Углеводородное топливо
его виды и значение
Углеводородные топлива - представляют собой смесь
углеводородов.
Схема установки для определения фракционного
состава топлива. Углеводородное топливо
представляет собой жидкость сложного
состава, состоящую из большого количества
индивидуальных углеводородов. Такая
жидкость не имеет определенной температуры
кипения, процесс кипения происходит в
некотором интервале температур. Характерными
точками фракционного состава обычно
считают температуру начала кипения, температуру
выкипания 10, 50, 90 % объема топлива и температуру
конца кипения.
Углеводородные топлива обладают свойством
поглощать воду из воздуха и растворять
ее. Растворимость воды в топливе невелика
и зависит при прочих равных условиях
от температуры и химического состава
топлива. Наиболее гигроскопичными являются
ароматические углеводороды и особенно
бензол. Поэтому топлива, богатые ароматическими
углеводородами, обладают повышенной
гигроскопичностью.
Углеводородное топливо, поступающее
при 260 С, подвергается крекингу при 500
С в псевдо ожженном слое; применяется
технологическая схема реактор - регенератор.
Углеводородные топлива мало различаются
по количеству воздуха, теоретически необходимого
для полного его сгорания - в пределах
от 13 9 до 15 0 кг / кг топлива. Причем чем
выше массовая теплота сгорания топлива
( выше соотношение водорода к углероду),
тем больше воздуха необходимо для его
сгорания.
Углеводородные топлива характеризуются
высокой теплотой сгорания. Продуктами
их полного сгорания являются, главным
образом, двуокись углерода и вода. Лишь
водород, бериллий и бор имеют большие
теплоты сгорания, чем углеводороды. Однако
При их использовании в качестве топлив
возникают весьма сложные проблемы, которые
здесь не рассматриваются. По эксплуатационным
свойствам углеводороды как топлива отличаются
значительными преимуществами.
Углеводородные топлива отличаются высокой
скоростью и пол-нотой сгорания. Благодаря
этому двигатель получает для своей работы
тепловой заряд большой плотности в весьма
короткий отрезок времени. При хорошо
организованном процессе полнота сгорания
углеводородных топлив достигает 98 % и
более.
Углеводородные топлива мало различаются
по количеству воздуха, теоретически необходимого
для полного его сгорания - в пределах
от 13 9 до 15 0 кг / кг топлива. Причем чем
выше массовая теплота сгорания топлива
( выше соотношение водорода к углероду),
тем больше воздуха необходимо для его
сгорания.
Углеводородные топлива обладают свойством
поглощать воду из воздуха и растворять
ее. Растворимость воды в топливе невелика
и зависит при прочих равных условиях
от температуры и химического состава
топлива. Наиболее гигроскопичными являются
ароматические углеводороды, и особенно,
бензол. Поэтому топлива, богатые ароматическими
углеводородами, обладают повышенной
гигроскопичностью.
Углеводородное топливо, которое находится
в газообразном состоянии при температуре
от 15 С и атмосферном давлении.
Углеводородные топлива без добавок неуглеводородных
соединений обладают высокой физической
стабильностью.
Гигроскопичность углеводородов. Углеводородные
топлива обладают свойством поглощать
воду из воздуха и растворять ее.
Легкое углеводородное топливо, перевозимое
в жидком виде, а используемое в газообразном,
называют сжиженным газом. Он получает
широкое применение в качестве топлива
в городах и сельских районах.
Углеводородные топлива типа керосина
и широкой бензино-лигроино-керосиновой
фракции имеют близкие пределы устойчивого
горения в двигателе.
Для углеводородных топлив отношение
СР / НР определяется с учетом относительного
содержания углерода и водорода в рабочей
массе топлива.
Для углеводородных топлив это сближение
в первом приближении ( за исключением
области, близкой к области максимальной
концентрации инертного газа) происходит
прямо пропорционально изменению концентрации
инертного газа и в основном вследствие
смещения верхнего предела.
