Классификация процессов переработки нефти, газовых конденсатов и газов. Специфика и история развития нефтетехнологических процессов. Промышленные установки по первичной переработке сырья. Физико-химические свойства и методы выделения компонентов.
При низкой оригинальности работы "Краткая характеристика и классификация нефтетехнологических процессов", Вы можете повысить уникальность этой работы до 80-100%
Технологические процессы НПЗ принято классифицировать на следующие 2 группы: физические и химические.
1. Физическими (массообменными) процессами достигается разделение нефти на составляющие компоненты (топливные и масляные фракции) без химических превращений и удаление(извлечение) из фракций нефти, нефтяных остатков, масляных фракций, газоконденсатов и газов нежелательных компонентов (полициклических ароматических углеводородов, асфальтенов, тугоплавких парафинов), неуглеводородных соединений. Физические процессы по типу массообмена можно подразделить на следующие типы:1.1 - гравитационные;1.2- ректификационные;1.3 - экстракционные (деасфальтизация, селективная очистка, депарафинизация кристаллизацией); 1.4 - адсорбционные (депарафинизация цеолитная, контактная очистка);абсорбционные;В химических процессах переработка нефтяного сырья осуществляется путем химических превращений с получением новых продуктов, не содержащихся в исходном сырье. Химические процессы, применяемые на современных НПЗ, по способу активации химических реакций подразделяются на: термические; каталитические.Термические процессы по типу протекающих химических реакций можно подразделить на следующие типы: - термодеструктивные (термический крекинг, висбрекинг, коксование, пиролиз, пекование, производство технического углерода и др.); - термоокислительные (производство битума, газификациякокса, углей и др.).В термодеструктивных процессах протекают преимущественно реакции распада (крекинга) молекул сырья на низкомолекулярные, а также реакции конденсации с образованием высокомолекулярных продуктов, например кокса, пека и др. Каталитические процессы по типу катализа можно классифицировать на следующие типы:- гетеролитические, протекающие по механизму кислотного катализа (каталитический крекинг, алкилирование, полимеризация, производство эфиров и др.);- гомолитические, протекающие по механизму окислительно-восстановительного (электронного) катализа (производства водорода и синтез газов, метанола, элементной серы);- гидрокаталитические, протекающие по механизму бифункционального (сложного) катализа (гидроочистка, гидрообессеривание гидрокрекинг, каталитический риформииг, изомеризация, гидродеароматизация, селективная гидродепарафинизация и др.).Структура нефтеперерабатывающей промышленности некоторых стран
НПЗ Катализатор Количество, тонн Сроки использования, лет
Глобальные изменения в структуре мирового производства и потребления нефтехимической продукции привели к перестройке ведущих химических компаний. Перестройка химических фирм протекает на фоне стремления к экономии средств, внедрения высокоэффективных экологически безопасных технологий, предпочтения выпуска продукции с высокой добавленной стоимостью, расширения сети филиалов в странах с дешевыми трудовыми ресурсами.
Основными тенденциями развития мировой нефтехимической промышленности являются: ужесточение экологических норм - принята и реализуется международная программа «Responsible Care» (Ответственная забота), система регистрации, оценки свойств и оформления разрешения на производство различных видов химических продуктов.рост стоимости рабочей силы и энергоресурсов при стремлении к оптимизации производств. Поиск схем эффективного размещения внес существенные изменения в географию размещения химической промышленности: к традиционным районам - США, Западная Европа, Япония -присоединяются новые - Ближний Восток, Индия, Китай, страны Юго-Восточной Азии и Латинской Америки. переход на безопасные и эффективные технологии, частая их сменяемость. Основной упор в новых технологиях делается на обеспечение качества продукции, уменьшение расхода сырья, энергии, сокращение числа стадий химических процессов. По прогнозам, в ближайшие 15 лет объем производства нефтехимической продукции увеличится на 85 процентов;
упор на небольшие поточные линии, производящие малотоннажную химическую продукцию. увеличение удельного веса газового сырья (метана, пропана, бутана). В США, Канаде, Германии, Саудовской Аравии, Алжире, Чили и некоторых других странах «газохимическое крыло» занимает важнейшее место в нефтехимии. Технологии, основанные на переработке природного газа и газового конденсата, позволяют достигать высокой технологичности и экономичности производства.
Перспективы В нефтепереработке будет происходить диверсификация каталитических процессов, направленная на рост числа новых процессов риформинга нефти.
План
Содержание аренов в бензине А определяют по формуле:
где А1 А2 ... - содержание углеводородов в отдельных фракциях, %(масс); В1, В2 ... - содержание фракций в бензине, %(масс). Для определения группового состава бензина методом анилиновых точек необходимо отделить арены, содержащиеся в исходном продукте. Это можно осуществить химическим методом - сульфированием 100% серной кислотой или физико-химическим методом - хроматографией на силикагеле. Второй метод быстрее и проще.
