно-воздушной среде замедляет образование перекисей в предпламенный период. Это приводит к снижению их концентрации перед фронтом пламени, и, следовательно, переход нормального сгорания в детонационное затрудняется. В свою очередь, и атомарный свинец уже при более высоких температурах, т. е. на более поздней стадии процесса горения, дезактивирует различные частицы, образующиеся при бурном распаде перекисей. Это также приводит к ослаблению детонации.

Б чистом виде ТЭС применять нельзя, так как на клапанах, свечах и стенках цилиндра накапливаются свинец и окись свинца, что конечно нарушает работу двигателя. Для удаления свинцовистого нагара к ТЭС добавляют так называемые выносители свинца — различные галогеналкилы. При термическом разложении последние выделяют галОгенводород или галоген. Они образуют со свинцом и окисью свинца соли, которые при высоких температурах двигателя находятся в парообразном состоянии:

С₂Н₅Вг —> С₂Н₄ + НВг РЬО + 2НВг —> РЬВг₂ -1- Н₂0 РЬ + 2НВг —> РЬВг₂ -Ь Н₂

Эти соли вместе с выхлопными газами благодаря своей летучести выводятся из цилиндра двигателя. В качестве выносителей применяются дибромэтан, бромистый этил, ос-монохлорнафталин, дибромпропан. Смесь ТЭС, выносителей и красителя называется этиловой жидкостью.

ТЭС, а следовательно, и этиловая жидкость очень ядовиты: при обращении с ней и содержащими ее этилированными бензинами необходимо соблюдать специальные правила предосторожности. Чтобы отличать этилированные бензины, их подкрашивают: марку А-76 в зеленый цвет, АИ-93 в синий и АИ-98 в желтый. Добавляется этиловая жидкость к бензинам в количестве от 1,5 до 4 мл на 1 кг топлива. Добавление этиловой жидкости свыше 4 мл/кг уже не приводит к дальнейшему повышению октановых чисел, но вызывает усиленное отложение свинцовистого нагара.

Бензины различного химического состава по-разному относятся к добавке ТЭС, т. е. обладают, как говорят, различной приемистостью к ТЭС. Приемистость к ТЭС оценивается числом единиц, на которое увеличивается октановое число данного топлива или углеводорода при добавлении определенного количества ТЭС по сравнению с октановым числом этого топлива в чистом виде, т. е. без антидетонатора. Наибольшая приемистость к ТЭС у парафиновых углеводородов нормального строения, наименьшая — у непредельных и ароматических углеводоров.

В последнее время в целях охраны чистоты окружающей среды наметилась тенденция либо к полному запрещению применения ТЭС, особенно в крупных городах, либо к ограничению его количества, добавляемого к бензинам.

Изучение детонационной стойкости индивидуальных углеводородов позволило установить зависимость этого важного свойства вт химического втроения углеводородов и имело большое значение для подбора и создания различных сортов горючего для разнообразных двигателей.

Для отдельных групп углеводородов, входящих в состав бензинов, можно сделать следующие краткие выводы об их ДС.

Алканы нормального строения. Начиная с пентана, углеводороды этого ряда характеризуются очень низкими октановыми числами, причем чем выше их молекулярная масса, тем октановые числа ниже. Существует почти линейная зависимость ДС от молекулярной массы.

Алканы разветвленного строения (изонарафины). Разветвление молекул предельного ряда резко повышает их ДС. Так, у октана октановое число — 20, а у 2,2,4-триметилпентана 100. Наибольшие октановые числа отмечаются для изомеров с парными метальными группами у одного углеродного атома (неогексан, триптан, эталонный изооктан), а также у других триметильных изомеров октана.

Благодаря высоким антидетонационным свойствам изопара-фины Си—Са — весьма желательные компоненты бензинов.

Алкены (моноолефины). Появление двойной связи в молекуле углеводородов нормального строения вызывает значительное повышение ДС по сравнению с соответствующими предельными углеводородами.

Цикланы (нафтеновые углеводороды). Первые представители рядов циклопентана и циклогексана обладают хорошей ДС; особенно это относится к циклопентану. Их приемистость к ТЭС также достаточно высока. Эти углеводороды являются ценными составными частями бензинов. Наличие боковых цепей нормального строения в молекулах как циклопентановых, так и циклогексано-вых углеводородов приводит к снижению их октанового числа. При этом чем длиннее цепь, тем ниже октановые числа. Разветвление боковых цепей и увеличение их количества повышают ДС цик^ ланов.

Ароматические углеводороды. Почти все простейшие ароматические углеводороды ряда бензола имеют октановые части около 100 и выше. Ароматические углеводороды и ароматизованные бензины наряду с разветвленными алканами — лучшие компоненты высокосортных бензинов. Однако содержание ароматических углеводородов в бензинах следует ограничивать примерно до 40—50%. Чрезмерно ароматизованное топливо повышает общую температуру сгорания, что влечет за собой увеличение теплонапряженности двигателя, а также может вызвать так называемое калильное зажигание— самопроизвольное воспламенение рабочей смеси за счет раскаленных частичек нагара. Это очень вредное явление, которое может вызвать аварийное повреждение двигателя.

