ОЦІНКА ЯКОСТІ НАФТОПРОДУКТІВ НАЙПРОСТІШИМИ МЕТОДАМИ

· висококалорійні;

· середньокалорійні;

· низькокалорійні.

За цільовим призначенням паливо розрізняють:

· для двигунів з примусовим запалюванням (бензин і газоподібне паливо);

· реактивні і дизельні палива;

· тощо.

У сільському господарстві застосовують всі види палив: рідке – забезпечує роботу сільськогосподарської техніки, стаціонарних двигунів та інших теплових установок; газоподібне – у газобалонних автомобілях і газогенераторних установках, для технологічних і побутових потреб; тверде – для різних виробничих, а також побутових потреб.

Будь-яке паливо складається з двох основних частин: горючої; негорючої (баласт).

Склад твердого  і  рідкого  палива  визначається  у процентах  за  масою, газоподібного – у процентах за об'ємом.

Горюча частина містить різні органічні сполуки, до складу яких входять такі хімічні елементи: вуглець (С), водень (Н), сірка (S), кисень (О), азот (N), а також ті неорганічні сполуки, які під час горіння палива, розкладаючись, утворюють леткі речовини.

Вуглець – основна горюча складова, зі збільшенням частки якої зростає теплова цінність палива. Вміст вуглецю у різних видах палива коливається у межах від 50 % (дрова) до 98 % (антрацит).

Водень за теплотою згоряння майже у 4 рази цінніший ніж вуглець. Враховуючи, що вміст водню в паливі до 25 % – це друга за значимістю складова горючої частини палива.

Кисень, що входить в склад палива, не горить і тому фактично є внутрішнім баластом горючої частини. Вміст кисню становить від 0,5 % до 43 %. Чим більше в горючій частині кисню, тим менш цінне паливо.

Азот, як і кисень, не горить, є внутрішнім баластом горючої частини. У твердому і рідкому паливі вміст азоту невеликий (0,5...1,5 %) і тому вплив його на теплову цінність палива незначний. Однак у деякому газоподібному паливі (наприклад, генераторний газ) вміст азоту становить біля 50 %, що різко знижує його теплову цінність.

Сірка є горючим елементом і, входячи до складу палива у вільному стані або у вигляді органічних і сульфідних сполук, бере участь у горінні. Але не зважаючи на це, сірка є дуже небажаною складовою, палива, тому що під час горіння сірки утворюються сполуки SO₂, SО₃, які викликають газову корозію, а з'єднуючись з вологою, яка завжди є у паливі, перетворюються у сірчисту та сірчану кислоти, які викликають рідинну корозію металів. Вміст сірки у твердому паливі коливається від 0,01 до 8 %, а у нафтах – від 0,1 до 4 %. При переробці палива намагаються вміст сірки за можливістю довести до мінімуму.

Негорюча частина у твердому і рідкому паливі складається з мінеральних домішок (при згорянні утворюють золу (попіл)) А і вологи W. Ця частина, зменшуючи об'єм горючої частини і відбираючи частину теплоти на своє нагрівання, знижує теплову цінність палива. Крім того зола прискорює абразивне спрацювання деталей циліндро-поршневої групи двигунів, а волога збільшує корозію та ускладнює експлуатацію установок взимку.

Вміст мінеральних домішок у рідкому паливі вимірюється десятими частинами процента, а у твердому — десятками процентів.

Мінеральні домішки і вологу розділяють на:

· зовнішні, які потрапляють у паливо з навколишнього середовища при його добуванні, транспортуванні, зберіганні;

· внутрішні, що входять до його хімічного складу.

Залежно від фізичного стану палива, при якому визначають його елементний склад, розглядають маси: робочу (р); аналітичну (повітряносуху, лабораторну) (а); суху (с); горючу (г); органічну (о).

Паливо, яке надходить до споживачів у природному стані та містить, крім горючої частини, золу і вологу, називають робочим. Елементний склад палива виражають рівнянням:

(1.1)

У тих випадках, коли паливо піддають лабораторному дослідженню, з нього готують аналітичну пробу, яку при­водять для повітряносухого стану. При цьому паливо містить тільки внутрішню вологу.

Суха маса не має вологи, оскільки вона одержана штучним сушінням при температурі 105 °С.

Горюча маса – це паливо, що не має вологи і золи. А якщо з палива видалити ще і сір­ку, то отримують органічну масу.

Загальний склад палива для різного його стану схематично показаний на рис. 1.

Рис. 1.1 Загальний склад палива:

І – органічна маса; II – горюча; III – суха; IV – лабораторна (аналітична);

V – робоча маса.

Горюча частина газоподібного палива включає: водень (Н), оксид вуглецю (СО), метан (СН₄), та інші вуглеводні (С_nН_m) з числом атомів вуглецю до чотирьох. Негорюча частина включає:  пари води і негорючі гази (СО₂, N₂, О₂).

1.2. ТЕПЛОТА ЗГОРЯННЯ ПАЛИВА

Цінність будь-якого палива перш за все визначають за кількістю теплової енергії, що є в одиниці його маси або одиниці об'єму.

Кількість теплоти, яка виділяється під час повного згоряння одиниці маси (1 кг рідкого або твердого) або одиниці об'єму (1 м³ газоподібного) палива, назива­ють питомою теплотою згоряння (теплотворністю) пали­ва (надалі у тексті просто теплота згоряння).

При згорянні вода, яка міститься в паливі та утворю­ється від згоряння водню, перетворюється в пару. На па­роутворення води витрачається теплота. Теплоту згорян­ня називають вищою (Q_B) у тому випадку, коли пари води конденсуються і теплота, що затрачена на пароутворення, звільняється. Якщо ж пари води виносяться з димовими або відпрацьованими газами, частина теплоти втрачається і таку теплоту називають нижчою (Q_H).

На практиці найчастіше для визначення теплоти згоряння застосовують формули Д.І.Менделєєва. Відповідно до них теплоту згоряння рідких і твердих палив, кДж/кг, визна­чають так:

(1.2)

,

(1.3)

де С, Н, О, S, W, елементний склад палива, відсотки за масою; 25 – коефіцієнт, який враховує втрати теплоти, що виноситься продуктами згоряння в атмосферу (1 кг пари при виносі в атмосферу забирає 2500 кДж/кг); 9Н – чис­ло масових частин води, що утворюється при згорянні однієї масової частини водню; W – вміст води.

Теплоту згоряння газоподібного палива, кДж/м³, у роз­рахунку на суху масу визначають за формулами:

(1.4)

(1.5)

де СО, Н₂, СН₄, С_nН_m – склад газоподібного палива, про­центи за об'ємом при нормальних умовах (0°С, тиск 760 мм рт. ст.).

Теплоту згоряння робочої маси газоподібного палива, що містить вологу, підраховують за формулами:

                                                                                                     (1.6)

(1.7)

де 0,805 – маса 1 м³ газу, кг.

Для порівняння різних видів палива, а також для обліку загальних запасів палива і складання замовлень встановлений еталон – умовне паливо, теплота згоряння якого для твердого і рідкого палива рівна 29307 кДж/кг, а для газоподібного – 29307 кДж/м³. При порівнянні палив визначають їх теплові (калорійні) еквіваленти, які є відношенням теплоти згоряння будь-якого палива до теплоти згоряння умовного:

(1.8)

Щоб перерахувати фактичне паливо в умовне потрібно його масову кількість помножити на тепловий еквівалент.

1.3. ГОРІННЯ ПАЛИВА

Горінням називають швидкоплинну реакцію, яка супроводжується виділенням теплоти і випромінюванням світла. Як правило, це процес окислення, сполучення палива з киснем повітря (іноді з чистим киснем) або з іншим окислювачем. Характерною особливістю цього процесу є велика швидкість протікання реакції, при якій тепло, що виділяється, не встигає розсіюватися, внаслідок чого різко підвищується температура

Горіння – складний процес, при якому хімічні реакції супроводжуються фізичними явищами: перемішуванням палива і повітря, дифузією, теплообміном тощо.

Розрізняють горіння:

· гомогенне горіння, коли паливо і окислювач знаходяться в газоподібному стані;

· гетерогенне, коли речовини знаходяться в різному агрегатному стані, наприклад, рідкі і газоподібні та вибухове.

Температура, при якій хімічний процес різко прискорюється при зіткненні з відкритим вогнем і речовина займається, називається температурою займання. Якщо займання речовини відбувається без стикання з відкритим вогнем, отримаємо температуру самозаймання. Далі горіння продовжується внаслідок безперервного виділення тепла, необхідного для підтримування температури на достатньо високому рівні.

Швидкість процесу горіння залежить в основному від умов сумішоутворення. Залежно від цього горіння розділяють на

· кінетичне – процес утворення суміші палива і повітря передує горінню,

· дифузійне – якщо процеси відбуваються одночасно.

За температуру горіння приймають температуру, до якої нагріваються газоподібні продукти згоряння внаслідок горіння палива.

Розрізняють температура горіння:

· теоретичну – максимальна температура, яка може бути досягнута при відсутності втрат від теплообміну;

· дійсну – температура горіння при реальних умовах. Процес горіння супроводжується теплообміном і тепловими втратами, тому продукти згоряння мають дійсну температуру, яка нижче теоретичної.

Дійсну температуру горіння розраховують за формулою:

(1.9)

де   Q_О – питома кількість теплоти, яка є в паливі і повітрі, кДж/кг;

 - нижня питома кількість теплоти спалювання палива, кДж/кг;

η_Т – ККД двигуна (топки);

q – питома кількість теплоти, що віддається при нагрівання поверхням нагріву, яке приходиться на одинцю маси палива, кДж/кг;

q_Д – питома кількість теплоти, що витрачається на реакцію дисоціації продуктів горіння палива, кДж/кг;

V_Г – об'єм окремих компонентів продуктів горіння, м³/кг;

с_Г – об'ємні теплоємності компонентів продуктів горіння при калориметричній температурі горіння Т_К, кДж/кг·град.

Співвідношення палива і окислювача, яке відповідає хімічній реакції повного окислення паливних елементів (повне згоряння) називається стехіометричним.

Кількість кисню, теоретично необхідна для спалювання 1 кг твердого або рідкого палива, можна визначити на основі стехіометричного відношення для реакцій горіння елементів горючої маси палива (С, Н, S).

Із рівнянь повного згоряння цих елементів:

С + О₂ = СО₂, (12 + 32 → 44),

2Н₂ + О₂ = 2Н₂О, (4 + 32 → 36),

S + О₂ = SО₂, (32 + 32 → 64),

враховуючи їх атомну масу, знахо­димо, що для спалювання 12 кг вуглецю потрібно 32 кг кисню, для спалювання 1 кг вуглецю потрібно 32/12 = 2,67 кг кисню. Аналогічно, для спалювання 1 кг водню потрібно 8 кг кисню, а для спалювання 1 кг сірки – 1 кг кисню.

Тоді формула для підрахунку теоретично необхідної кількості кисню, кг, для спалювання 1 кг палива буде мати вигляд:

(1.10)

де С, Н, S,О – хімічні елементи горючої частини палива, % за масою.

Для спалювання палива, як правило, подається повітря, в якому кисень становить 23,2 % за масою. Тоді теоретично необхідну кількість повітря, кг, для спалювання 1 кг палива визначають за формулою:

(1.11)

Кількість повітря зручніше визначати в м³/кг. Тоді фор­мула матиме вигляд:

(1.12)

де 1,29 – маса 1 м³ повітря.