Дымность продуктов сгорания Д топлива
ТС-1 на выходе из камеры сгорания ГТД в
зависимости от давления в камере Я ( по
данным К. Н. Ерастова.| Расход углеводородов
и топлива GT, сжигаемых без дымления, в
зависимости от давления Р [ 140 ]. Склонность
углеводородных топлив к дымлению характеризуется
высотой некоптящего пламени, люминометрическим
числом и определяется непосредственно
при квалификационных испытаниях топлив
на модельной камере сгорания.
Сравнение эффективности различных способов
получения водорода. Для углеводородных
топлив единственным ограничением является
минимум производительности, при которой
еще оправдывается сравнительная сложность
конструкции установок. При этом первостепенный
интерес представляют установки на жидких
нефтепродуктах как наиболее универсальные.
Среди углеводородных топлив худшую фильтруемость
при одинаковых условиях имеют дизельные
топлива, наилучшую - бензины. На установке,
моделирующей топливную систему летательных
аппаратов, была исследована фильтруемость
различных топлив.
Теплопроводность углеводородных топлив
зависит от химического состава и температуры.
Теплопроводность углеводородных топлив
зависит от их химического состава и при
0 С и атмосферном давлении лежит в пределах
0 115 - 0 125 Вт / ( м - К), С повышением температуры
теплопроводность топлив уменьшается;
давление влияет незначительно. Наибольшую
теплоемкость имеют алканы нормального
строения. По мере увеличения разветвленности
и роста отношения С: Н теплоемкость углеводородов
падает. Высокую теплоемкость имеют спирты.
При увеличении давления теплоемкость
немного уменьшается.
Для углеводородных топлив ( без присадки
антидетонатора) замечено, что скорость
сгорания изменяется пропорционально
октановому числу.
Теплоемкость углеводородных топлив при
20 С и атмосферном давлении составляет
1 6 - 2 0 кДж / кг К.
Теплопроводность углеводородных топлив
при 0 С и атмосферном давлении изменяется
в пределах 0 115 - 0 125 Вт / м К.
Теплотворность углеводородных топлив
колеблется в довольно узких пределах.
Фракции, получаемые при перегонке сырой
нефти.
Источниками углеводородного топлива
являются сырая нефть и природный газ.
Месторождения нефти и газа обычно находятся
рядом и имеются во многих странах мира.
Эра дешевого углеводородного топлива,
обеспечившего небывалые темпы экономического
роста промышленно развитых государств,
ушла в прошлое безвозвратно.
В углеводородных топливах, при их хранении,
происходят химические изменения в основном
за счет окисления и дальнейших превращений
наиболее нестойких углеводородов. При
этом образуются продукты окисления смолистого
характера и топлива становятся непригодными
к применению на двигателях.
Высшая теплота сгорания некоторых элементов.
Теплота сгорания углеводородных топлив
зависит от химического состава и строения
индивидуальных углеводородов, входящих
в состав топлива, и для углеводородов
различных групп находится в пределах
9500 - 10 500 ккал / кг. В табл. 4 приведены значения
теплоты сгорания на единицу массы и объема
для элементов, обладающих наибольшей
теплотой сгорания по сравнению с остальными
элементами периодической системы.
Основы горения углеводородных топлив,
Издат.
Теплота сгорания углеводородных топлив
может быть рассчитана по различным эмпирическим
формулам.
Основы горения углеводородных топлив
( перевод с английского), Изд-во иностр.
Основы горения углеводородных топлив,
Издатинлит, 1960, стр.
Зависимость пределов устойчивости горения
от химического состава углеводородов.
При сгорании углеводородных топлив наблюдается
выделение дисперсных частиц углистых
веществ, близких по составу к углероду.
Образующиеся при горении твердые частицы
уносятся с продуктами сгорания и при
большой концентрации могут быть заметны
в виде дыма. Часть твердых выделений отлагается
на поверхностях камеры сгорания в виде
нагара. Образование нагара в двигателе
зависит от следующих свойств топлива:
фракционного и химического состава, плотности,
содержания смолистых веществ, серы и
других примесей. Кроме того, нагарообразование
зависит от конструкции камеры сгорания
и от полноты процесса сгорания.