Комбинирование - одна из форм обобществления производства, заключающаяся в технологическом сочетании взаимосвязанных разнородных производств одной или нескольких различных отраслей промышленности в рамках одного предприятия - комбината
3 основные формы комбинирования в промышленности: v Последовательная переработка сырья вплоть до получения готовой продукции;
v Использование отходов производства для выработки других видов продукции;
v Комплексная переработка сырья (выработка из одного вида сырья различных видов продукции).
• Комбинирование в промышленности - прогрессивная форма организации общественного производства, основанная на технологическом и организационном соединении в одном предприятии различных производств.
Комбинирвание в промышленности осуществляется в 3 формах: Комбинирование в нефтяной промышленности
• Комбинирование на основе комплексного использования и последовательной переработки природного газа получило широкое распространение после того, как были найдены способы получения из него водорода, ацетилена, синтезгаза - важнейших полупродуктов для последующего синтеза. Это дало возможность производить на одном предприятии азотные минеральные удобрения, синтетические смолы и другие химические продукты.
• Комбинирование на основе комплексной переработки сырья распространено в отраслях и на предприятиях, занятых переработкой органического сырья (нефти, угля, торфа, сланцев и др.), а также использующих в качестве предмета труда комплексные руды, например полиметаллические.
• Китае построен самый крупный в мире нефтехимический центр в Шанхае. Нефтяной гигант ВР и Китайская компания Sinopec Corp.(с долей 50%) в 2005 году заложил крупный нефтехимический комплекс стоимостью 2,7 млрд. долларов.
O Экономическая эффективность комбинирования в любой отрасли промышленности достигается, прежде всего, через концентрацию производства, так как комбинированное предприятие характеризуется крупным объемом выпуска продукции.
O При этом различные производства, входящие в состав комбината, размещенные на одной площадке, а нередко даже в объединенных блокированных корпусах, обслуживаются силами централизованных подсобно - вспомогательных служб, что позволяет в значительной степени сократить протяженность различных коммуникаций, более рационально организовать складское хозяйство
А строительство и пуск в эксплуатацию новых нефтехимических комплексов, а также модернизация и технологическое обновление действующих нефте- и газоперерабатывающих заводов
22. Мероприятия по охране окружающей среды
Научно-технический прогресс не всегда сочетается с рациональным использованием природных ресурсов и охраной окружающей среды, еще в значительных масштабах биосфера загрязняется вредными, токсичными веществами. В этих условиях охрана здоровья населения, обеспечение оптимальных санитарных условий его жизни приобретают исключительно важное значение. Основная роль в осуществлении плановой системы мер по охране окружающей среды отводится совершенствованию технологии производства, максимальному сокращению и утилизации отходов.
При гидроочистке дизельного топлива оборудуется цельный ряд отходов, которые загрязняют окружающую среду. Например: сброс водяного конденсата после отпарки из К-304, который содержит сероводород и нефтепродукты.
В атмосферу сбрасываются такие газовые смеси, которые содержат ядовитые вещества. Например: газы регенерации через дымовую трубу сбрасываются в атмосферу, а содержат они в себе сернистый газ и другие ядовитые газы.
Факельные системы также являются значительными источниками загрязнения атмосферного воздуха. На факельные установки направляют сдувки из предохранительных клапанов и других предохранительных устройств, токсичные газы и пары. Кроме того на факел направляют газы и пары в аварийных случаях, в период пуска оборудования или его остановки на ремонт и наладки технологического режима.
Установка производства битумов введена в эксплуатацию в 1979 году, состоит из блока вакуумной перегонки мазута и битумного блока, мощностью по битуму 500 тыс. тн/год, запроектирована «Ростгипронефтехимом». Основное назначение блока вакуумной перегонки мазута - получение гудрона фр.>500° С - сырья для производства битумов методом окисления кислородом воздуха в окислительных колоннах. Боковые погоны фр.< 350° С и фр.350 - 450°С выводятся с установки как компоненты сырья секции гидроочистки вакуумного газойля комплекса КТ-1. Фр.450-500 ° С используется как компонент сырья установки каталитического крекинга. Смесь указанных фракций и каждая фракция в отдельности может использоваться как компонент котельного топлива в схеме завода.Для повышения термической стабильности продуктов и улучшения ректификации мазута процесс проводится под вакуумом (остаточное давление 35-100 мм.рт.ст) с подачей перегретого пара в нижнюю часть вакуумной колонны К-1. Для турбулизации потоков предусмотрена подача пара в сырьевой змеевик. Битумный блок предназначен для получения непосредственно битумов: строительного, дорожного, кровельного, изоляционного.