Для газоподібного палива кількість повітря (м³/м³) визначають за формулою:

(1.13)

де n – число атомів вуглецю;

m – число атомів водню;

21 – вміст кисню у повітрі, % за об'ємом.

Склад газу у формулі наведений у процентах за об'ємом.

У виробничих умовах здійснити повне спалювання па­лива з теоретично необхідною (розрахунковою) кількістю повітря практично неможливо. Тому для повного спалювання, як правило, подають надлишок повітря, тобто процес відбувається не з розрахунковою, а з фактичною (дійс­ною) кількістю повітря L_Д.

Відношення дійсної витрати повітря до теоретично не­обхідної для спалювання 1 кг (1 м³) палива називають коефіцієнтом надлишку повітря (α):

(1.14)

Суміш палива і повітря називають пальною сумішшю. Залежно від співвідношення кількості палива і повітря пальна суміш може бути:

· нормальна а = 1,

· бідна а > 1,

· багата а < 1.

При значеннях близьких до одиниці – збіднена або збагачена пальна суміш.

Коефіцієнт надлишку повітря визначають за формулами:

при повному згорянні:

(1.15)

при неповному:

(1.16)

де О₂, СО, N₂ – процентний вміст за об'ємом у продуктах згоряння відповідно кисню, оксиду вуглецю (визнача­ють за допомогою спеціальних приладів-газоаналізаторів) і азоту (підраховують за різницею N₂ = 100 – (СО₂ + О2 + СО).

Теплота  згоряння пальної    суміші   (Q_ПС) залежить   від  кількості  теплоти,  що виділяється паливом і об'єму повітря:

(1.17)

Для різних видів палив теплота згоряння нормальних пальних сумішей приблизно однакова – 2770 кДж/кг.

Пальну суміш, яка змішалась із залишковими газами від попереднього циклу, називають робочою. Якщо потрібно визначити її теплоту згоряння, то вносять поправку на коефіцієнт надлишкових газів. На практиці теплоту згоряння пальної і робочої суміші прирівнюють.

Характер процесу горіння можна визначити за складом продуктів згоряння палива. Для цього існують різні газоаналізатори: хімічні, електричні, магнітні, механічні.

Більш точні – це хімічні, більш зручні – автоматичні і електричні. Найпоширеніші прості хімічні газоаналізатори, які дозволяють визначати у відпрацьованих газах вміст вуглекислого газу, кисню і оксиду вуглецю. Принцип дії газоаналізаторів полягає в поглинанні розчинами певних складових елементів, відпрацьованого газу, який послідовно пропускають через ці розчини. За відповідним збільшенням об'єму знаходять процентний вміст кожного окремо поглиненого компонента.

2. СПОСОБИ ОТРИМАННЯ РІДКИХ ПАЛИВ І МАСЕЛ

2.1 НАФТА – ОСНОВНА СИРОВИНА ДЛЯ ОДЕРЖАННЯ РІДКИХ ПАЛИВ І МАСЕЛ

Нафта, яку добувають з надр землі – в'язка, масляниста рідина з характерним запахом. Колір її залежить від кількості розчинених у ній смол (темно-бура, буро-зелена, а іноді майже безкольорова). На світлі нафта ледь флуоресціює. Густина нафти коливається у межах 750...950 кг/м³; зустрічаються нафти з густиною 1030 кг/м³.

Питання про походження нафти залишається відкритим. Існує ряд гіпотез походження нафти, які можна розділити на три групи: неорганічна (абіогенна), органічна (біогенна) та комплексна.

Промислові родовища нафти являють собою найчастіше осадову пористу породу (пісок, вапняк),що просочена нафтою. Вони мають пори, достатні за розмірами, щоб у них могла перебувати та рухатися нафта.

Відмінні ознаки нафти в різних родовищах пояснюються різницею материнської органічної речовини та неоднаковими умовами нафтоутворення.

Промислове добування нафти провадять з бурових свердловин. Бурова свердловина – це вертикальна виробка діаметром 0,15...0,25 м, глибина якої залежить від залягання нафти.

Постійними супутниками нафти, яку добувають з свердловин, є розчинені в ній вуглеводневі гази, пластова вода з розчиненою мінеральною сіллю, механічні домішки. На нафтопромислі перед транспортуванням споживачам, від нафти за допомогою відстоювання відділяють гази, механічні домішки, більшу частину води та розчинену у ній сіль.

Нафта – складна за хімічним складом і структурою рідина. Розрізняють хімічний склад нафти: елементний, груповий.

Елементним хімічним складом нафти називають вміст в ній окремих хімічних елементів, виражених в процентах за масою.

Основними елементами нафти і нафтопродуктів є: вуглець – 83...87 %, водень – 11... 14 %, сірка – 0,1...5,8 %, кисень – 0,1... 1,3 %, азот – 0,03... 1,7%, сліди металів (заліза, нікелю, ванадію та ін.).

Вуглець і водень входять у склад нафти у вигляді різних сполук-вуглеводнів. Кисень азот знаходяться найчастіше у зв'язаному стані. Сірка мо­же бути як у зв'язаному, так і у вільному стані.

Груповим хімічним складом нафти називають вміст у ній окремих хімічних груп, які характеризуються співвідношенням та структурою сполук вуглецю і водню. Хімічні групи (гомологічні ряди) вуглеводнів характеризуються перш за все кількісним співвідношенням атомів вуглецю і водню. Це співвідношення виражається емпіричною формулою групи.

Парафінові вуглеводні (алкани). Загальна емпірична формула цієї групи вуглеводнів – С_nН_2n+2, де n – число атомів вуглецю. Найпростішим представником цієї групи є метан – СН₄. Кількість парафінових вуглеводнів (парафінів) залежить від родовища нафти і складає 25...30 %. Парафінові вуглеводні з кількістю атомів вуглецю до 4 у звичайних умовах – гази, від 5 до 15 – рідини, а починаючи з 16 і вище – тверді. Газоподібні та тверді парафіни, при певних умовах, можуть бути розчинені у рідкій частині нафти.

За своєю структурою парафінові вуглеводні бувають:

· нормальними (ланцюги вуглецю прямі) – н-парафіни;

· ізобудови (ланцюги розгалужені) – ізопарафіни, почина­ючи з С₄Н₁₀.

Чим складніша молекула речовини, тим більше ізомерів вона може мати.

Парафінові вуглеводні мають найбільшу теплоту згоряння. При нормальних умовах вони хімічно стабільні, тому палива, і мастильні матеріали, які містять велику кількість парафінових вуглеводнів стабільні при зберіганні.

З підвищенням температури властивості н-парафінів та ізопарафінів відрізняються. Нормальні парафіни внаслідок швидкого окислення при високих температурах знижують антидетонаційні властивості (детонаційну стійкість) бензину і поліпшують самозаймистість дизельного палива. Але внаслідок того, що вони мають порівняно високу температуру застигання погіршують низькотемпературні властивості дизельних палив. У масляних фракціях н-парафіни поліпшують їх в'язкісно-температурні, але погіршують низькотемпературні властивості.

Ізопарафіни підвищують антидетонаційні властивості бензинів і погіршують самозаймистість дизельного палива. Мають кращі низькотемпературні властивості у порівнянні з н-парафінами.

Нафтенові вуглеводні (циклани), як і парафіни, є основною, а іноді переважаючою складовою частиною нафти. Емпірична формула нафтенових вуглеводнів (нафтенів) С_nН_2n. На відміну від парафінових вуглеводнів атоми вуглецю у молекулах розміщуються у вигляді замкнутого кільця, і з'єднані між собою простим валентним зв'язком. У нафті та нафтопродуктах зустрічаються головним чином циклани, молекули яких включають п'ять або шість атомів вуглецю, що утворюють кільце. їх називають моноцикланамй. Крім моноцикланів у нафтопродуктах, які одержують з більш важких фракцій нафти, є складні нафтенові вуглеводні у складі двох і більше нафтенових кілець, їх називають поліцикланами. Майже всі нафтенові вуглеводні мають бокові парафінові ланцюги.

Нафтенові вуглеводні при низьких і помірних температурах за своєю хімічною активністю подібні до н-парафінів, а при високих (до 400 °С і вище) за здатністю окислятися наближаються до ізопарафінів.

За антидетонаційними властивостями нафтенові вуглеводні наближаються до ізопарафінів, тому бажані у бензинах. Вони мають низьку температуру застигання і є цінним компонентом дизельних зимових палив.

Присутність цикланів з боковими ланцюгами у маслах бажана, тому що вони надають їм антиокислювальну і термічну стійкість, поліпшують їх в'язкісно-температурні властивості, знижуючи температуру застигання. Нафтенові вуглеводні є основною частиною моторних масел.

Ароматичні вуглеводні (арени) у нафті є в значно меншій кількості ніж парафінові та нафтенові, хоч в нафтах окремих родовищ вміст ароматичних вуглеводнів (арома-тиків) 'може досягати кількох десятків процентів.. Як і нафтени, ароматики мають кільця, але у них одинарні зв'язки чергуються з подвійними. Простим представником цього ряду є бензол, що відповідає загальній емпіричній формулі С_nН_2n-6. У звичайних умовах ароматики характеризуються високою хімічною стійкістю, хоч і поступаються перед нафтеновим вуглеводнями. Ароматики стійкі до окислення і при високих температурах. Вони є цінним компонентом бензинів, оскільки мають високі антидетонаційні властивості, але при цьому мають підвищену схильність до нагароутворення, тому в товарних бензинах вміст ароматичних вуглеводів повинен не перевищувати 40...45 %. У дизельному паливі ароматики небажані, бо знижують його самозаймистість.

Вміст ароматичних вуглеводів, особливо поліциклічних, у маслах збільшує їх в'язкість, але погіршує в'язкісно-.температурні властивості.

У склад продуктів переробки нафти можуть входити ненасичені вуглеводні. В їх молекулах між атомами вуглецю утворюється подвійний зв'язок. Ці вуглеводні легко окислюються і осмолюються, оскільки подвійні зв'язки нестійкі, здатні до реакцій полімеризації та приєднання. Присутність ненасичених вуглеводнів погіршує стабільність нафтопродуктів при зберіганні. При високих температурах вони гірше окислюються ніж н-парафіни і тому підвищують антидетонаційні властивості бензину, але погіршують самозаймистість дизельного палива.

До складу нафти входять не тільки сполуки вуглецю і водню, а також сполуки, що містять кисень, сірку і азот. Найчастіше це похідні вуглеводнів.

Кисень з вуглеводнями нафти утворює органічні кисло­ти і смолисто-асфальтові речовини. Його вміст у нафті складає 0,1...1,3 %. З органічних кислот найчастіше присутні нафтенові кислоти, які зосереджені головним чином у легкому і середньому масляних дистилятах. Нафтенові кислоти викликають корозію кольорових металів, передусім свинцю та цинку.

 Сірчисті сполуки у нафті та нафтопродуктах погіршують їх якість. Сірчисті сполуки – сірководень Н₂S, меркаптани (органічні сполуки загальної формули RSН, де R – вуглеводневий радикал), а також вільна сірка належать до групи активних речовин, що викликають корозію металів.

Азотисті сполуки присутні в нафті у невеликій кількості (не більше 0,3 %) найчастіше у вигляді аміаку, головним чином, у важких фракціях. Оскільки вони погіршують якість нафтопродуктів, то їх видаляють при очищенні.