Один пожарник спасает другого, попавшего
в ядовитый дым, при пожаре в закрытом
складе. При сжигании углеводородного
топлива при низких температурах могут
образовываться легкие углеводороды,
альдегиды ( такие как формальдегид) и
органические кислоты. Значительные количества
окиси азота образуются при высоких температурах
- как следствие окисления азота, содержащегося
в атмосфере, и при низких температурах
горения топлива, в котором содержится
много азота. Если топливо содержит хлор,
образуется хлористый водород. Полимерные
пластические материалы представляют
особую опасность.
Молекулярную массу углеводородных топлив
определяют главным образом криоскопическим
методом и в редких случаях используют
метод измерения плотности паров.
Сернистые соединения углеводородных
топлив, в том числе и дизельного, в процессе
конверсии паром переходят в основном
в сероводород. Термодинамические расчеты,
выполненные для некоторых реакций сероводорода
с твердыми реагентами с целью определения
степени превращения сероводорода в условиях
больших концентраций водяного пара, показали,
что для улавливания сероводорода из влажного
газа наиболее благоприятным реагентом
является окись цинка. Степень поглощения
сероводорода окисью цинка даже в условиях
высоких концентраций водяного пара (
около 50 %) при температуре 800 - 900 С остается
значительной ( 52 %), а окись кальция в этих
же условиях не хемосор-бирует сероводорода.
Катализ окисления
Катализ окисления углеводородных
топлив ионами металлов заключается в
генерировании радикалов, обусловливающих
развитие окислительных цепей и требующих
дополнительного расхода антиокислителя
на вывод из сферы реакции вновь образующихся
пероксидных радикалов.
Для получения углеводородных топлив
с повышенной термической стабильностью
предложены способы [284, 285], которые применяют
обработку нефтяных дистиллятов серной
кислотой и молекулярными ситами. Молекулярные
сита избирательно выделяют полярные
соединения, ухудшающие его термостабильность.
При контакте углеводородных топлив с
металлами, особенно при повьппенной температуре,
на поверхности последних образуются
отложения.
Условия применения углеводородных топлив
в ракетных двигателях и в сверхзвуковых
самолетах существенно различаются. Из
бака под наддувом газифицированного
азота горючее поступает в центробежный
насос, откуда через главный клапан - в
зарубашечное пространство двигателя.
Часть топлива после главного клапана
горючего отбирается в систему автоматического
управления рабочим процессом, где имеются
узлы с зазорами трущихся пар 17 - 20 мк.
Схема термовоздушного газификатора бензина.
Паровая конверсия углеводородного топлива
в конструктивном оформлении более сложная.
Это обусловлено необходимостью иметь
дополнительную емкость для воды, систему
ее подачи и дозирования.
Энергетические характеристики топлив
для ВРД. Энергетические характеристики
углеводородных топлив для ВРД могут быть
повышены при помощи их радиоактивного
облучения. При радиоактивном облучении
молекулярный вес топлива увеличивается.
Энергетические характеристики углеводородных
топлив для ВРД ограничены тем, что в их
составе наряду с водородом, обладающим
самой высокой теплотой сгорания 28 700 ккал
/ кг, содержится углерод, теплота сгорания
которого невысока - 7800 ккал / кг. Путем
замены углерода на более высококалорийные
элементы, например бериллий ( 14 970 ккал
/ кг) и бор ( 14 170 ккал / кг), открываются
широкие возможности получения перспективных
высокоэнергетических топлив для ВРД.
Кислотное число углеводородных топлив
и масел очень мало. Кислоты, а особенно
оксикислоты, накапливающиеся в топливах
и маслах при эксплуатации, являются крайне
нежелательной примесью.
При выборе углеводородного топлива необходимо
рассмотреть некоторые свойства углеводородов.
К ним относятся количество теплоты, выделяемое
на каждый грамм сожженного топлива; преимущество
высокой энтальпии сгорания может быть
утрачено, если из-за большой молекулярной
массы требуется мною топлива.
Теплотворная способность углеводородных
топлив зависит от элементарного состава,
который в свою очередь связан с групповым
составом.