В основу технологического процесса положен метод непрерывного прямого окисления гудрона (фр. > 500°С) в аппаратах колонного
Установка производства серы
Установка производства серы, мощностью 20тыс.тн.серы/год, запроектирована институтом «Гипрогазоочистка» г.Москва и состоит из двух блоков: блока регенерации водного раствора моноэтаноламина и блока получения серы. Блок регенерации водного раствора моноэтаноламина введен в эксплуатацию в 1978году, блок производства серы - в 1979году.Установка производства серы с блоком регенерации раствора МЭА предназначена для регенерации водного раствора МЭА и получения элементарной серы из сероводорода, выделившегося при регенерации. Регенерация водного раствора МЭА производится кипячением раствора с помощью «глухого» пара в тарельчатых десорберах. Производительность блока регенерации -380м3/час раствора МЭА.Для получения элементарной серы применен 3-х ступенчатый окислительный процесс с первой термической ступенью и двумя последующими каталитическими ступенями (метод Клауса). Термическая стадия оборудована котлами-утилизаторами типа Г-105/300.Ц. Каталитические стадии оборудованы топками, конверторами, конденсаторами-генераторами типа Г-420.
Установка замедленного коксования
Установка замедленного коксования типа 21-10/9 предназначена для получения нефтяного кокса. Мощность по сырью- 600 тыс.тн/год, по коксу 120 тыс.тн/год, введена в эксплуатацию в 1986 году.
Кроме кокса на установке вырабатываются: жирный газ коксования, который используется для топливных нужд завода; компонент автомобильного бензина; легкий и тяжелый газойль коксования вовлекаются как компонент сырья С-100 КТ-1.
Подготовка нефти к переработке
Добываемая на промыслах нефть, помимо растворенных в ней газов, содержит некоторое количество примесей - частицы песка, глины, кристаллы солей и воду. Содержание твердых частиц в неочищенной нефти обычно не превышает 1,5%, а количество воды может изменяться в широких пределах. С увеличением продолжительности эксплуатации месторождения возрастает обводнение нефтяного пласта и содержание воды в добываемой нефти. В некоторых старых скважинах жидкость, получаемая из пласта, содержит 90% воды. В нефти, поступающей на переработку, должно быть не более 0,3% воды. Присутствие в нефти механических примесей затрудняет ее транспортирование по трубопроводам и переработку, вызывает эрозию внутренних поверхностей труб нефтепроводов и образование отложений в теплообменниках, печах и холодильниках, что приводит к снижению коэффициента теплопередачи, повышает зольность остатков от перегонки нефти (мазутов и гудронов), содействует образованию стойких эмульсий. Кроме того, в процессе добычи и транспортировки нефти происходит весомая потеря легких компонентов нефти (метан, этан, пропан и т.д., включая бензиновые фракции) - примерно до 5% от фракций, выкипающих до 100°С. С целью понижения затрат на переработку нефти, вызванных потерей легких компонентов и чрезмерный износ нефтепроводов и аппаратов переработки, добываемая нефть подвергается предварительной обработке. Для сокращения потерь легких компонентов осуществляют стабилизацию нефти, а также применяют специальные герметические резервуары хранения нефти. От основного количества воды и твердых частиц нефть освобождают путем отстаивания в резервуарах. Разрушение нефтяных эмульсий осуществляют механическими, химическими и электрическими способами. Важным моментом является процесс сортировки и смешения нефти.
Сокращение потерь при транспортировке и хранении нефти, стабилизация нефти
Потери легких компонентов в основном происходят в резервуарах при так называемых «больших и малых дыханиях» - выброс воздуха, содержащего испарения нефти, при заполнении пустого резервуара или незначительные по объему выбросы, вызываемые колебаниями уровня в резервуаре и изменениями плотности при перепаде температур. Устранение потерь дыхания резервуаров осуществляют посредством их герметизации и применения дышащих крышек, дышащих баллонов, и др. Суть применяемых дышащих аппаратов заключается в их способности изменять объем под давлением вытесняемой из резервуара воздушной смеси. Таким образом дыхательные аппараты увеличивают или уменьшают объем резервуара сохраняя на время вытесненную из резервуара воздушную смесь. Такие аппараты применяют для сокращений потерь при малых дыханиях резервуаров. Для сокращения потерь от испарения и улучшения условий транспортирования нефть подвергают стабилизации, т.е. удалению низкомолекулярных углеродов (метана, этана и пропана), а также сероводорода на промыслах или на головных перекачивающих станциях нефтепроводов.
Сортировка нефти
Различные нефти и выделенные из них соответствующие фракции отличаются друг от друга физико-химическими и товарными свойствами. Так, бензиновые фракции некоторой нефти характеризуются высокой концентрацией ароматических, нафтеновых или изопарафиновых углеводородов и поэтому имеют высокие октановые числа, тогда как бензиновые фракции других нефтей содержат в значительных количествах парафиновые углеводороды и имеют очень низкие октановые числа. Важное значение в дальнейшей технологической переработке нефти имеет серность, масляничность смолистость нефти и др. Таким образом, существует необходимость отслеживания качественной характеристики нефти в процессе транспортировки, сбора и хранения с целью недопущения потери ценных свойств компонентов нефти. Однако раздельные сбор, хранение и перекачка нефти в пределах месторождения с большим числом нефтяных пластов весомо осложняет нефтепромысловое хозяйство и требует больших капиталовложений. Поэтому близкие по физико-химическим и товарным свойствам нефти на промыслах смешивают и направляют на совместную переработку.
ОКТАНОВОЕ ЧИСЛО - мера детонационной стойкости бензина и моторных масел. Чтобы бензин сгорал в цилиндрах автомобиля «правильно», он должен обладать рядом свойств. Одно из важнейших - октановое число.
Когда из выхлопной трубы валит черный дым, а двигатель издает резкие звуки, это означает, что бензин в цилиндрах вместо сгорания с положенной ему скоростью 15-60 м/с начинает взрываться - детонировать со скоростью 2000-2500 м/с. Детонационная волна многократно отражается от стенок цилиндра, создавая неприятный звук, резко снижая мощность двигателя и ускоряя его износ.
Причина детонации - выделение энергии при повышенном образовании гидропероксидов ROOH в парах бензина при их окислении кислородом воздуха. Если концентрация гидропероксидов превысит некоторый предел, произойдет их взрывной распад. Взрыв пероксидов протекает по механизму разветвленно-цепных реакций.
Для повышения детонационной стойкости есть два пути.
Первый - повысить в составе бензина долю разветвленных и ароматических соединений. Второй - ввести в топливо небольшие количества специальных добавок. Обычно используют оба пути.
Чтобы определить антидетонационные свойства полученной смеси, в 1930-х была предложена специальная шкала, в соответствии с которой стойкость данного бензина к детонации сравнивается со стойкостью стандартных смесей. В качестве стандартов были выбраны два вещества: гептан нормального строения и один из изомеров октана - 2,2,4,-триметилпентан (его называют «изооктаном»). Смесь паров гептана с воздухом при сильном сжатии легко детонирует, поэтому качество гептана как топлива считается нулевым. Изооктан, будучи разветвленным углеводородом, устойчив к детонации, и его качество принимают равным 100. Октановое число определяют так. Готовят смесь из нормального гептана и изооктана, которая по своим характеристикам эквивалентна испытуемому бензину. Процентное содержание изооктана в этой смеси и есть октановое число бензина. Существуют горючие жидкости с более высокими антидетонационными характеристиками, чем изооктан. Добавки таких жидкостей позволяют получить бензин с октановым числом более 100.
Для оценки октанового числа выше 100 создана условная шкала, в которой используют изооктан с добавлением различных количеств тетраэтилсвинца Pb(C2H5)4. Известно, что это вещество уже в очень малых концентрациях значительно повышает октановое число бензина. Зная, сколько тетраэтилсвинца надо добавить в бензин, чтобы повысить его октановое число на одну единицу, несложно приготовить из изооктана стандартные смеси с октановым числом 101, 102 и т.д.
Октановое число определяют разными способами. Для автомобильных бензинов применяют два метода - моторный и исследовательский. В первом случае моделируют работу двигателя в условиях больших нагрузок (движение по шоссе с высокой скоростью), во втором - в городских условиях (скорость движения невелика и происходят частые остановки). Буква «И» в марке бензина АИ-93 как раз и означает, что октановое число этого бензина получено исследовательским методом. А если указано, что октановое число бензина равно просто 76, то это означает, что оно получено моторным методом.
Роль строения углеводорода наглядно видна из таблицы, в которой приведены октановые числа некоторых чистых химических соединений, полученные моторным методом: Вещество н-Бутан Изобутан н-Пентан 2-Метил-бутан 2,2,3-Три-метил-бутан 1-Пен-тен 2-Метил-1-бутен 2-Метил-2-бутен Бензол
ОЧ 91,0 99,0 61,7 90,3 101,0 77,1 81,9 84,7 111,6
Повышению октанового числа способствуют разветвление цепи, введение двойной связи и появление ароматического кольца. Например, если в результате изомеризации нормального гексана (процесс идет в присутствии катализатора) получить смесь разветвленных изомеров этого углеводорода: н-С6H14
(CH3)2CHCH(CH3)2 (CH3)2CHCH2CH2CH3 CH3CH(C2H5)2, то октановое число смеси повысится сразу на 20 единиц.
Бензин, получаемый из нефти простой перегонкой (такой бензин называется прямогонным), имеет низкое октановое число - в пределах 41-56, поэтому сейчас такой бензин не используется.