Итак, основным качественным показателем карбюраторных топлив является их высокая детонационная стойкость. Лучшие

сорта автомобильных бензинов должны иметь октановые числа по исследовательскому методу 93—98 пунктов.

Помимо высокой ДС к карбюраторным топливам предъявляются следующие основные требования.

1. Фракционный состав топлива должен обеспечивать его хорошую испаряемость, легкий запуск двигателя даже при низких температурах, быстрый прогрев двигателя и хорошую его приемистость к переменам режима. Поэтому важнейшим техническим показателем бензинов и керосинов являются данные стандартной разгонки, при которой отмечают: температуру начала кипения; температуры, при которых отгоняются 10, 50, 90 и 97,5% (об.) от загрузки; остаток (в %) и иногда конец кипения. 10%-ная точка определяет пусковые свойства топлива, 50%-ная точка быстроту прогрева двигателя, 90%- и 97,5% ные точки и конец кипения характеризуют полноту испарения и равномерное распределение топлива по цилиндрам.

2. Топливо не должно образовывать газовых пробок в толливо-подающей системе. Для обеспечения этого требования в бензинах контролируется давление насыщенных паров при 38 °С, которое не должно превышать 0,48 МПа для авиационных бензинов, 0,67 МПа для летних сортов и 0,93 МПа для зимних сортов автомобильных бензинов.

3. Топливо должно быть химически стабильным и не содержать смол. Бензины крекинга и коксования содержат непредельные углеводороды, склонные при хранении окисляться и полиме-ризоваться. Этот процесс получил название смолообразования, Выпадение смол резко ухудшает эксплуатационные свойства топлив, способствует отложению нагаров в цилиндрах двигателей и на клапанах. Для повышения химической стабильности топлив вторичного происхождения к ним добавляются антиокислительные присадки (ингибиторы). Применение антиокислителей позволяет значительно затормозить реакции окисления. Это имеет большое практическое значение, так как позволяет увеличить сроки хранения топлив.

В качестве антиокислителей предложено очень много разнооб
разных органических веществ. Среди них фенолы, полифенолы,
алкилфенолы, аминофенолы и др. ^]

Наиболее эффективными из них считаются хорошо растворимые в бензинах синтетические ионол—2,6-ди-трег-бутил-4-метилфе-нол (I), ПОДФА—и-гидроксидифениламин (II) и др.. Все подобные присадки добавляются в тысячных и сотых долях процента.

ОН ОН

CHahCsl^C (СНз)з

IСНз

Механизм действия антиокислителей в общем виде заключается в том, что молекулы присадки обрывают цепные реакции окисления.

О химической стабильности топлив судят либо по содержанию фактических смол (в мг на 100 мл), либо по длительности индукционного периода (в мин).

Индукционным периодом называется время (в мин), в течение которого бензин в условиях испытания в бомбе под давлением кислорода 0,7 МПа при 100 °С практически не поглощает кислорода. Об этом судят по кривой давления кислорода в бомбе во время испытания. По окончании индукционного периода скорость окисления резко возрастает, кислород начинает расходоваться, а давление в бомбе снижается. Нормами на автомобильные бензины длительность индукционного периода установлена для разных сортов от 450 до 900 мин.

4. Топливо не должно вызывать коррозии деталей двигателя. Это контролируют по следующим нормируемым показателям качества: кислотность, общее содержание серы, содержание водорастворимых кислот и щелочей (должны отсутствовать), присутствие активных сернистых соединений (испытание по изменению цвета поверхности медной пластинки).

5. Авиационные топлива не должны застывать и выделять кристаллы при температуре выше —60 °С.

§ 16. ТОПЛИВА ДЛЯ ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Процесс сгорания топлива в турбокомпрессорных воздушно-реактивных двигателях (ТКВРД) происходит в газовоздушном потоке в камерах сгорания. Длительность испарения и горения топлива менее 0,01 с. Воздух в большом избытке (от 50 : 1 до 75 : 1) подается компрессором, который работает от газовой турбины. Скорость потока воздуха достигает 40—60 м/с. Часть воздуха подается в зону горения, а другая (большая) часть расходуется для охлаждения продуктов сгорания примерно до 900°С перед лопатками газовой турбины. Топливо впрыскивается в сжатый воздух и поджигается электрической искрой.

В качестве топлива для реактивной авиации применяют керосиновые дистилляты прямой гонки, а также соответствующие фракции гидрокрекинга. Фракционный состав этих топлив диктуется назначением того или иного сорта топлива. Для самолетов с дозвуковой скоростью полета применяются облегченные керосины с пределами кипения порядка 1-30—280 °С, а для самолетов со сверхзвуковой скоростью полета — с более высоким началом кипения (165, 195°С), так как к этим топливам предъявляется требование, чтобы они на высоте около 20 км не закипали бы в топливной системе и в двигателе.

Основные требования к реактивным топливам относятся к его энергетическим характеристикам: теплоте сгорания, полноте

сгорания, а также к плотности. Чем больше теплота сгорания, тем больше выделяется энергии с единицы массы или объема,'скорость истечения газов из сопла будет больше, а следовательно, скорость полета и величина тяги увеличиваются. Что касается плотности, то ясно, что чем она выше, тем большее количество топлива можно загрузить единовременно в ограниченные объемы баков самолета, а следовательно, увеличить дальность полета.

Теплоту сгорания Q можно рассчитывать на единицу массы и на единицу объема. Ее значение зависит от содержания водорода и от соотношения углерод: водород в углеводородной молекуле.

При расчете теплоты сгорания на единицу массы наибольшие значения Q у алканов, близкие к ним величины у циклаиов и наиболее низкие у ароматических углеводородов. Если же вести расчет на единицу объема, то получается обратная зависимость. У ароматических углеводородов, вследствие их относительно более высокой плотности, теплота сгорания оказывается наибольшей. Приводим для сравнения усредненные данные по теплоте сгорания Q_B (в кДж/кг) некоторых углеводородов, выкипающих в пределах 80—300 °С:

. Алканы......................................................... 48600—47200

Цикланы....................................................... 46 400

Ароматические углеводороды

моноциклические................................. 42 000—44 750

бициклические...................................... 40 500

В стандартах на реактивное топливо теплота сгорания Q_a нормируется в пределах не ниже 42 915—43 125 кДж/кг.

Эффективность и полнота сгорания реактивного топлива также зависят от его химического состава. Топливо, обогащенное ароматическими углеводородами и особенно бициклическими, склонно к образованию сажи и нагаров, вследствие чего в газовом потоке появляются раскаленные частички углерода. Это приводит к повышенной интенсивности (яркости) излучения пламени. А чем больше радиация пламени, тем меньше срок службы двигателя из-за перегрева стенок камеры сгорания

Учитывая неблагоприятное влияние ароматических углеводородов на процесс сгорания, а также их пониженную Q на единицу массы, в стандартах на реактивное топливо не допускается их содержание, превышающее 20—22%.

Склонность реактивных топлив к нагарообразованию контролируется, кроме того, техническим показателем — высотой некоп-тящего пламени, которая должна быть не менее 20—25 мм.

Характер пламени (его яркость) топлив, предназначенных для сверхзвуковой авиации, оценивается специальным показателем— люминометрическим числом. Чем оно выше, тем яркость пламени ниже.

По значению люминометрических чисел структурные группы углеводородов располагаются в следующий убывающий ряд: нормальные алканы, изоалканы, нафтены, олефины, диолефины и ароматические углеводороды.

Люминометрические числа определяют и приборе люминометре путем измерения температуры над пламенем в условиях сгорания в фитильной горелке в стандартной камере. Так же как и октановые числа бензинов, люминометрические числа авиакеросинов определяются методом сравнения с эталонными топливами. В качестве эталонов применяются тетралин и изооктан. Их люминометрические числа соответственно приняты за 0 и 100*. У лучших сортов реактивного топлива люминометрические числа доходят до 60—75 ед.'

Другие важнейшие требования к реактивному топливу относятся к обеспечению бесперебойной подачи его в зону горения, термоокислительной стабильности и высоким антикоррозийным свойствам. Реактивное топливо не должно: выделять смол и других осадков, могущих засорить фильтры, клапаны и другую топ-ливоподающую аппаратуру; создавать газовые пробки; терять текучесть при низких температурах; выделять кристаллы углеводородов и льда. Топливо должно быть хорошо очищено и не содержать: коррозионно агрессивных сернистых и кислородных соединений; непредельных углеводородов; высших парафинов с высокой температурой застывания; а также механических примесей и воды.'

В связи с развитием сверхзвуковой авиации к топливу теперь предъявляется также требование, чтобы оно обладало высокими противоизносными (смазывающими) свойствами. Это связано с тем, что топливо одновременно является и смазывающей средой регулирующей топливной аппаратуры. Удовлетворение этого требования возможно только путем добавки к топливу противоизнос-ных присадок, обладающих хорошими поверхностно-активными свойствами. В Советском Союзе к топливу РТ добавляется присадка ПМАМ-2. Хорошей хемосорбционной ппособностью по отношению к металлам обладает также отечественная присадка, условно обозначенная «присадка К». Ее эффективность при добавлении в количестве 0,003% была подтверждена длительными стендовыми испытаниями.

Kf реактивным топливам для улучшения их эксплуатационных свойств добавляются и другие присадки: против образования кристаллов льда, антиокислительные, антикоррозийные, биоцидные и антистатические.

Вследствие гигроскопичности реактивных топлив (и авиационных бензинов), особенно содержащих повышенное количество ароматических углеводородов, в них накапливается влага. При низких температурах в баках самолетов в топливе образуются кристаллики льда, имеющие тонкую веретенообразную форму. Такие кристаллы образуются также при резком потеплении воздуха, когда содержащиеся в нем пары воды соприкасаются с холодным топливом. Образование кристаллов льда может вызвать забивание

* Подробнее см. Белянин Б. В., Эрих В. Н. Технический анализ нефтепродуктов и газа. Изд. 3-е, Л., «Химия», 1975. 336 с.

Дата добавления: 2018-04-04; просмотров: 280; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 7 8 9 10 111213 14 15 16 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!