При сгорании углеводородных топлив наблюдается
выделение дисперсных частиц углистых
веществ, близких по составу к углероду.
Образующиеся при горении твердые частицы,
по-видимому, в результате пиролиза топлива
до кокса уносятся с продуктами сгорания
и при большой концентрации могут быть
заметны в виде дыма. Часть коксовых выделений
отлагается на поверхностях камеры сгорания,
лопатках турбины и прочих частях в виде
нагара. Образование нагара в первую очередь
зависит от условий сгорания топлива и
его химического состава, в частности,
от содержания углерода и водорода.
Виды углеводородного
топлива
Ароматические углеводороды - органические соединения,
состоящие из углерода и водорода и содержащие
бензольные ядра. Простейшие и наиболее
важные представители А. у. — бензол (I) и его гомологи: метилбензол,
или толуол (II), диметилбензол, или ксилол, и т. д. К А. у. относятся также
производные бензола с ненасыщенными
боковыми цепями, например стирол (III). Известно много А. у. с
несколькими бензольными ядрами в молекуле,
например дифенилметан (IV), дифенил C6H5—C6H5, в котором оба бензольных
ядра непосредственно связаны между собой;
в нафталине (V) оба цикла имеют 2 общих
атома углерода; такие углеводороды называются
А. у. с конденсированными ядрами.
Осн.
источником получения А. у. служат продукты
коксования кам. угля. Из 1 т кам.-уг.
смолы можно в среднем выделит: 3,5 кг бензола,
1,5 кг толуола, 2 кг нафталина. Большое значение имеет производство
А. у. из нефтяных углеводородов жирного
ряда (см. Ароматизация
нефтепродуктов). Для некоторых А. у. имеют практическое
значение чисто синтетические методы.
Так, из бензола и этилена производят этилбензол,
дегидрирование которого приводит к стиролу:
По
химическим свойствам А. у. резко отличаются
от ненасыщенных алициклических соединений;
их выделяют в самостоятельный большой
класс органических соединений (см. Ароматические
соединения). При действии серной кислоты, азотной
кислоты, галогенов и других реагентов
в А. у. замещаются атомы водорода и образуются
ароматические сульфокислоты, нитросоединения,
галогенбензолы и т. д. Эти соединения
служат промежуточными продуктами в производстве
красителей, лекарственных средств и др.
Стирол легко образует практически важный
полимер — полистирол.
При окислении нафталина образуется фталевая
кислота о-С6Н4 (COOH)2, служащая исходным продуктом в
производстве многих красителей, глифталевых
смол, фенолфталеина.
(алканы)
разветвлённого строения, наименьшее
октановое число имеют парафиновые углеводороды
нормального строения. Топлива нефтяного
происхождения, полученные каталитическим риформингом и крекингом,
имеют более высокие октановые числа,
чем полученные при прямой перегонке.
Для
повышения октанового числа топлив используются
высокооктановые компоненты и антидетонационные
присадки. Многие из них (например, МТБЭ)
испаряются легче, чем бензин, что приводит
к интересному эффекту у машин с негерметичным
бензобаком — по мере расходования топлива
и испарения присадки октановое число
бензина, оставшегося в баке, уменьшается
на несколько единиц. Это приводит к лёгкому
звону при полной мощности мотора (необорудованного датчиком
детонации). Подавляющее большинство современных
инжекторных двигателей имеют датчики
детонации, позволяющие использовать
любой бензин с октановым числом 91—98,
в двигатели с высокой степенью
сжатия можно заливать бензин с октановым числом
не ниже 95 или даже 98.
Органические соединения, состоящие
из углерода и водорода и содержащие бензольные
ядра. Простейшие и наиболее важные представители
А. у. — бензол (I) и его гомологи: метилбензол,
или толуол (II), диметилбензол, или ксилол, и т. д. К А. у. относятся также
производные бензола с ненасыщенными
боковыми цепями, например стирол (III). Известно много А. у. с несколькими
бензольными ядрами в молекуле, например
дифенилметан (IV), дифенил C6H5—C6H5, в котором
оба бензольных ядра непосредственно
связаны между собой; в нафталине (V) оба
цикла имеют 2 общих атома углерода; такие
углеводороды называются А. у. с конденсированными
ядрами.