Для повышения октанового числа используют более современные методы переработки нефти (термический и каталитический крекинг, риформинг). Термический крекинг производят нагреванием нефти до 450-550ОС под давлением в несколько атмосфер. При этом молекулы тяжелых углеводородов, которых много в сырой нефти, расщепляются до более коротких, среди которых много непредельных. У бензина термического крекинга октановое число повышается до 65-70. В ходе каталитического крекинга процесс ведут в присутствии алюмосиликатного катализатора. У бензина каталитического крекинга октановое число повышается до 75-81. Риформинг проводят в присутствии катализаторов, способствующих ароматизации насыщенных углеводородов и повышающих долю ароматических углеводородов с 10 до 60%. Раньше в качестве катализаторов применяли оксиды молибдена и алюминия, сейчас используют катализаторы, содержащие платину (поэтому такой процесс называют платформингом). У бензина, получаемого путем каталитического риформинга, октановое число еще выше и равно 77-86.
Для повышения октанового числа в бензин вводят также так называемые высокооктановые компоненты. К ним относятся ароматические углеводороды с короткой разветвленной боковой цепью, например, кумол С6Н5СН(СН3)2.
Другая добавка - так называемый алкилат (алкилбензин), смесь насыщенных углеводородов изостроения, получаемая алкилированием изобутана непредельными углеводородами - алкенами, в основном бутиленами. В результате образуется смесь изооктанов: СН3СН(СН3)2 СН3СН=СНСН3 СН3С(СН3)2СН(СН3)СН2СН3 (2,2,3-триметилпентан);
Алкилат имеет октановое число не менее 90-91,5. Очень эффективно введение в бензин добавки метил-трет-бутилового эфира (МТБЭ)
СН3-О-С(СН3)3 - нетоксичной жидкости с октановым числом 117; в бензин можно добавлять до 11% этого вещества без снижения его эксплуатационных характеристик. Таким образом, современный автомобильный бензин - это сложная смесь углеводородов, полученных в различных процессах переработки нефти, и специальных добавок
Чтобы повысить октановое число бензина, широко используют и второй метод: добавляют в него специальные вещества - антидетонаторы.
Самым первым из них был сравнительно недорогой и очень эффективный тетраэтилсвинец - бесцветная токсичная жидкость. При высокой температуре в молекулах этого соединения легко рвутся связи Pb-C, с образованием этильных радикалов: Pb(C2H5)4 = Pb 4C2H5.
Атомы свинца легко окисляются кислородом до оксидов свинца (в зависимости от температуры образуются смеси PBO и PBO2), а диоксид эффективно разрушает гидропероксиды с образованием малоактивных соединений - альдегидов, спиртов и др., например: 2RCH2COOH 2PBO2 2RCHO 2PBO O2.
Чтобы образовавшиеся при сгорании тетраэтилсвинца оксиды свинца не отлагались на внутренних деталях двигателя, в бензин одновременно вводят специальный «выноситель» свинца (0,3-0,4%), обычно это этилбромид C2H5Br и дибромпропан C3H6Br2. Тогда свинец выносится вместе с выхлопными газами в виде бромида PBBR2.
Смесь тетраэтилсвинца с этилбромидом называется этиловой жидкостью, а бензин с такой добавкой называется этилированным (чтобы отличить этилированный бензин от обычного, его окрашивают). Добавка всего 0,1% тетраэтилсвинца может повысить октановое число бензина на 10 единиц.
В авиационные бензины добавляют до 0,3% тетраэтилсвинца. Однако это соединение высокотоксично: предельно допустимая концентрация его паров в воздухе равна всего 0,005 мг/м3 - намного меньше, чем у хлора. Кроме того, ядовитые соединения свинца сильно загрязняют пришоссейные участки земли. Все это привело во многих странах к полному запрещению этилированного бензина в качестве автомобильного топлива или к значительному ограничению его применения.
23. Компаундирование бензина
Несколько аспектов.
I. Две наиболее важные переменные, имеющие значение при компаундировании бензина: давление насыщенного пара и октановое число.
2. Влияние добавок тетраэтилсвинца на бензин.
3. Методика смешивания бензина.
4. Влияние потребностей в компаундированном бензине на процессы нефтепереработки.
Двигатель внутреннего сгорания (ДВС).
Принципиальными частями бензинового двигателя, по крайней мере, Принципиальными для этой книги, являются бензобак, бензонасос, карбюратор, цилиндр, поршень и свеча зажигания. Двигатели без последней части из списка (свечи зажигания) называются они дизельными.
Процесс в ДВС начинается с того, что заполняется бензобак на бензоколонке. Затем заводится мотор, и бензонасос высасывает топливо из бака и отправляет его в карбюратор. Карбюратор испаряет бензин, смешивает его с воздухом и отправляет в цилиндр. Дальше происходит последовательность событий, изображенная на рисунке.
Смесь бензина с воздухом засасывается в цилиндр. когда поршень движется вниз, и объем цилиндра возрастает до максимального. Впускной клапан закрывается, и затем поршень движется вверх по цилиндру и сжимает топливо. Когда поршень достигает верхней точки своего хода, свеча зажигания дает мощную искру и воспламеняет бензин. Бензин моментально сгорает, что приводит к сильному расширению газов и давлению на поршень. Поэтому затем поршень вынужденно перемещается вниз по цилиндру, и энергия передается на коленчатый вал - то называется рабочий ход поршня. В нижней точке рабочего хода выпускной клапан, находящийся в верху цилиндра, открывается, и во время движения поршня вверх сгоревшее топливо выбрасывается. В верхней точке хода впускной клапан снова открывается, и весь процесс повторяется. Обратите внимание на то, что в течение каждого цикла поршень по два раза перемещается вверх и «из по цилиндру.
Давление насыщенных паров
Одной из принципиальных стадий цикла работы ДВС является воспламенение бензина. Когда двигатель разогрет, с этим нет проблем: тепло обеспечивает поступление 100% бензина в цилиндр в виде паров.
Определение. Давление насыщенного пара - это мера поверхностного давления, которое необходимо, чтобы жидкость не испарялась. Для легкокипящего углеводорода типа пропана давление паров очень высоко, так как этот углеводород очень летуч. Более высококипящий углеводород, такой как газойль, характеризуется почти нулевым давлением насыщенных паров, так как при комнатной температуре он испаряется крайне медленно.
Режим работы двигателя. Для бензина необходимо выполнение двух крайних условий. При холодном запуске должно испаряться достаточное количество бензина (что-нибудь около 10%), чтобы образовалась воспламеняемая смесь. Если воспламенение произошло, то оставшаяся часть бензина - та, что не испарилась - тоже наверняка сгорит. Другое крайнее условие относится к режиму, когда работает полностью разогретый двигатель, или к еще более крайнему режиму, когда горячий двигатель нужно повторно запустить. В этом случае пары бензина не должны расширяться слишком сильно, иначе на пути в цилиндр бензин невозможно будет смешать с воздухом. Короче говоря, смесь и в этом случае должна быть воспламеняемой.
Требования к октановым числам. Конструкция двигателя обычно рассчитана на то или иное поведение топлива. Степень сжатия топлива в двигателе определяет мощность, которую тот способен развить. Чем больше степень сжатия, тем длиннее рабочий такт и тем более мощным является двигатель. Таким образом, на машины разного размера устанавливают двигатели различной конструкции, которым требуется бензин с разными октановыми числами.
Типы октановых чисел. Вам придется изучить еще два наименования, касающиеся октановых чисел, а именно, разные виды этих чисел и их применение. Во-первых, испытания по определению октановых чисел проводят при двух разных режимах. Измерение октанового числа по исследовательскому методу (ИОЧ) моделирует езду на Машине в мягких условиях. Измерение октанового числа по моторному методу (МОЧ) проводят в более жестких условиях, которые моделируют движение на большой скорости или при значительной нагрузке. Сочетание величин МОЧ и ИОЧ дает полное представление о работе в разных условиях.
На бензонасосах указывается следующая величина: Дизельный двигатель
В общих чертах дизельный двигатель весьма напоминает бензиновый двигатель внутреннего сгорания. Его единственное очевидное отличие - это отсутствие свечи зажигания. Работа дизельного двигателя зависит от самовозгорания топлива, то есть от того самого явления, которого так стараются избежать в случае бензинового двигателя. При управлении самовоспламенением очень важно, чтобы все процессы были правильно синхронизированы по времени. В отличие от ДВС, в дизельном двигателе воздух не смешивается с топливом прежде, чем попасть в цилиндр, то есть в цилиндр подается только воздух. Когда поршень перемещается в верхнее положение, воздух сжимается (такт сжатия) и поэтому нагревается. Точно в тот момент, когда поршень достигает верхней точки в цилиндр впрыскивается топливо. При контакте с нагретым воздухом оно воспламеняется, что заставляем поршень начать рабочий ход. Впрыскивание топлива в цилиндр включает несколько фаз. Во-первых, топливо подается в жидком виде - для более равномерного распределения его распыляют. Когда жидкое топливо соприкасается с перегретым воздухом, оно испаряется, и его температура поднимается до температуры самовоспламенения. Вторая фаза наступает, когда воспламенение произошло и окружающие пары и жидкость также загораются. При этом начинается рабочий ход поршня. Наконец, когда оставшаяся часть жидкости закачивается в цилиндр, она тоже воспламеняется и, таким образом, давление на поршень сохраняется на том же уровне или даже возрастает. И все это происходит приблизительно за тысячную долю секунды.
Дизельное топливо
В качестве топлива дизельных двигателей используются керосино-газойлевые фракции прямой перегонки нефти и каталитического крекинга. Основными эксплуатационными характеристиками дизельных топлив являются воспламеняемость, фракционный состав, вязкость, коксуемость, температуры вспышки, помутнения, застывания, содержание смолистых и коррозионноактивных соединений.
Воспламеняемость. Рабочий процесс в дизельных двигателях протекает в течение четырех тактов. В конце хода сжатия в сжатый и нагретый воздух впрыскивается в течение определенного времени порция топлива. Через некоторое время топливо самовоспламеняется и сгорает. Время между началом впрыска и самовоспламенением топлива называется периодом задержки самовоспламенения, Этот период у разных топлив неодинаков. Некоторые топлива воспламеняются почти сразу же после впрыска, другие - спустя определенное время. В первом случае сгорание топлива происходит с постоянной скоростью, и давление образовавшихся газов над поршнем нарастает равномерно. Во втором случае в цилиндр успевает поступить большое количество топлива, оно воспламеняется одновременно, сгорание носит взрывной характер, а давление газов повышается мгновенно, скачком. Это явление, которое по внешним признакам напоминает детонацию в двигателях с зажиганием от искры, носит название жесткой работы.
Период задержки воспламенения определяется характером предпламенных процессов окисления. Чем больше в воздушно-топливной смеси накопится продуктов окисления (перекисей, альдегидов, кетонов), тем меньше будет период задержки самовоспламенения. Для воспламенения дизельного топлива без участия постороннего источника зажигания необходимо, чтобы температура его самовоспламенения была ниже температуры, до которой нагревается сжатый в цилиндрах воздух (500-550°С). Наиболее высокую температуру самовоспламенения имеют арены с короткими боковыми цепями (600°С), наиболее низкую - алканы.
Наилучшими воспламенительными свойствами обладают дизельные топлива, содержащие много алканов и мало аренов; у этих топлив ниже период задержки самовоспламенения и температура самовоспламенения.
Мерой воспламеняемости является цетановое число. По аналогии с октановым числом и его происхождением, цетановое число дизельного топлива соответствует доле углеводорода цетана (С16Н34 - гексадекана) в его смеси с ?-метилнафталином. Цетановое число цетана принято равным 100, а цетановое число ?-метилнафталина - 0. Когда дизельное топливо характеризуется такой же воспламеняемостью, определенной на опытном двигателе, что и модельная смесь этих двух углеводородов, то цетановое число данного топлива считается равным процентной доле цетана в этой смеси.
В некоторой мере цетановое число топлива зависит от его группового состава (доли парафинов, олефинов, нафтенов и ароматики). В случае бензинового двигателя ароматические соединения полезны, так как препятствуют самовоспламенению, в то время как парафины имеют низкие температуры воспламенения. Для дизельных двигателей, наоборот, парафины, способные к самовоспламенению при низких температурах, являются полезными компонентами топлива, а ароматические углеводороды (которых много в крекинг-газойле) - менее ценными компонентами.
Как и бензин, дизельные топлива бывают нескольких марок. Стандартное топливо характеризуется цетановыми числами около 40-45, а топливо высшего качества имеет цетановые числа 45-50.
Компоненты топлива. В принципе, все легкие газойли могут служить компонентами дизельного топлива, но некоторые из них более предпочтительны.
Прямогонныс легкие газойли обычно характеризуются высоким содержанием парафинов и цетановым числом в интервале 50-55. Легкие крекинг-газойли, как правило, содержат высокие концентрации олефинов, ароматических углеводородов и нафтенов, и поэтому их цетановые числа порядка 32-35. Цетановое число керосина около 55. Такой широкий набор компонентов позволяет легко приготовить смесь с заданным цетановым числом.
Наивысшими цетановыми числами обладают алканы нормального строения; у разветвленных алканов цетановое число ниже, причем оно снижается с увеличением количества боковых цепей. Уменьшается цетановое число и при наличии в молекуле двойной связи. Наихудшие воспламенительные свойства имеют бициклические углеводороды - гомологи нафталина; у гомологов бензола цетановые числа несколько выше. Циклоалканы и бициклоалканы по воспламенительным свойствам занимают промежуточное положение между алканами и аренами.
Нормальный запуск и плавная работа дизелей обеспечивается применением топлив с цетановым числом не ниже 45. Для повышения цетанового числа дизельных топлив могут использоваться различные присадки, которые ускоряют предпламенное окисление и снижают период задержки самовоспламенения. В качестве присадок предложены различные перекиси и нитропроизводные, из числа которых наиболее широко применяются изопропилнитрат и амилнитрат. Введением присадок цетановое число повышают на 15-20 единиц.
Наилучшими воспламенительными свойствами обладают топлива с высоким, содержанием алканов. Парафинистость топлива характеризуют такие показатели, как анилиновая точка и плотность. Зная значения анилиновой точки и плотности, находят по эмпирической формуле так называемый дизельный индекс (ДИ), который тем больше, чем выше анилиновая точка и ниже плотность.
24. Фракционный состав дизельных топлив
Фракционный состав дизельного топлива влияет на полноту сгорания, условия распиливания, дымность выхлопа, степень нагарообразования. При высоком содержании легких фракций увеличивается давление сгорания, двигатель работает более жестко. В то же время утяжеление топлива ухудшает условия распыливания, уменьшает скорость образования рабочей смеси, приводит к повышенному дымлению и снижению экономичности двигателя. Оптимальный фракционный состав диктуется конструктивными особенностями дизелей и условиями их эксплуатации. Так, стандартом на дизельное топливо для автотракторных, тепловозных и судовых дизелей установлены следующие температуры перегонки 50% топлива: летнего - не выше 280°С, зимнего - не выше 250°С, арктического - не выше 240°С. Вязкость, температуры застывания и помутнения. Этими показателями определяются условия подачи топлива к цилиндрам двигателей, а вязкостью, кроме того, и условия распыливания. Маловязкое низкозастывающее дизельное топливо обладает хорошей текучестью в трубопроводах, фильтрах, насосах и форсунках даже при отрицательных температурах; оно более однородно и мелко распыливается, благодаря чему улучшаются условия испарения, смесеобразования и сгорания. Однако при использовании слишком маловязкого топлива возникает опасность быстрого износа двигателей.
Вязкость дизельных топлив составляет при 20°С 1,8-6,0 мм2/с. В малооборотных стационарных дизелях, где топливо может подогреваться перед подачей на сгорание, применяются более вязкие топлива.
Для двигателей, работающих на открытом воздухе, большое значение имеют такие показатели топлива, как температура застывания, характеризующая полную потерю подвижности, и температура помутнения, при которой в топливе появляются первые кристаллы парафина. При использовании топлив с высокой температурой помутнения существует опасность забивания кристаллами парафина фильтров, через которые пропускают топливо для очистки от механических примесей. Температура застывания дизельных топлив для автотракторных двигателей не должна превышать: -10°С для летнего, -35 °С для зимнего и -55 °С для арктического сорта.
Фильтруемость. В последние годы на дизельных двигателях широко используются бумажные фильтры тонкой очистки. В связи с этим повысились требования к чистоте дизельных топлив и введен коэффициент фильтруемости. Коэффициент фильтруемости определяют на специальном приборе, измеряя изменение пропускной способности фильтра при последовательном прохождении через него определенных объемов топлива. Этот показатель представляет собой отношение длительности фильтрования каждых последующих 2 мл топлива к длительности фильтрования предыдущих 2 мл. Перед нефтеперерабатывающей промышленностью поставлена задача перейти на выпуск дизельных топлив с коэффициентом фильтруемости не ниже 2.
Содержание сернистых соединений. При сгорании дизельных топлив,- содержащих сернистые соединения, образуются окислы серы (SO2 и SO3), которые вызывают в присутствии влаги сильный коррозионный износ поршневых колец и гильз цилиндров. Кроме того, серный ангидрид способствует полимеризации нестабильных компонентов смазочного масла, что является причиной образования твердых отложений на горячих деталях двигателя и пригорания поршневых колец. В результате повсеместного внедрения процесса гидроочистки дизельных топлив содержание серы в них снизилось до 0,2-0,5%.
Каталитические процессы протекают значительно быстрее, при этом происходит не только расщепление молекул углеводородов, но и их изомеризация - образование углеводородов с разветвленной цепью атомов углеродов.
А В К ® АК В ® АВ К
• Алюмосиликатные катализаторы - твердые высокопористые тела, состоящие в основном из оксида алюминия.
• Природные алюмосиликатные катализаторы - активизированные глины Синтетические - обладают большей каталитической активностью, механической прочностью и термической стойкостью.
• Цеоиты
От 500 до 1000 м2 на 1 г катализатора.
Молекулярные сита - с регулируемыми размерами пор, и возможностью вводить в кристаллы другие элементы, увеличивающие (модифицирующие) активность КАТАЛИЗАТОРАГОМОГЕННЫЙ и гетерогенный катализкатализатор и реагирующие вещества образуют однородную систему - газовые смеси или жидкие растворы.
• катализатор чаще всего находится в твердой фазе, а реагирующие вещества - в газообразном или др. состоянии.
• Гетерогенный катализ
1. Диффузия реагирующих молекул к поверхности катализатора
2. Активированная адсорбция (хемосорбция) реагирующих веществ на поверхности катализатора
1. Химическая реакция на поверхности катализатора.
1. Десорбция (снятие с поверхности катализатора) продуктов реакции
3. Диффузия продуктов реакции в глубь газовой фазы
• Принцип действия гетерогенных катализаторов
• молекулы реагирующих веществ, сталкиваясь с активными центрами катализатора, могут образовывать различные нестойкие промежуточные соединения (радикалы или ионы).