2.2. ОСНОВНІ СПОСОБИ ОДЕРЖАННЯ ПАЛИВ І МАСЕЛ З НАФТИ

Виробництво палив і масел – складний процес, який включає отримання первинних компонентів, їх змішування та покращення присадками до товарних показників.

Розрізняють три основних варіанти переробки нафти:

· паливний;

· 0паливно-масляний;

· комплексний (нафтохімічний).

Незалежно від варіанту розрізняють способи переробки нафти:

· фізичні (первинні) – структура молекул вуглеводнів, що входять до її складу не змінюється; до цих способів відносять: електрознесолюючі установки (ЕЛОУ) і пряму перегонку на атмосферно-вакуумних установках (АВТ);

· хімічні (вторинні) – вуглеводневий склад нафтопродуктів відрізняється від складу нафти.

ЕЛОУ призначені для видалення залишків води і розчиненої в ній солі, а також мінеральних (водорозчинних) кислот, якщо вони присутні. Знесолювання починають з того, що нафту забирають із заводського резервуара і змішують з водою, деемульгаторами, лугами (за умови, що в нафті є кислоти). Потім суміш нагрівають до температури 80...120 °С і подають в електродегідратор, де під дією електричного поля і температури вода й розчинені в ній неорганічні сполуки відділяються від нафти, тільки після цього вона надходить на первинну перегонку.

Первинну перегонку нафти провадять на атмосферно-вакуумних трубчастих установках (рис. 2.1), які дозволяють в одному технологічному процесі здійснювати випаровування і розділення її на окремі складові частини – фракції (дистиляти), що відрізняються температурою кипіння.

Процес розділення нафти на паливні, а мазуту на масляні дистиляти відбувається так. Нафта, що подається насосом 7, під тиском приблизно 1 МПа проходить через теплообмінники дистилятів 6 і далі в невелику випаровувальну колону 8, звідки легкокипляча (газоподібна) частина нафти надходить у ректифікаційну колону, а головна маса – в трубчасту піч 1. У печі, проходячи по змійовику нафта нагрівається до температури 330...350°С і частково випаровується. Суміш випарованої нафти та її частина, що не випарувалася, надходить в ректифікаційну колону 2.

У ректифікаційній колоні відбувається розділення пари нафти на фракції, причому можна відбирати в одну групу фракції, в яких температура кипіння відрізняється лише на 5...8°С. Найпоширенішими фракціями прямої перегонки є дистиляти: бензиновий 35...200°С, лігроїновий 110...230°С, гасовий 140...300°С, газойлевий 230...330°С і соляровий 280...380°С. Але з точки зору затрат, чим вужчі фракції, тим дорожче перегонка, нафту спочатку переганяють на широкі фракції.

Рис. 2.1. Схема нафтоперегонної установки:

1 – трубчаста піч; 2 і 5 – ректифікаційні колони; 3 – холодильники;

4 – конденсатор-газовіддільник; 6 – теплообмінник; 7 – насос; 8 – випарювальна колона; 9 – вакуумна трубчаста піч

Продуктами такої перегонки є: вуглеводневий газ, бензинова, гасова, дизельна фракції та залишок (мазут), який використовується як сировина для одержання масляних дистилятів. Для цього мазут нагрівають у вакуумній трубчастій печі 9, що дозволяє знизити температуру кипіння та повніше з нього випаровувати *(без розщеплення) масляні фракції до температури 420...430°С. У ректифікаційній колоні 5, залежно від варіанту переробки нафти, одержують широку масляну фракцію – вакуумний газойль, або вузькі Масляні дистиляти для виробництва різних масел. Залишок — гудрон, а при менш глибокій перегонці – напівгудрон, після відповідної очистки ви­користовують для виготовлення високов'язких (залишкових) масел

З метою збільшення виходу з нафти паливних фракцій здійснюють хімічні деструктивні (вторинні) способи її переробки – розщеплення важких вуглеводневих молекул на більш легкі. Такий процес перетворення вуглеводнів називають крекінг-процесом.

Розроблені і знайшли застосування кілька видів крекінгу:

· термічний,

· каталітичний,

· гідрокрекінг,

· каталітичний риформінг.

Термічний крекінг – такий вид деструктивної переробки нафтової сировини, при якому розщеплення та зміна структури вуглеводнів відбувається під дією температури і тиску.

Другим різновидом термічного крекінгу є коксування – процес одержання дистиляту широкого фракційного складу і нафтового коксу з мазуту, гудрону тощо. Коксування відбувається при температурі 505...515 °С і тиску 0,2...0,3 МПа.

У даний час термічний крекінг через низьку якість палив, одержаних цим способом (вони не забезпечують вимоги сучасних двигунів), майже повністю витіснений іншими сучасними способами вторинної переробки нафти.

Каталітичний крекінг – основний сучасний спосіб одержання високоякісного бензину з важких фракцій

Каталітичний риформінг призначений для підвищення детонаційної стійкості бензинів і одержання ароматичних вуглеводнів. Це основний спосіб виробництва високооктанових бензинів (АИ-93, АИ-98).

Гідрокрекінг – процес, призначений для одержання світлих нафтопродуктів – бензину, гасу, дизельного пали­ва, а також зріджених газів при переробці нафтової сировини, яка має більш високу молекулярну масу (газойль, нафтовий залишок) під тискам водню.

Алкілування – процес одержання алкілбензину, високооктанових компонентів бензину каталітичним приєднан­ням алкільних радикалів (алкілуванням) з ізобутану, бутилену і пропілену. Каталізаторами служать концентрована сірчана кислота або безводний фтористий водень. Процес відбувається під тиском 0,35...0,60 МПа і температурі 5...15 °С. В результаті цього одержують легкий алкілат – високооктановий компонент бензину (октанове число 91...95 за моторним методом) і важкий алкілат – (використовують як розчинник або компонент дизельного палива).

2.3. СПОСОБИ ОЧИСТКИ НАФТОПРОДУКТІВ

Нафтопродукти, що одержують в результаті переробки нафти, ще непридатні до застосування, тому що містять не лише корисні сполуки, але й такі, які негативно впливають на їх експлуатаційні властивості: сірчисті; кисневі; азотисті; смолисті речовини; ненасичені вуглеводні.

Для підвищення якості нафтопродукти очищають різними способами залежно від якості сировини, способу виробництва нафтопродукту і умов його використання. Існуючі способи очистки поділяють на:

- хімічні (сірчанокислотна, лужна, плюмбітами і хлоридами металів, гідрогенізація та ін.) – грунтуються на тому, що небажані сполуки нафтопродуктів вступають у хі­мічні реакції з реагентом;

- фізичні (селективними розчинниками і різними адсорбентами) – грунтуються на розчиненні небажаних сполук або їх адсорбції на поверхнево-активних речовинах.

Очистка сірчаною кислотою – один із найстаріших способів. Полягає в тому, що сірчана кислота по різному реагує з вуглеводнями і домішками, які містяться в нафтопродуктах. При нормальній температурі кислота майже не реагує з парафіновими і нафтеновими вуглеводнями. Ароматичні вуглеводні при незначній кількості кислоти практично також не реагують з нею.

Ненасичені вуглеводні утворюють продукти полімеризації – кислі і середні ефіри сірчаної кислоти. Сірчисті сполуки, за винятком сірководню та елементної сірки, також видаляються з нафтопродуктів сірчаною кислотою.

Для очистки нафтопродуктів використовують 96%-у сірчану кислоту. Витрати кислоти для очистки палив становить 0,2...0,8%, для дистилятних масел – 5...6%, а залишкових – до 30% маси нафтопродукту.

Сірчану кислоту застосовують при очистці прямогонних нафтопродуктів. Для очистки крекінг-продуктів сірчана кислота непридатна, оскільки, вступаючи в реакцію з ненасиченими вуглеводнями, призводить до великих втрат продукту, що очищають.

Очистка лугом – доповнює сірчанокислотну. В процесі відбувається нейтралізація кислих сполук, що утворилися в результаті обробки сірчаною кислотою.

Гідроочистка – обробка сировини воднем при підви­щеній температурі і тиску в присутності каталізаторів – один з нових і найперспективніших способів очистки нафтопродуктів від сірчистих сполук та інших небажаних до­мішок.

Селективна очистка масел – один з найпоширеніших способів очистки моторних масел, відбувається за допомогою розчинників, які мають вибіркову розчинну властивість. Існує два способи селективної очистки:

- розчинення небажаних домішок, вуглеводневий склад масла залишається без змін;

- вилучення основної частини масла, до­мішки при цьому не розчиняються.

2.4 ЗАГАЛЬНІ ПОКАЗНИКИ ФІЗИКО-ХІМІЧНИХ І ЕКСПЛУАТАЦІЙНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ НАФТОПРОДУКТІВ

Поняття «якість продукту» нерозривно пов'язане з його застосуванням. Якість продукту виявляється через влас­тивості, що необхідні для оцінки його придатності до зас­тосування за призначенням. Кожний з показників якості по-своєму важливий, тому сукупність їх дозволяє оцінити якість нафтопродуктів.

В хіммотології всі властивості нафтопродуктів поділяють за найбільш важливими ознаками на:

· фізико-хімічні – визначаються стандартними методами аналізів в лабораторних умовах, до них відносять густину, випарність, температури спалаху, помутніння, застигання, вміст механічних домішок, води тощо;

· експлуатаційні – характеризують продукт безпосередньо у вузлі, агрегаті, механічні, до них відносять детонаційну стійкість, схильність до нагаро- лако- і осадкоутворень (стабільність), миючі, корозійні, протиспрацювальні та інші властивості..

Густина – це маса речовини, яка міститься в одиниці об'єму. В системі СИ густина вимірюється в кг/м³, але на практиці найчастіше мають справу з безмірною величиною – відносною густиною. Відносна густина – відношення маси речовини, при температурі визначення, до маси води при 4 °С, при однаковому їх об'ємі. Густина води при 4 °С прийнята за одиницю.

У стандартах передбачається визначати відносну густину при 20°С ( ). У тих випадках, коли температура визначення густини відрізняється від 20°С одержане значення густини при і °С, приводять до стандартної за формулою:

(2.1)

де γ – температурна поправка на 1°С (знаходять за розрахунковими таблицями; змінюється в межах 0,000515…0,000910).

Визначають густину в виробничих умовах з допомогою нафтоденсиметрів, але існують й інші методи, які застосовують при лабораторних випробуваннях (за допомогою пікнометрів, гідростатичних ваг).

Для визначення густини в'язких рідин, коли неможливий безпосередній замір за допомогою нафтоденсиметра, готують суміш рідини, густину якої досліджують, з розчинником відомої густини у відповідному співвідношенні (наприклад 1:2). Визначають густину суміші, а потім перераховують густину в'язкої рідини за формулою:

(2.2)

де ρ_х – густина в'язкої рідини; 

ρ_сум – густина суміші;

ρ_розч – густина розчинника.

В’язкість – це властивість рідини чинити опір взаємному переміщенню її шарів під дією зовнішньої сили. Зовнішньою ознакою в'язкості є ступінь рухомості рідини: чим менше в'язкість, тим рідина рухоміша, і навпаки. В'язкість залежить головним чином від хімічного складу і температури нафтопродуктів. Розрізняють в'язкості:

· динамічну;

· кінематичну;

· умовну.

Динамічна в’язкість (η) – коефіцієнт внутрішнього тертя. Одиницею вимірювання є Паскаль·секунда (Па·с), яка чисельно дорівнює опору, що виникає при взаємному переміщенні двох шарів рідини площею 1 м², віддалених на 1 м один від одного, з швидкістю 1 м/с під дією сили в 1 Н. Допускається застосовувати одиницю Пауз – П(г/см²·с), 1 П = 0,1 Па·с.

Кінематична в’язкість (γ) – питомий коефіцієнт внутрішнього тертя, відношення динамічної в'язкості до густини, при тій же температурі. Одиниця вимірювання – м²/с або мм²/с = 10^–6м²/с:

(2.3)

Умовна в’язкість – величина, яка показує у скільки разів в'язкість нафтопродукту при температурі вимірювання більша або менша в'язкості дистильованої води при температурі 20 °С. Умовна в'язкість вимірюється в градусах умовної в'язкості (°ВУ).

Для переходу від умовної в'язкості до кінематичної використовують спеціальні таблиці або формулу:

(2.4)

Стабільність нафтопродуктів. Під стабільністю нафто­продуктів розуміють їх здатність зберігати свої властивості в допустимих межах для конкретних експлуатаційних умов. Умовно розрізняють стабільність: фізичну та хімічну.

Фізичну стабільність нафтопродуктів визначають як можливість зберіга­ти фракційний склад (зміни визиваються втратою найбільш легких фракцій в результаті випаровування) і однорідність. Фізичну стабільність оцінюють і контролюють періодично, визначаючи густину, фракційний склад, тиск насиченої пари, температуру помутніння і застигання, вміст механічних домішок і води, та інші показники.

Під хімічною стабільністю нафтопродуктів розуміють їх здатність зберігати без зміни свій хімічний склад, бо в умовах експлуатації та довготривалого зберігання деякі з сполук (сірчисті, азотисті, кисневі, металоорганічні) можуть вступати в реакції окислення, полімеризації, конденсації, кінцевим результатом яких є накопичення смолистих речовин, лакових відкладень, нагарів.

Фактичні смоли– це смолисті речовини, які уже присутні в нафтопродуктах. Вміст фактичних смол нормується стандартами і визначається випаровуванням гарячим повітрям певної кількості нафтопродукту (100 мл) при підвищеній температурі (для бензину 150°С, дизельного палива 250°С) за залишком в мг, одержаним після випаровування.

Рис. 2.2. Залежність корозійного зносу від

теплового режиму роботи двигуна

Потенціальні смоли – це смолисті речовини, які можуть утворюватися в процесі окислення і полімеризації, головним чином ненасичених вуглеводів нафтопродукту.

Одна з основних вимог до нафтопродуктів — це мінімальна корозія металів з якими вони контактують. Під корозією розуміють самовільне руйнування твердих тіл внаслідок хімічних і електрохімічних процесів, що розвиваються на поверхні тіл при їх взаємодії із зовнішнім середовищем. Корозія металів відбувається внаслідок їх взаємодії з хімічно активними речовинами, що містяться в нафтопродуктах (водорозчинні кислоти, луги, органічні кислоти тощо). Від вуглеводнів нафтопродукту метали не кородують.

Сірка шкідлива не тільки з точки зору корозійного спрацювання деталей, а також і тому, що при роботі двигунів на паливі з високим вмістом сірки утворюється більше твердого і щільного нагару, частинки якого, потрапляючи в масло, прискорюють зношування циліндро-поршневої групи та зменшують термін роботи самого масла.

3. ЕКСПЛУАТАЦІЙНІ ВЛАСТИВОСТІ ТА ВИКОРИСТАНН АВТОМОБІЛЬНИХ БЕНЗИНІВ

До двигунів з примусовим запалюванням відносять поршневі і роторно-поршневі карбюраторні двигуни, двигуни з системою впорскування палива і двигуни, що працюють на газоподібному паливі. Основним рідким паливом для цих двигунів є бензин. Бензин – це складна суміш летких ароматичних, нафтенових, парафінових вуглеводнів та їх похідних з числом атомів вуглецю від 5 до 10, середньою молекулярною масою біля 100. Легкозаймиста, без кольору або жовтувата (коли без спеціальних добавок) рідина, що википає при 35...205°С.

Карбюраторні двигуни характеризуються зовнішнім сумішоутворенням. Пальна суміш утворюється в спеціальному приладі – карбюраторі. Процес сумішоутворення полягає в розпилюванні, випаровуванні, перемішуванні бензину з такою кількістю повітря, яка необхідна для його згоряння.

Бензини повинні відповідати всім основним вимогам до будь-якого палива, крім того, деяким специфічним:

· мати хороші сумішоутворюючі властивості при роботі двигуна в різних експлуатаційних умовах;

· мати високу детонаційну стійкість, що забезпечує нормальне згоряння палива при різних режимах роботи двигуна.

3.1. СУМІШОУТВОРЮЮЧІ ВЛАСТИВОСТІ БЕНЗИНІВ

Процес сумішоутворення в двигунах з примусовим запалюванням умовно поділяють на дві стадії: дозування палива та випаровування палива.

На дозування палива впливають його основні фізичні властивості густина в'язкість.

Зі зниженням температури в'язкість палива збільшується в 8...10 раз швидше, ніж густина.

Для надійної роботи двигуна ще недостатньо точно реалізувати дозування палива, дуже важливо, щоб паливо перед згорянням випарувалось і утворилась пальна суміш. Утворення суміші палива і повітря залежить як від фізичних властивостей самого палива (фракційний склад, тиск насиченої пари, поверхневий натяг), так і від умов в яких відбувається даний процес (відносна швидкість палива і повітря, їх температура тощо).

Фракційний склад встановлює залежність між кількісним вмістом фракцій палива (в процентах за об'ємом) і температурою, при якій воно переганяється. Від фракційного складу бензину залежить пуск двигуна, час його прогрівання і прийомистість, спрацювання деталей циліндро-поршневої групи; витрата палива, масла; токсичність відпрацьованих газів тощо.

За температурою перегонки 10 % бензину (t_10%) роблять висновок про наявність в ньому пускових (головних) фракцій, від яких залежить легкість пуску холодного двигуна. Чим нижча ця температура, тим легше і швидше можна запустити двигун.

Якщо бензин має дуже низьку температуру, то на прогрітому двигуні, особливо в спеку, під капотом в системі живлення можуть випаровуватись легкокиплячі вуглеводні, утворюючи пари, об'єм, яких у 15...200 разів більше об'єму бензину. При цьому вони порушують подачу палива з паливного бака до бензонасоса, тому це явище одержало назву «парової пробки».

Використання бензину з високим вмістом легкокипля­чих фракцій, крім утворення «парових пробок», може при­звести, при підвищеній вологості до обледеніння карбюраторів, внаслідок різкого зниження температури у впускній системі.

За величиною втрат при перегонці бензину роблять вис­новок про здатність його до випаровування при транспортуванні та зберіганні.

На сумішоутворюючі властивості бензину впливають його в'язкість і поверхневий натяг. Чим менша їх величи­на, тим дрібніше розпилюється паливо, тим більша поверхня його випаровування.

Поверхневий натяг усіх автомобільних бензинів одна­ковий і при температурі 20 °С дорівнює 20...24 мН/м, тобто приблизно в 3,5 рази менший, ніж у води.

На утворення однорідної пальної суміші, крім названихвище властивостей, впливає ще і вміст механічних домішок і води.

Механічні домішки в бензині не допускаються, оскіль­ки вони призводять до засмічення паливних фільтрів, паливопроводів, жиклерів, що порушує нормальну роботу двигуна, крім того, потрапляючи в двигун механічні доміш­ки прискорюють спрацювання його циліндро-поршневої групи.

Вода в бензині не допускається. Вона небезпечна при температурі нижче 0 °С, бо замерзаючи, утворює криста­ли, які можуть припинити доступ бензину. Крім того вода сприяє окисленню бензину, оскільки в ній розчиняються стабілізатори, крім того вона є основною причиною коро­зії деталей системи живлення. Тому потрібно регулярно зливати з паливних баків воду і осад.

3.2. НОРМАЛЬНЕ І ДЕТОНАЦІЙНЕ ЗГОРЯННЯ

Згоряння робочої суміші може бути: нормальним, жаровим, детонаційним.

Нормальне згоряння. У двигунах з примусовим запалюванням робоча суміш (стиснута до 1...1,5 МПа і нагріта теплотою стиску до 350...380°С) займається від електрич­ної іскри і згоряє в процесі поширення фронту полум'я по всій камері згоряння. При цьому виділяють три фази зго­ряння (рис. 3.1.): утворення осередка горіння (ділянка а), швидкого поширення фронту полум'я (ділянка б), дого­ряння (ділянка в).

Рис.3.1. Кут повороту колінчастого вала, град.

Перша – починається з моменту подачі іскри і закін­чується в момент помітного підвищення тиску внаслідок згоряння. В цій фазі, осередок горіння, що виник між електродами свічки, поступово перетворюється в розвину­тий фронт полум'я.

Друга – основна фаза швидкого поширення фронту по­лум'я (середня швидкість 15...80 м/с) протікає практично при незмінному об'ємі, так як поршень протягом цієї фази знаходиться біля верхньої мертвої точки. Закінчується фа­за в момент досягнення максимального тиску в циліндрі двигуна.

Третя – процес догорання робочої суміші.

Детонаційне згоряння. Під час роботи двигуна внаслі­док деяких причин (підвищеної температури, невідповід­ності октанового числа бензину вимогам двигуна, а також якості бензину вимогам стандарту тощо) може виникнути детонаційне (вибухове) згоряння робочої суміші або про­сто детонація. При детонаційному згорянні фронт полум'я поширюється зі швидкістю 1000...2300 м/с, а температура підвищується до 2500...3000°С.

Спочатку займання робочої суміші відбувається від іс­кри свічки запалювання і фронт полум'я температурою 2000...2500°С поширюється з нормальною швидкістю. Так згоряє навіть при інтенсивній детонації, як правило, 75 % робочої суміші, а при слабкій – 95 %.

Властивість бензину протистояти детонації оцінюється октановим числом, мінімальне значення якого відображено у марці бензину.

За еталонне паливо прийнята суміш з різним вмістом (за об'ємом) двох вуглеводнів – ізооктану (С₈Н₁₂) і нор­мального гептану (С₇Н₁₆). Ізооктан має високу детонаційну стійкість, яка умовно прийнята за 100, нормальний гептан – дуже низьку, що прийнята за 0.

Октанове число (04) бензину дорівнює процентному (за об'ємом) вмісту ізооктану в такій суміші з нормальним гептаном, яка рівноцінна за антидетонаційними властивос­тями даному паливу при стандартних умовах випробування. Октанове число визначають порівнянням детонаційної стійкості даного бензину з еталонним паливом, октанове число якого відоме, на стандартному одноциліндровому двигуні зі змінним ступенем стиску.

Некероване (жарове) запалювання. Однією з форм ано­мального згоряння є згоряння, що визване некерованим запалюванням, коли робоча суміш займається не від іскри в певний момент, а самочинно від перегрітих деталей (ви­пускних клапанів, електродів свічок) або розжарених час­тинок нагару. Жарове запалювання порушує нормальне протікання процесу згоряння, і відповідно погіршує техніко-економічні показники двигуна.

Характерною зовнішньою ознакою жарового запалю­вання в карбюраторному двигуні є продовження роботи двигуна з дуже малою частотою обертання колінчастого вала (200...300 хв^–1) після виключення запалювання.

Основні заходи боротьби з жаровим запалюванням по­лягають у поліпшенні конструкцій камер згоряння, зміні властивостей нагару, що утворюється, за рахунок додаван­ня спеціальних присадок у палива.  

Зменшити безпеку виникнення жарового запалюван­ня можна і правильним підбором свічок. їх для конкретно­го двигуна вибирають так, щоб, з одного боку, виключити можливість жарового запалювання на теплонапружених режимах, а з другого боку, забезпечити на мінімальних ре­жимах незакоксовування свічки.

4. ЕКСПЛУАТИВНІ ВЛАСТИВОСТІ ТА ВИКОРИСТАННЯ ДИЗЕЛЬНИХ ПАЛИВ

4.1. УМОВИ ЗАСТОСУВАННЯ І ОСНОВНІ ВИМОГИ ДО ДИЗЕЛЬНИХ ПАЛИВ

У сільському господарстві дизельні двигуни є джерелом енергії на тракторах, комбайнах, самохідних сільськогоспо­дарських машинах, великовагових автомобілях. Основна перевага дизельних двигунів – їх висока економічність, питома ви­трата палива на 25...30 % нижча ніж у карбюраторних дви­гунів. Дизельне паливо дешевше, менш вибухо- і пожежо-небезпечне у порівнянні з бензином.

Дизельне паливо – це складна суміш парафінових, наф­тенових, ароматичних вуглеводнів і їх похідних з числом атомів вуглецю 10...20, середньої молекулярної маси 200...250, які википають у межах 170...380°С. Прозора, більш в'язка ніж бензин, масляниста рідина від жовтувато­го до світло-коричневого кольору густиною 780...860 кг/м³. Одержують дизельне паливо прямою перегонкою нафти з додаванням до 20 % продуктів каталітичного крекінгу.

Робочий процес дизельного двигуна відрізняється від робочого процесу карбюраторного двигуна тим, що сумішо­утворення відбувається в кінці такту стиску за дуже короткий проміжок часу. Паливо впорскується в камеру згоряння за кілька градусів до ВМТ, де знаходиться стиснене під тис­ком 3,4...4,4 МПа і нагріте за рахунок цього до температу­ри 500...800°С повітря. Контактуючи з повітрям, паливо випаровується, нагрівається до температури самозаймання і перемішуючись з повітрям згоряє. Цей процес продовжує­ться всього 0,002...0,003 с, що в 10...15 разів швидше, ніж у карбюраторному двигуні.

Надійна і економічна робота дизельних двигунів забез­печується за умови правильного підбору палива, установки оптимального кута випередження впорскування і коли су­міш повністю згоряє під час робочого ходу. В іншому ви­падку збільшується димність відпрацьованих газів, змен­шується потужність, зростає питома витрата палива.

Вимоги до дизельного палива аналогічні загальним ви­могам до всіх палив, крім того, вони повинні мати добру прокачувальну здатність, особливо при низьких температу­рах; оптимальний фракційний склад і відповідну в'язкість щоб забезпечувати якісне сумішоутворення і надійно зма­щувати деталі системи живлення; відповідну самозаймистість, яка забезпечить м'яку, бездимну і економічну роботу двигуна на різних режимах.

4.2. ПРОКАЧУВАЛЬНА ЗДАТНІСТЬ І СУМІШОУТВОРЮЮЧІ ВЛАСТИВОСТІ ДИЗЕЛЬНИХ ПАЛИВ

Надійність подачі дизельного палива залежить від прокачувальної здатності (здатності проходити через елементи системи живлення, головним чином через фільтри грубої і тонкої очистки). Фільтри грубої очистки затримують меха­нічні домішки розміром більше 50...60 мкм, тонкої – біль­ше 2...5 мкм. При порушенні їх роботи зменшується, а іно­ді зовсім припиняється циклова подача палива, падає тиск вприску палива. На характер надходження палива через систему живлення двигуна впливають його в'язкість і низькотемпературні властивості, а також забрудненість механічними домішками і водою.

Якщо паливо має високу в'язкість, його фільтрація затруднена, що може призвести до порушення подачі палива насосом. При малій в'язкості порушується дозування па­лива внаслідок, просочування його між плунжером і гіль­зою насоса високого тиску. Крім того дизельне паливо є мастильним матеріалом для прецизійних деталей системи живлення, тому мінімальна і максимальна в'язкість його регламентується.

Подача палива при низьких температурах може порушу­ватися внаслідок забивання фільтрів кристалами парафіну. Такий стан палива визначається температурою помутніння.

Температура помутніння – це температура, при охолодженні до якої паливо втрачає прозорість внаслідок виділення мікрокристалів парафіну, церезину і льоду. Для надійної подачі палива у двигун, у зимовий період, ця температура повинна бути на 3...5°С нижча тієї, при якій воно використовується.

Температура кристалізації – це температура, при якій в паливі з'являються перші кристалики, які можна побачити неозброєним оком.

Температура застигання – це температура, при якій налите у пробірку паливо, під час охолодження в певних умовах, досягає такого стану, що не змінює поло­ження меніску протягом однієї хвилини при нахиленні про­бірки на 45°, тобто паливо втрачає свою те­кучість. Застигання палива настає при зниженні температури на 5...15 °С після його помутніння. Температура застигання – це важливий показник дизельного палива, визначає можли­вість його використання при даній температурі і входить в умовне позначення зимових дизельних палив. Для надійної роботи системи живлення найнижча температура навко­лишнього середовища повинна бути на 10...15 °С вище тем­ператури застигання.

Гранична температура фільтрівності па­лива – це температура, при якій паливо, після охолодження в певних умовах, здатне ще проходити через фільтр з уста­новленою швидкістю.

Дослідження показують, що гранична температура філь­трівності дизельних палив, як правило, буває нижче темпе­ратури помутніння, але вище температури застигання. Од­нак положення її в цьому інтервалі температур, може бути різним: або ближче до температури помутніння, або – до температури застигання.

У виробничих умовах температуру застигання і помут­ніння понижують, розбавляючи літнє дизельне паливо реак­тивним паливом або бензином, в яких температура початку кристалізації не вище мінус 60°С. При цьому слід пам'я­тати, що при розбавленні дизельних палив низькокиплячими компонентами температури застигання і помутніння су­міші завжди відхиляються у бік високозастигаючого дизель­ного палива, внаслідок чого доводиться використовувати значну кількість розчинника.

Досвід застосування дизельного палива в сільському господарстві показує, що при недотриманні правил їх транс­портування, зберігання, заправки, в паливо потрапляють вода і механічні домішки, які не тільки різко підвищують спрацювання паливної апаратури і двигуна, але можуть ви­кликати і відкази їх роботи. Забруднення дизельного пали­ва значно зростає при роботі тракторів і автомобілів у за­пилених умовах.

При наявності пилу в повітрі 1 ...2,5 г/м³ забрудненість палива в 2...3 рази збільшується ніж у момент заправ­ки. Цьому сприяє і те, що забруднення, в наслідок біль­шої в'язкості дизельного палива, осідають на дно баків і ємкостей значно повільніше ніж а бензині. Тому рекомен­дується перед заправкою дизельне паливо відстоювати протягом 10 днів і застосо­вувати плаваючий паливо-приймач.

Найбільш надійним способом очист­ки дизельного палива є фільтрація, тому паливоподавальна система дизельних дви­гунів включає фільтри грубої і тонкої очистки, призначення яких – максималь­но захистити елементи системи живлення і двигун в цілому від механічних домішок, які за тих чи інших умов потрапили в паливо. З урахуванням важливого значення фільтрації для забезпечення чистоти палива, в стандарти на палива для швидкохідних автотракторних ди­зельних двигунів уведено новий показник якості – коефі­цієнт фільтрівності.

Суть методу визначення цього показ­ника в пропусканні 10 порцій палива, по 2 мл кож­на, через фільтрувальний папір. Коефіцієнт фільтрівності – це відношення часу фільтрації останньої порції палива до часу фільтрації першої. У товарних дизельних палив, як правило, коефіцієнт фільтрівності менше трьох, що відпо­відає вимогам стандарту.

На процес сумішоутворення дизельного палива впли­вають конструктивні особливості двигуна і властивості па­лива.

Сучасні автотракторні двигуни мають нерозділену або розділену камеру згоряння (вихрову камеру). Форма ка­мер згоряння, число форсунок, форма і розмір соплових от­ворів, тиск і напрям впорскування палива – всі ці конст­руктивні фактори вибирають оптимальними, щоб забезпе­чити належне сумішоутворення. Процес сумішоутворен­ня в дизельному двигуні залежить від таких фізико-хімічних властивостей палива:

· в'язкість,

· густина,

· фра­кційний склад,

· тиск насиченої пари,

· поверхневий натяг

· тощо.

Збільшення в'язкості палива веде до збільшення крапель у факелі, що значно погіршує розпилювання і випаровуван­ня палива. Паливо з великою в'язкістю догоряє в кінці так ту розширення, знижуючи економічність і підвищуючії димність відпрацьованих газів.

Паливо з малою в'язкістю також погір­шує процес сумішоутворення. При його розпилюванні ут­ворюються дрібні краплі, швидкість яких у щільному по­вітрі швидко падає, утворюючи укорочений факел. Внаслі­док цього не весь об'єм камери згоряння використовується для приготування однорідної суміші і не все повітря бере участь у сумішоутворенні, що призводить до надлишку па­лива і неповного його згоряння.

З підвищенням гус­тини збільшується довжина факела, знижується економіч­ність і зростає димність відпрацьованих газів.

Важливою характеристикою для розпилювання палива є поверхневий натяг – розмір крапель прямопропорційний величині поверхневого натягу. З обважненням фракційного складу палива, підвищенням його густини поверхневий на­тяг збільшується. Для дизельних палив швидкохідних двигунів поверхневий натяг знаходиться у межах 0,027...0,030 Н/м, для палива тихохідних двигунів – біль­ше 0,030 Н/м.

Палива з підвищеною температурою кінця кипіння на­зивають обважненими (ОФС). Лабораторні дослідження і випробування показують, що можна збільшити ресурси дизельного палива на 3...4 % за рахунок більш глибокого відбору з нафти прямогонних фракцій з температурою ви­кипання на 25...30°С вище температури википання стан­дартного дизельного палива.

Полегшення фракційного складу за рахунок введення бензинових фракцій покращує експлуатаційні властивості обважених палив. Таким чином при значній дпзелізації ав­томобільного парку перспективним буде використання єди­ного дизельного палива з температурою початку кипіння 66...80 °С і температурою перегонки 90 % – 360 °С, яке на­зивають – дизельне паливо широкого фракційного складу (ШФС).

4.3 ЗАЙМАННЯ ТА ЗГОРЯННЯ ДИЗЕЛЬНОГО ПАЛИВА

Процес згоряння палива в дизельному двигуні можна розділити на 4 фази:

· період затримки займання;

· період швидкого горіння;

· період уповільненого горіння;

· період до­горяння.

Період затримки займання – проміжок часу від початку впорскування (точка 1, рис. 4.1) до моменту зай­мання палива (точка 2). Паливо, що впорскується в ци­ліндр до приходу поршня в ВМТ (з випередженням) зай­мається не миттєво, а з деяким запізненням.

Рис.4.1. Індикаторна діаграма роботи дизельного двигуна

І – м’яка робота; ІІ – жорстка робота

У цей період відбувається процес сумішоутворення та нагрівання пали­ва. Одночасно з фізичною підготовкою палива відбувають­ся реакції передполуменевого окислення. Період затримки займання (точка 2) завершує­ться займанням робочої сумі­ші, в одному або кількох міс­цях, де були найсприятливіші умови для проходження передполуменевих реакцій. Теплота, що виділяється при утворенні перших осередків самозаймання прискорює процес займання палива, яке надходить у циліндр у період затримки займання, внаслідок чого почи­нається бурхливе горіння, тобто фаза швидкого горіння. Ця фаза (точки 2, 3) характеризуються різким зростанням температури і тиску.

Інтенсивність наростання тиску залежить від кількості палива, що надходить у циліндр за період затримки само­займання. Чим триваліший цей період, тим більше, за ін­ших рівних умов, надійде палива в циліндр. Виділення теп­лоти і відповідно наростання тиску в циліндрі відбувається різко, тому робота двигуна буде супроводжуватися стука­ми і її називають «жорсткою». Жорстка робота дизельного двигуна так само небажана, як детонація в карбюраторних двигунах.

Режим роботи двигуна оцінюється зростанням тиску в камері згоряння на 1° повороту колінчастого вала. Якщо тиск зростає на 0,25...0,60 МПа – двигун працює м'яко, при 0,6...0,8 МПа – жорстко, а вище 0,9 МПа – дуже жорстко.

У кінці бурхливого горіння (точка 3, в якій досягається максимальний тиск) наростання тиску припиняється, швид­кість згоряння знижується. Після точки 3 починається пе­ріод уповільненого згоряння, закінчується подача палива, але процес згоряння продовжується. Характерним для нього є зниження тиску в циліндрі, внаслідок збільшен­ня об'єму камери згоряння, так як поршень рухається до НМТ. Кінцем періоду уповільненого згоряння умовно прий­мають точку 4, коли досягається максимальна температура газів у камері згоряння. Після цього відбувається догорян­ня залишків незгорілого палива і продуктів неповного зго­ряння (точки 4...5). Тривалість цього періоду впливає на температуру і димність вихлопу та залежить від фракцій­ного складу палива і наявності в ньому смолистих речовин. Тривалість четвертої фази повинна бути найкоротшою.

Таким чином для нормальної роботи двигуна необхідно, щоб паливо самозаймалось у чітко визначений момент і по­тім енергійно згоряло, викликаючи інтенсивне, але достат­ньо плавне зростання тиску, не перевищуючи 0,4...0,6 МПа на один градус повороту колінчастого вала. У цьому випад­ку буде, так звана, «м'яка» робота двигуна, при якій розвивається максимальна потужність і забезпечується необ­хідна паливна економічність.

Якщо самозаймання запізнюється, то це призводить до жорсткої роботи двигуна, що нагадує детонацію в карбю­раторному двигуні, але природа цих явищ зовсім проти­лежна, так як більшість факторів, що визивають жорстку роботу дизельного двигуна, сприяють усуненню детонації в карбюраторному.

Показник, що характеризує самозаймистість дизельного палива, називають цетановим числом, яке визначається ме­тодом порівняння займистості палива із займистістю сумі­ші двох вуглеводнів. Суміш складається з цетану – період затримки самозаймання якого малий і його цетанове число (ЦЧ) приймають за 100 та альфаметилнафталіну період затримки самозаймання якого великий, цетанове число до­рівнює 0.

Цетанове число дорівнює процентному вмісту (за об'є­мом) цетану в такій суміші з альфаметплнафталіном, що рівноцінна даному паливу за самозаймистістю при випро­буванні в стандартних умовах. Цетанове число дизельних палив залежить від їх вугле­водневого складу, структури і молекулярної маси.

Знаючи груповий вуглеводневий склад палива визна­чають цетанове число за формулою:

де П. Н. А. – вміст у паливі відповідно парафінових, нафтенових і ароматичних вуглеводнів, у процентах за масою.

Цетанове число можна обчислити і знаючи густину та кінематичну в'язкість:

ЦЧ = (ν20 + 17,8)·1,5879/

(4.2)

За цими формулами можна лише приблизно знайти це­танове число. Вони не придатні при визначенні цетанових чисел для палив з присадками, які підвищують цетанове число, а також для палив, у склад яких входять бензинові фракції.

Враховуючи, що вуглеводні з високими цетановими чис­лами мають низьку детонаційну стійкість, тобто низьке ок­танове число, виведено емпіричну між ними залежність:

За кордоном для характеристики самозаймання дизель­ного палива, поряд з цетановим числом, використовують по­казник – дизельний індекс (ДІ). Між дизельним індексом і цетановим числом палива існує така залежність:

Цей показник нормується і у вітчизняній технічній до­кументації на дизельне паливо, яке поставляється на експорт.

Оптимальне значення цетанового числа 40...50. Викорис­тання палива з цетановим числом менше 40 призводить до жорсткої роботи двигуна, а більше 50 – до збільшення пи­томої витрати палива за рахунок зменшення повноти зго­ряння. Влітку можна успішно застосовувати палива з це­тановим числом 40, а взимку, для забезпечення пуску холодного двигуна, цетанове число повинно бути не мен­ше 45.

Цетанові числа можуть бути підвищені двома способа­ми:

· регулюванням вуглеводневого складу;

· введенням спеціальних присадок.

Перший спосіб заснований на тому, що різні групи вуглеводнів мають різну самозаймистість. Та­ким чином цетанове число палив можна суттєво підвищити, збільшуючи концентрацію нормальних парафінів і знижую­чи вміст ароматиків. Але із-за підвищеної температури плавлення нормальних парафінів, у порівнянні з іншими групами вуглеводнів, їх значний вміст у зимових марках ди­зельних палив недопустимий.

Другий спосіб забезпечує найбільше підвищення цетано­вого числа. Механізм дії присадок оснований на їх здат­ності порівняно легко виділяти з свого складу кисень.. Як сильні окислювачі вони прискорюють початкові передполуменеві реакції, сприяють розгалуженню окислювальних ланцюгів і утворенню нових активних центрів реакції.

4.4. СТАБІЛЬНІСТЬ І СХИЛЬНІСТЬ ДО УТВОРЕННЯ ВІДКЛАДЕНЬ

Сучасні товарні дизельні палива – це середньодистилятні нафтові фракції з високою фізичною стабільністю. Температура початку кипіння дизельних палив знаходиться у межах 180...220°С і тиск насиченої пари при звичайних умовах не перевищує 1 кПа. Тому втрати дизельних палив від випаровування під час зберігання невеликі і складають 1,5 кг у рік з 1 м³ пароповітряного простору.

Хімічна стабільністьдизельних палив, одержаних з малосірчистої нафти, досить висока. Навіть після зберігання протягом п'яти і більше років вони практично не змінюють своїх показників якості, в той час як дизельні палива, що містять значну кількість ненасичених вуглеводнів і меркап­танів, суттєво змінююють свої властивості за тих же умов.

Утворення нагаруісмолистих відкладень залежить не тільки від конструктивних факторів, технічного стану і ре­жиму роботи двигуна, але і від якості дизельного палива. На утворення відкладень впливають такі фізико-хімічні властивості палива як фракційний склад, в'язкість, наяв­ність сірчистих сполук, смолистих речовин (фактичних смол), ненасичених вуглеводнів тощо.

Для дизельних палив, що містять продукти крекінгу нормується йодне число. Це пов'язано з тим, що в продук­тах каталітичного крекінгу, які додають в дизельні палива з метою збільшення їх виробництва, можуть бути малоста-більні ненасичені вуглеводні. Йодне число відповідає кіль­кості йоду в грамах, який здатний приєднатись до ненаси­чених вуглеводнів, що знаходяться в 100 г нафтопродукту. При визначенні створюються такі умови, коли йод може реагувати з ненасиченими вуглеводнями, які мають подвій­ний зв'язок (олефінами). Тому цей показник характеризує одну з сторін хімічної стабільності. Йодне число не повин­но перевищувати 6 г йоду на 100 г палива.

Схильність дизельного палива до нагароутворення за­лежить також від його коксівності і зольності.

Коксівність – це здатність палива утворювати в умовах нагрівання (800...900 °С) без доступу повітря залишок у ви­гляді вугілля (коксу). Для дизельних палив коксівність залежить від їх фракційного складу, вмісту смолистих і не­стабільних сполук. Коксівність (коксове число) визначають або для палива в цілому, або для 10%-го залишку після пе­регонки. Коксівність 10%-го залишку повинна бути не біль­ше 0,5%.

Зольність палива характеризує вміст у ньому мінераль­ного залишку після згоряння. Зола не тільки приймає участь при утворенні нагару, але і підвищує спрацювання дета­лей двигуна. Допустимий вміст золи в дизельних паливах 0,01...0,02 %.

Схильність палив до лакоутворення оцінюють за вмістом лаку в міліграмах на 10 мл палива, випаровуючи невелику кількість палива у спеціальному лакоутворювачі при тем­пературі 250 °С.

4.5. КОРОЗІЙНІ ВЛАСТИВОСТІ

Причини корозійності дизельних палив ті ж, що і у бен­зинів: наявність водорозчинних кислот і лугів, органічних кислот і сірчистих сполук. Присутність водорозчинних кис­лот і лугів у паливі виявляють за реакцією водної витяж­ки і наявність їх за стандартами не допускається. Вміст ор­ганічних кислот обмежується показником – кислотність. Кислотність дизельних палив не повинна перевищувати 5 мг КОН/100 мл.

Вирішальний вплив на корозійну агресивність дизель­них палив має вміст і характер сірчистих сполук.

Активних сірчистих сполук (сірководню, елементної і меркаптанової сірки) при випуску палива із заводу повин­но бути так мало, щоб корозійні випробування – проба на мідну пластинку – воно витримувало.

Корозійні властивості дизельних палив обумовлені не стільки загальним вмістом сірки в паливі, скільки вмістом меркаптанів.

Загальна кількість сірки, яка міститься в дизельному паливі, суттєво впливає на роботоздатність дизельного дви­гуна. Узагальнюючи експериментальні дослідження, мож­на стверджувати, що при зростанні сірки з 0,2 до 0,5 %, а при використанні сірчистих палив (до 1,0 %) знос прис­корюється майже вдвоє.

4.6. АСОРТИМЕНТ ПАЛИВ ДЛЯ ДИЗЕЛЬНИХ ДВИГУНІВ І ОБЛАСТЬ ЇХ ЗАСТОСУВАННЯ

Відповідно до ГОСТ 305—82 для швидкохідних дизель­них двигунів випускають три марки дизельних палив за­лежно від сезонності або географічних областей викорис­тання: Л — літнє, З — зимове і А — арктичне. Крім того для кожної марки окремо обумовлена кліматична зона — помірна або холодна, а також види палива: І — масова частка сірки не більше 0,2%, II—масова частка сірки не більше 0,5 %.

Кліматична зона використання дає можливість розділи­ти паливо однієї і тієї ж марки за температурою помутніння і застигання, вид палива — за максимально допустимим вмістом сірки. Палива для помірної кліматичної зони ма­ють більш високу температуру помутніння і застигання, ніж для холодної.

Паливо Л використовують влітку в помірній і холодній кліматичних зонах за умови, що температура навколиш­нього повітря навіть тимчасово не знижується нижче 0°С.

Паливо З призначене для двох кліматичних зон: для помірної з температурою повітря не нижче мінус 20 °С (температура застигання не вище мінус 35 °С) і для холод­ної — з температурою повітря не нижче мінус 30 °С (тем­пература застигання не вище мінус 45 °С).

Паливо А застосовують при температурі навколишньо­го середовища мінус 50 °С і вище (температура застигання не вище мінус 55 °С). Температура помутніння для нього не нормується, тому що припускається, що це паливо під­дається глибокій депарафінізації.

Палива за ГОСТ 305—82 одержують компаундуванням (змішуванням) фракцій прямої перегонки і гідроочистки у співвідношеннях, які забезпечують вимоги стандарту за вмістом сірки. Сировиною для гідроочистки є суміш середньодистилятних фракцій прямої перегонки і легкого газойлю каталітичного крекінгу.

Відповідно до стандарту, в умовному позначенні літньо­го палива вказують граничний вміст сірки і температура спалаху, що допустимі для даного палива.

Норма сірки вказує на вид палива, а температура спа­лаху на область використання, так як для палив, що вико­ристовуються для тепловозних і суднових двигунів, а також для газових турбін, температура спалаху (закритий спосіб) повинна бути на 21 °С вище, ніж для двигунів загального призначення.

При позначенні зимових палив замість температури спалаху вказують температуру застигання.

При позначенні арктичних палив вказується тільки граничний вміст сірки.

Якщо будь-які з вказаних марок палив вищої якості, то незалежно від виду палива вміст у ньому сірки не повинен перевищувати 0,2%, фактичних смол — 25 мг на 100 см³ і золи — 0,008 %.

Дизельне паливо експортне (ТУ 38 001162-85) виготов­ляють для поставок на експорт з вмістом сірки до 0,02 %, для чого дизельні фракції прямої перегонки піддають гідроочистці. Для оцінки його якості, за вимогою споживачів, визначають дизельний індекс, а не цетанове число. Крім того, замість визначення вмісту води і коефіцієнта фільтрівності експрес-методом визначають прозорість палива при температурі 10 °С. Випускають марок ДЛЕ і ДЗЕ.

Для середньо- і тихохідних дизельних двигунів, з час­тотою обертання до 1000 хв-1 (ГОСТ 1617—68) виробля­ють паливо марок ДТ і ДМ вищої якості та ДТ. Вони від­різняються в'язкістю, коксівністю і температурою застига­ння.

Паливо цих марок — суміш дистилятів з залишковими продуктами (мазутом) прямої перегонки або крекінгу. Дви­гуни, в яких використовують таке паливо, експлуатують в основному на стаціонарних і напівстаціонарних установ­ках.

Паливо ДТ призначено для дизелів, не обладнаних сис­темою підготовки палива, а паливо ДМ (мазут) — для суд­нових тихохідних дизелів, обладнаних системою поперед­ньої підготовки палива (нагрівання до температури 60... 70 °С, відстоювання, фільтрування).

5. ЕКСПЛУАТАЦІЙНІ ВЛАСТИВОСТІ ТА ВИКОРИСТАННЯ ГАЗОПОДІБНИХ ПАЛИВ

5.1 ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ І КЛАСИФІКАЦІЯ

Газоподібне паливо – це суміш різних газів (горючих і негорючих). Основними горючими компонентами є водень, оксид вуглецю, метан та газоподібні вуглеводні: етан, про­пан, бутан, іноді сірководень. Негорючі компоненти – вуг­лекислий газ, азот, кисень.

Порівняно з іншими видами газоподібне паливо має та­кі переваги:

· дешеве і після вугілля найпоширеніше, з великими за­пасами; згоряє в майже теоретичній кількості повітря, що забезпечує високі коефіцієнт корисної дії і температуру згоряння;

· при згорянні не утворює небажаних продуктів (сірчис­тих сполук, кіптяви і диму);

· легко запалюється при будь-якій температурі навколиш­нього повітря;

· може бути використане в стиснутому і зрідженому стані;

· для зберігання газу не потрібні спеціальні складські приміщення, оскільки його подають по газових магістралях.

Газоподібне паливо має й негативні властивості:

· утво­рює вибухові суміші з повітрям (природний газ, метан, во­день);

· легко витікає через нещільності;

· гази, до складу яких входить оксид вуглецю (генераторний, змішаний, світиль­ний, водяний, коксовий) дуже отруйні.

Як і інші види палива, газоподібне поділяють на:

· при­родне – використовується в тому вигляді, в якому воно знаходиться в надрах землі (природний газ газових родовищ і супутний);

· штучне – гази, які одержують як побічний продукт при переробці нафти і твердого палива або спеціально за допомогою газогенераторів (доменний, коксовий, генераторний).

Залежно від фізичних властивостей гази можуть бути:

· зріджені – гази з відносно високою критичною температурою, при підвищенні тиску до 1,0... 1,5 МПа переходять у рідкий стан, в основному це пропан-бутанові вуглеводні;

· стиснуті – гази з низькою критич­ною температурою, які залишаються в газоподібному ста­ні при нормальній температурі навіть при дуже високому тиску (до 20 МПа), до них належать метан, оксид вуглецю, водень, етилен.

Газоподібне паливо за теплотою згоряння поділяють на три групи:

· висококалорійне, з теплотою згоряння понад 20000 кДж/м³ (природні гази газових родовищ і супутні, нафтовий газ);

· середньокалорійне, з теплотою згоряння 10000... 20000 кДж/м³ (коксовий, світильний та ін.);

· низькокалорійне, з теплотою згоряння до 10000 кДж/м³ (доменний, генераторний та ін.).

5.2. ХАРАКТЕРИСТИКА І АСОРТИМЕНТ ПАЛИВ

З усіх видів газоподібного палива найпоширеніші природні гази, які поділяють на дві групи:

· гази газових родо­вищ;

· супутні, які добуваються разом з нафтою.

Природні гази чисто газових родовищ за складом і теп­ловою цінністю відрізняються між собою незначно. Головною їх складовою є метан – СН₄.

Для природного газу, який надходить по трубопроводу, нормується тільки вміст шкідливих домішок: сірководню, аміаку, смол, пилу, вологи тощо. За сортами і марками їх не поділяють. Природний газ має низьку критичну темпера­туру (мінус 161°С при атмосферному тиску і мінус 82°С при тиску 4,6 МПа). Тому навіть при високому тиску він знаходиться в газоподібному стані і його називають стис­нутим. До таких газів відносять і деякі штучні.

Супутний нафтопромисловий газ, крім метану, містить більш важкі газоподібні вуглеводні, кількість яких зале­жить від складу нафти того чи іншого родовища. В бага­тьох випадках газовий фактор (кількість газу в кубічних метрах на одну тону нафти) дуже високий (50... 100 м³). Вуглеводні з числом атомів вуглецю 1...4, які входять у склад нафти, при нормальних умовах, перебувають у га­зоподібному стані, їх уловлюють при добуванні нафти. Теп­лота згоряння супутного нафтопромислового газу вища, ніж газів газових родовищ, але його використовують головним чином як сировину для хімічної і нафтохімічної промисло­вості.

Зріджений газ широко використовують для газозабезпечення сільської місцевості і районів, що не підключені до газової мережі, а також як паливо в котельно-побутових і невеликих теплоустановках (у теплицях, на тваринниць­ких фермах тощо). Зріджений газ – це легкоконденсуючі при стиску газоподібні вуглеводні.

Основним компонентом зрідженого газу є пропан – важкий газ (густина за повітрям 1,52). Він створює опти­мальну величину тиску насиченої пари, що особливо важ­ливо для зниження маси газових балонів транспортних установок.

Етан – газ, що за густиною близький до повітря. Одер­жують його з супутних нафтових газів, входить до складу зріджених газів у незначній кількості, але підвищує загаль­ний тиск насиченої пари і тим самим забезпечує в зимовий період надлишковий тиск, який необхідний для нормальної роботи газобалонних установок.

Бутан має два ізомери, густина за повітрям 2,06..2,09. Одержують з тих же нафтопромислових газів, що і пропан. Є найбільш висококалорійним компонентом зріджених га­зів. При температурі мінус 0,5°С і нормальному атмосфер­ному тиску він переходить у рідкий стан, що не дозволяє використовувати його в зимовий період для комунально-по­бутових потреб.

Пентан – важкий газ, густина за повітрям 2,67. У біль­шості випадків знаходиться в рідкому залишку і при 20 °С не повинен перевищувати 1...2 % об'єму зрідженого газу, тому що він різко знижує пружність парів і підвищує точ­ку роси.

Зріджені гази відповідно до ГОСТ 20448-80 випускають таких марок:

· СПБТЗ – суміш пропану і бута­ну технічних зимова;

· СПБТЛ – суміш пропану і бутану технічних літня;

· БТ – бутан технічний.

Зріджений газ надходить до споживачів у цистернах або в тонкостінних балонах під тиском 1,6 МПа.

Штучне газоподібне паливо можна одержати шляхом газифікації твердого палива або його сухою перегонкою (суть процесів розглядається у відповідних розділах і гла­вах). За допомогою газифікації твердих палив одержують: генераторний газ, змішаний, водяний та ін.; при сухій пере­гонці: напівкоксовий, коксовий, світильний та ін.

Генераторний газ отримують шляхом газифікації твер­дих палив у газогенераторах.

Змішаний генераторний газ одержують при подачі до газогенератора змішаного пароповітряного дуття. Водяна пара розкладається і збагачує горючу частину газу воднем. Порівняно з генераторним газом, змішаний містить більше водню, метану і менше азоту. У зв'язку з цим теплота зго­ряння його буде вищою, ніж генераторного.

Водяний газ одержують, пропускаючії водяну пару че­рез розжарений шар палива. Склад водяного газу залежить від палива, яке газифікується. Теплота згоряння 10420 кДж/м³. Кращим паливом для одержання водяного газу є кокс і антрацит. При згорянні водяного газу утворю­ється висока температура (до 2800 °С), завдяки чому його застосовують для зварювання і різання металів, синтезу­вання штучного рідкого палива, а також добування водню для гідрогенізаційних процесів.

Коксовий газ. Головною складовою частиною коксово­го газу є водень (біля 50%), вміст якого збільшується з підвищенням температури коксування, і метан (бі­ля 25 %). Теплота згоряння коксового газу 15500... 21600 кДж/м³.

Напівкоксовий газ відрізняється від коксового більшим вмістом вуглеводнів і меншим вмістом водню. Основною горючою частиною иапівкоксового газу є метан (40...50 %). Теплота згоряння цього газу залежить від вихідного пали­ва і середнє значення приблизно дорівнює 24000 кДж/м³.

Світильний газодержують під час сухої перегонки твер­дих видів палива при більш високих температурах (1000... 1200 °С), ніж при коксуванні вугілля, за тепловою цінніс­тю приблизно дорівнює коксовому газу, теплота його зго­ряння І 8400...23100 кДж/м³.

Доменний (колосниковий газ) виділяється під час плав­ки руди в доменних печах. За складом він наближається до генераторного газу і відноситься до низькокалорійних з теплотою згоряння 3800...5300 кДж/м³.

Нафтовий газ одержують шляхом перегонки важких залишків нафтопереробних або смолопереробних заводів. Із газів сухої перегонки нафтовий газ має найбільшу теп­лоту згоряння 35700 кДж/м³, використовують його в основ­ному для спалювання у газових двигунах, газового зварю­вання тощо.

5.3. ЗАСТОСУВАННЯ ГАЗОПОДІБНОГО ПАЛИВА В ДВЗ

Використання газоподіб­ного палива для ДВЗ, крім загальних переваг, має свої специфічні:

· знижується токсичність відпрацьованих газів, що при сучасній концентрації автомібілів суттєво оздоровить повіт­ряний басейн, особливо у великих містах;

· збільшується в середньому на 35...40 % моторесурс дви­гуна і в 2...З рази строк роботи моторного масла, оскільки газоповітряна суміш не змиває масляної плівки з дзеркала циліндра і не розріджує масло в картері двигуна;

· висока детонаційна стійкість газоподібного палива доз­воляє підвищити ступінь стиску двигуна, а відповідно його потужність (до 15%) і паливну економічність (до 12 %);

· поліпшується розподіл пальної суміші між циліндрами.

Проте ці переваги не завжди повністю реалізуються вна­слідок зменшення наповнення циліндрів, оскільки для ро­боти на газ переводять карбюраторні двигуни, рідше ди­зелі, а не використовують спеціальні газові двигуни. Крім того переведення двигунів на газоподібне паливо пов'яза­но з рядом додаткових витрат:

· ціна автомобіля зростає на 21...27 % із-за наявності до­даткової газової апаратури;

· металомісткість газобалонних автомібілів збільшуєть­ся на 65...160 кг, а при використанні стиснутого газу — на 400...950 кг, залежно від кількості і маси балонів високого-тиску, що призводить до зниження вантажопід'ємності на 14...18 %;

· трудомісткість технічного обслуговування і ремонту га­зобалонних автомібілів при використанні зрідженого газу збільшується на 3...5 %, а при використанні стиснутого — на 12... 15 %;

· при використанні стиснутого газу пробіг автомобіля на одній заправці скорочується до 200...250 км (замість 400.., 450 км у бензинових двигунів).

Використання газоподібного палива в дизельних і кар­бюраторних двигунах має свої специфічні особливості. Для переведення дизелів па газоподібне паливо замість дизельної паливної апаратури установлюють систему за­палювання, в отвори для форсунок – свічки, на впускному трубопроводі монтують змішувач з дросельним патрубком, між блоком і головкою циліндрів ставлять прокладку для зменшення ступеня тиску.

При переведенні карбюраторних двигунів на газоподіб­не паливо також створюють газову модифікацію стандарт­ного карбюраторного двигуна, обладнують його газобалон­ною установкою і карбюратором-змішувачем. У такому ви­падку зберігається можливість роботи двигуна і на бензині, і на газі. Причому на бензині двигун розвиває номінальну потужність, а на газовому паливі потужність двигуна змен­шується (на 7...11 % при використанні зрідженого газу і на 16...20 % – стиснутого) внаслідок зменшення наповнення циліндрів газоповітряною сумішшю, а також меншою її теплотою згоряння.

Спеціальний газовий двигун, що розвиває номінальну потужність тільки па газоподібному паливі, має кращі техніко-економічні показники, яких досягають підвищенням ступеня стиску і встановленням газового змішувача. Та­кий двигун обладнують резервною системою живлення, при роботі якої двигун розвиває не більше 40...50 % номіналь­ної потужності.

Останнім часом багато уваги приділяється використан­ню двигунів, що одночасно працюють на двох видах пали­ва: газовому і рідкому, а саме бензогазових двигунів. Вони працюють на бензогазоповітряній суміші, що займається від електричної іскри.

При використанні газоподібного палива систему жив­лення двигуна, незалежно від її типу, обладнують газоба­лонною установкою. За видом газоподібного палива для ДВЗ газобалонні установки поділяють на три типи: для стиснутого природного газу, зрідженого природного газу (рідкого метану) і зрідженого пропан-бутанового газу. Всі газобалонні установки складаються з балонів для зберіган­ня і транспортування газу, газоподавальної і змішувальної апаратури, контрольних приладів.

Стиснутий газ зберігають у товстостінному балоні міст­кістю 50 дм³ (за водою), в якому під тиском 20 МПа може бути накачано 10 м3 газу, що знаходиться під атмосфер­ним тиском. На автомобілі, залежно від вантажопід'ємності, їх встановлюють до 8, що достатньо для руху на 200... 250 км.

На газонаповнювальних станціях гази очищають, осу­шують, стискують до робочого тиску 20 МПа, а потім на­повнюють балони автомобілів. Розроблені техніч­ні умови «Газ горючий природний стиснутий, паливо для газобалонних автомобілів» ТУ 51-166-84 згідно з якими введено дві марки газу — А і Б. Вони різняться вмістом ме­тану А — 95±5, Б — 90±5 % і азоту А — 0...4, Б — 4...7 %. Інші компоненти складають не більше: етан — 4%, про­пан — 1,5 %, бутан — 1,0 %, пентан — 0,3 %, дноксид вуг­лецю — 1,0 %, кисень — 1,0 %. Теплота згоряння відповідно 33896 і 33657 кДж/м³.

Зріджений природний газ. Основними компонентами цього виду палива є метан (96...97 %) і азот (3...4 %). Йо­го застосування як моторного палива дає можливість ви­користати великий енергетичний потенціал газових родо­вищ. Разом з тим зрідження метану, який має температуру кипіння нижче мінус 160 °С, пов'язане з відповідними труд­нощами, крім того для його зберігання і транспортування необхідна спеціальна термостатична тара з вакуумом або іншою надійною термоізоляцією. Викликає затруднення заправка рідким метаном: при зрідженні різко збільшуєть­ся його вартість. Крім того втрати метану від випаровуван­ня, навіть в умовах вакуумної ізоляції, складають 7...8 % на добу, причому це не тільки втрати палива, але і різке збільшення ризику пожежі і вибуху. В той же час об'єм рідкого метану майже в 3 рази менший, ніж об'єм стисну­того при 20 МПа газу, а маса термостатичних балонів у 8 разів менша маси балонів стиснутого газу. Номінальний тиск в кріогенному балоні, залежно від конструкції, стано­вить 0,07...0,7 МПа.

Зріджене газоподібне паливо – це пропан-бутанові фракції газів, які мають теплоту згоряння біля 46000 кДж/кг, октанове число 85...100 (за моторним мето­дом).

Зріджені гази можна транспортувати в звичайних за­лізничних і автомобільних цистернах. Для заправки ними автомобілів використовують прості і дешеві газонаповню­вальні і пересувні установки.

Зріджений пропан-бутановий газ має максимальний тиск 1,6 МПа, для його зберігання і транспортування на борту автомобіля використовують балони місткістю до 250 дм³. Балони заповнюють зрідженим газом не більше 90 % об'єму (враховується можливе теплове розширення газу). Решту (10%) займає газоподібна фаза, яка вико­ристовується для пуску холодного двигуна.

5.4. ЗАКОРДОННІ КЛАСИФІКАЦІЇ ГАЗОПОДІБНИХ ПАЛИВ

Масштаби використання газоподібного палива, як пали­ва для ДВЗ, у закордонних країнах залежать від співвід­ношення цін на рідке і газоподібне паливо, а також від ви­мог максимального використання власних резервів і зве­дення до мінімуму залежності від кон'юнктури ринку на нафтопродукти.

Найбільшого поширення стиснутий і зріджений гази як паливо для ДВЗ, одержали в Японії, США, Новій Зелан­дії і Канаді, а в європейських країнах – в Італії, Німеччи­ні, Франції, Бельгії, та Англії.

У США в 1990 р. використання зрідженого газу, як па­лива для ДВЗ, досягло більше 4 млн т, на ньому працює приблизно 500 тис. автомобілів. Прийнята програма пере­обладнання автомобілів на стиснутий природний газ. На газ переведені в основному автомобілі сфери обслуговуван­ня, в тому числі вантажні і легкові автомобілі, таксі. Всі автомобілі виготовлено за універсальною схемою живлен­ня. При використанні стиснутого газу вартість експлуата­ції зменшується в 1,6 рази у порівнянні з використанням рідкого палива, збільшується строк служби двигуна до ка­пітального ремонту (з 95 до 130 тис. км), вартість установки обладнання окупиться за 2...5 років. Ціна 1 м3 стис­нутого газу в 2,8 рази менша ціни 1 л бензину. Для інших країн різниця в цінах на бензин і газоподібне паливо скла­дає: в Німеччині 25 %, в Австралії – 34 %, в Італії – 38 % і в Нідерландах – 56 %.

Провідне місце в області застосування газоподібного палива займає Італія. В цій країні переведення автомобілів на газоподібне паливо почалось ще в тридцяті роки. В да­ний час в Італії на газобалонні автомобілі в структурі пар­ку припадає 4,6 %, у тому числі 1,6 % на автомобілі, що працюють на стиснутому природному газі. Загальне спо­живання газоподібного палива на автомобільному транс­порті Італії складає 3 % (у тому числі 1,2 % стиснутого) від загальної кількості газу, що витрачається галузями на­ціональної економіки.

У Канаді вартість 1 м³ стиснутого природного газу ниж­че вартості 1 л бензину в 2 рази. В цій країні існують й ін­ші стимули (налогові пільги, державна дотація в розмірі 400 доларів на автомобіль при переведенні його на природ­ний газ), що робить економічно вигідним використання газоподібного палива. В результаті цього строк окуп­ності газобалонного обладнання становить біля 1 року року.

У Німеччині значне поширення газоподібне паливо одержало у 80-ті роки. Перевагу в цій країні надають зрі­дженому газу. Автомобільний транспорт у 1990 р. витратив біля 50 млн т зрідженого газу і споживання його зростає.

Інтерес становить досвід експлуатації газобалонних ав­томобілів в Японії, яка не має власних сировинних ресур­сів для виробництва зрідженого газу, але досягла помітних успіхів в області ефективного його використання. В Японії таксомоторний парк (більше 300 тис. автомобілів) працює на зрідженому газі. Діє державний стандарт, який регла­ментує склад та інші параметри газу при його використанні в літній і зимовий періоди:

В інших країнах використовують зріджений газ різного складу, включаючи чистий пропан (США) і бутан (Швеція). Склад і теплотехнічні властивості, як правило, достатньо жорстко регламентуються. Відхилення від номінального складу обмежується межами А і В, які гарантують зміну теплоти згоряння і випаровування, що забезпечує економіч­ну і надійну роботу двигунів при будь-яких погодних умо­вах.

Більш детальну інформацію по газоподібним палива можна знайти в додатку 3.

ЛАБОРАТОРНІ ЗАНЯТТЯ

Лабораторна робота №1

ОЦІНКА ЯКОСТІ НАФТОПРОДУКТІВ НАЙПРОСТІШИМИ МЕТОДАМИ

Мета і задачі. Ознайомитися з найпростішими методами визначення наявності води, механічних домішок, фактичних смол і неграничних вуглеводнів у нафтопродуктах і оцінка в'язкості мастил .

Ознайомитися з устаткуванням і матеріалами, використовуваними при проведенні даної лабораторний pо6oти.

Уміти визначити якість нафтопродукту найпростішими методами.

Навчитися порівнювати результати випробувань з вимогами ДСТУ і давати висновки про можливість використання нафтопродуктів в об'єктах сільськогосподарської техніки.

Мы поможем в написании ваших работ!