.
Осн. источником получения А.
у. служат продукты коксования кам. угля.
Из 1 т кам.-уг. смолы
можно в среднем выделит: 3,5 кг бензола, 1,5 кг толуола, 2 кг нафталина.
Большое значение имеет производство
А. у. из нефтяных углеводородов жирного
ряда (см. Ароматизация
нефтепродуктов). Для некоторых А. у. имеют практическое
значение чисто синтетические методы.
Так, из бензола и этилена производят этилбензол,
дегидрирование которого приводит к стиролу
По химическим свойствам А.
у. резко отличаются от ненасыщенных алициклических
соединений; их выделяют в самостоятельный
большой класс органических соединений
(см. Ароматические
соединения). При действии серной кислоты,
азотной кислоты, галогенов и других реагентов
в А. у. замещаются атомы водорода и образуются
ароматические сульфокислоты, нитросоединения,
галогенбензолы и т. д.
Парафиновые углеводороды
Содержание
парафиновых углеводородов в нефти зависит
от происхождения. В нефти содержание
парафинов колеблется от долей процентов
до 20 % (нефти Жетыбайского месторождения),
нефти Поволжья содержат 2-5 % парафина.
Из
нефти выделены все алканы нормального
строения, вплоть до С33Н68. С5 – C16 – жидкости, С17 и более – твердые вещества.
При
осуществлении технологического процесса
следует учитывать склонность их при определенных
условиях к образованию ассоциатов.
Межмолекулярные
взаимодействия высокомолекулярных (ВМ)
алканов обусловлены водородными связями типа
С-Н …С с энергией 2-4 кДж/моль и дисперсионными
силами.
С понижением температуры число молекул
углеводородов в парафиновом ассоциате
возрастает, т.к. парафиновая цепь из зигзагообразной
формы переходит в распрямленную, линейную
и в этом состоянии молекулы
ВМ парафинов являются склонными к межмолекулярному
взаимодействию (ММВ) и образуют надмолекулярные структуры.
Температура начала образования ассоциата повышается
с увеличением молекулярной массы углеводородов:
Н-пентан
- -60°С;
Н-гексадекан
- +80°С.
Число
молекул углеводорода в ассоциате тем
больше, чем ниже температура:
Н-гексадекан
при 20°С – 3 молекулы.
Н-октан
при -50°С – 31 молекула.
Это
объясняется ослаблением теплового движения
молекул углеводородов с понижением температуры
и усилением энергии ММВ алканов с ростом
длины цепи. Интенсивность ММВ алканов
существенно ниже по сравнению с углеводородами
других классов, присутствующими в нефтяных
системах.
Парафиновые
надмолекулярные структуры могут существовать
в нефтяной системе только в области низких
температур и полностью дезагрегируются
при повышении температуры.
Нафтеновые углеводороды (циклоалканы)
Нафтеновые углеводороды в нефтях присутствуют
в основном в виде углеводородов гибридного
строения. Структурными звеньями гибридных
углеводородов, кроме 5- и 6-членных колец,
являются парафиновые цепи и ароматические
циклы.
Нафтены
могут преобладать над другими классами
углеводородов в нефти. Содержание их
колеблется от 25 до 75 % масс. Наибольшей
устойчивостью обладают 5- и 6-членные циклы:
циклопентан, циклогексан, метилциклогексан,
этилциклогексан. Они и преобладают в
нефтяной системе. Циклоалканы могут быть
бициклическими: С8-С12, это жидкости, и полициклическими:
С13 и более, это твердые вещества.
В
отличие от парафиновых углеводородов
с тем же числом атомов углерода циклоалканы
находятся в ассоциированном состоянии
при более высокой температуре. Число
молекул в ассоциате от 2 до 4-5 в зависимости
от температуры и строения.
Список используемой
литературы
- Иванов А.В .- Химия органических
соединений
- Артеменко
Александр Иванович. Справочное руководство
по химии
- Ахметов
Наиль Сибгатович. Общая и неорганическая
химия: