Жидкие топлива. 
Теплотехника

Жидкие топлива объединяются в обширную группу топлив, предназначенных для использования как в стационарных, так и в транспортных энергетических установках. Жидкое топливо обладает рядом важных преимуществ перед твердым. Основными из них являются: высокая теплота сгорания, весьма простая подготовка к сжиганию, возможность транспортировки на большие расстояния по трубопроводам, практическое отсутствие влаги и золы, что существенно упрощает организацию сжигания.

Элементарный состав и основные свойства нефти. Основным природным жидким топливом является нефть, представляющая собой смесь различных по классу углеводородов. Основную массу нефти составляют углеводороды трех классов: метанов, нафтенов и ароматических углеводородов. Преимущественное содержание углеводородов того или иного класса определяет тип нефти.

Средний состав нефти на органическую массу таков: С" = 83 487%; Н° = = 114−14%; 0° = 0,14−1%; № = 0,054−1%; S° = 0,145%. Количество минеральных примесей в нефти невелико — 0,1—0,3%, влаги — 1—1,5%.

Плотность нефти колеблется в пределах 820—920 кг/м³. Температура кипения нефти зависит от содержания в ней смолистых веществ. Легкие нефти кипят до t = 30(Н350°С, тяжелые — до t = 55(R600°C.

Переработка нефти. Сырая нефть в качестве топлива, как правило, не используется, так как гораздо выгоднее использовать продукты ее переработки. Цель переработки нефти — получение качественных топлив, масел и других разнообразных продуктов. Применяются два способа переработки нефти: прямая перегонка, осуществляемая при атмосферном давлении, и крекинг-процесс, который в зависимости от способа ведения бывает термический или каталитический.

Прямая перегонка нефти основана на различии в температурах кипения отдельных углеводородов, содержащихся в нефти, и составляющих ее фракций. Перегонка нефти после подогрева ее до 320—330°С осуществляется в ректификационных (разделительных) колоннах, где по мере падения температуры конденсируются и отводятся отдельные определенные жидкие фракции. Так, до 360 °C отделяются газойль и соляр, до 315 °C — керосин, до 250 °C — лигроин, до 200 °C — бензины. Тяжелый продукт перегонки, остающийся в колонне, называется мазутом. При прямой перегонке углеводороды нефти не претерпевают химических изменений.

Крекинг-процесс основан на расщеплении молекул тяжелых углеводородов, в результате чего образуются продукты иных углеводородных групп, в том числе легких фракций, получаемых при прямой перегонке. Таким образом, при крекинге углубляется переработка нефти и в целом увеличивается выход требующихся продуктов.

Термический крекинг-процесс ведется при температурах t = 45(R700°C и давлении до 10 МПа, каталитический — в присутствии катализаторов, что позволяет значительно снизить давление: до 0,2—0,5 МПа. Исходным сырьем для крекинга служат керосино-соляровые фракции, мазут и нефть после удаления из нее бензинов путем прямой перегонки.

Товарные топлива и масла получаются путем смешения отдельных фракций прямой перегонки и крекинг-процесса в требуемых пропорциях после их очистки от вредных примесей до уровня, определяемого соответствующим стандартом, и введения специальных присадок, обеспечивающих нефтепродуктам заданные свойства.

Крекинг дает около 20—30% бензина, 30—45% лигроина, керосина и газойля и 20—25% мазута.

Основные показатели физико-химических свойств жидких топлив.

Рассмотрим вышеназванные показатели.

Плотность — масса нефтепродукта, заключенная в единице его объема (р, кг/м³), является важным показателем топлива, используемым для перевода объемных расходов и количеств топлива в массовые.

Вязкость — сила сопротивления, оказываемая жидкостью взаимному перемещению ее частиц под влиянием действующих на них сил. Величина вязкости зависит от химической природы сырья, технологического процесса получения нефтепродукта, давления и температуры. Она существенно влияет на распыливание жидких нефтепродуктов, на их фильтрацию, а также на их движение по трубам. Вязкость нефтепродуктов уменьшается с повышением температуры.

Различают вязкость динамическую, кинематическую и условную.

Динамической вязкостью (р) называется сила, противодействующая взаимному перемещению двух слоев жидкости площадью 1 м², перемещающихся с относительной скоростью 1 м/с. Единица измерения — паскаль-секунда (Па-с).

Кинематическая вязкость (v) — это отношение динамической вязкости жидкости к ее плотности при температуре определения. Единица измерения — квадратный метр на секунду (м²/с). Определяют кинематическую вязкость в капиллярных вискозиметрах по ГОСТ 33–2000.

Условной вязкостью (ВУ) называется отношение времени истечения из вискозиметра 200 мл нефтепродукта при температуре испытания ко времени истечения такого же количества дистиллированной воды при температуре 20 °C. Измеряется ВУ в градусах условной вязкости при температуре определения, °ВУ_Г

За рубежом в паспортах на топливо вязкость часто указывается в градусах шкалы Энглера (°Е), в секундах Редвуда 1 (sec. Red. l) и в универсальных секундах Сейболта (Seconds Saybolt Universal — sec. SSU). Перевод единиц вязкости можно производить с помощью специальных таблиц или номограмм.

Температура. Наряду с перечисленными выше показателями качества жидких топлив важную роль играют их температурные характеристики, гарантирующие безопасные эксплуатацию энергетических установок и режимы работы их систем.

Температурой вспышки (?_ВС11) называют минимальную температуру топлива, нагреваемого в стандартных условиях, при которой его пары образуют с окружающим воздухом смесь, вспыхивающую при поднесении открытого пламени.

Температурой воспламенения (?_вспл) называют минимальную температуру топлива, нагреваемого в стандартных условиях, при которой его пары в смеси с воздухом воспламеняются при поднесении открытого пламени и горят не менее 5 с.

Температурой самовоспламенения (?_свспл) называют минимальную температуру топлива, нагреваемого в стандартных условиях, при которой его пары в смеси с воздухом воспламеняются без поднесения открытого пламени.

Температуры вспышки и воспламенения характеризуют способность топлива к вступлению в реакции горения и взрыва. Высокореакционные топлива имеют низкие температуры вспышки и воспламенения.

Нефтепродукты с температурой вспышки ниже 28 °C (все сорта бензина) относятся к первому классу (разряду) огнеопасности, с температурой вспышки 28—61°С (лигроин, керосин) — ко второму, с температурой выше 61 °C — к третьему разряду.

Температура вспышки судовых топлив не должна быть ниже 61 °C.

Низкотемпературные свойства топлива характеризуют температуры помутнения, начала кристаллизации и застывания.

Температурой помутнения называют температуру, при которой топливо в условиях испытания начинает терять прозрачность вследствие начала выделения кристаллов парафина.

За температуру начала кристаллизации принимают наибольшую температуру, при которой в топливе невооруженным глазом обнаруживаются кристаллы.

Указанные температуры определяют согласно ГОСТ 5066–91.

Температурой застывания называют наибольшую температуру, при которой уровень нефтепродукта в пробирке, наклоненной под углом 45° к горизонту, не изменяет своего положения при возвращении пробирки в вертикальное положение. Этот показатель является главным при определении минимальной температуры окружающей среды, при которой возможны транспортировка по трубопроводам, слив, хранение и использование топлива без подогрева. Температура застывания определяется по ГОСТ 20 287–91.

Испаряемость характеризует фракционный состав топлива и упругость его паров при температуре 38 °C.

Коксуемость — свойство жидкого топлива образовывать сухой углеродистый остаток (кокс) при нагревании его без доступа воздуха. По величине коксуемости судят о способности топлива создавать нагар в цилиндрах двигателей или топках котлов. Образование нагара приводит к неполному сгоранию топлива, повышенному износу деталей и т. п. Для уменьшения коксуемости в топливо вводят специальные антинагариые присадки.

Коррозионность топлива зависит от содержания в нем кислот, щелочей и серы. Органические кислоты в топливе вызывают коррозию трубопроводов, емкостей, топливной аппаратуры и всех деталей, с которыми нефтепродукт соприкасается. Наличие водорастворимых кислот и щелочей в топливе опасно еще в большей степени, чем наличие органических кислот, ввиду их сильного разрушающего действия практически на все металлы. В топливах, предназначенных для использования в двигателях, присутствие водорастворимых кислот и щелочей недопустимо.

Сера в нефтепродуктах присутствует в свободном состоянии, а также в виде сернистых соединений: сероводорода, меркаптанов и др. Особенно коррозионно-активны получающиеся после сгорания серы оксиды (S0₂ и S0₃), образующие кислоты при взаимодействии с влагой. Кроме того, присутствие серы в топливе увеличивает нагароотложение в цилиндрах, в канавках поршней, на деталях выпускной системы ДВС, причем нагар имеет повышенную кислотность. Сернистое топливо изменяет также состав смазки двигателей. Содержание соединений серы определяется по методам ГОСТ 6321–92.

Фракционный состав топлива качественно характеризуется температурами кипения, а количественно — температурами выкипания 10, 50, 90 и 97—98% топлива (ГОСТ 2177—99). Низкие температуры выкипания 90% топлива свойственны высококачественным топливам.

Упругость насыщенных паров топлива — это давление, при котором пар находится в термодинамическом равновесии с испаряющейся жидкостью. Чем выше упругость, тем интенсивнее испарение и лучше пусковые свойства топлива применительно к двигателям. Вместе с тем высокая упругость паров ведет к потерям топлива при хранении, возрастает его пожароопасность, вероятность образования паровых пробок и т. д.

Механические примеси топлива (пыль, песок, металлические и прочие твердые включения) имеют, как правило, абразивный характер и приводят к преждевременному износу топливной аппаратуры, засорению отверстий форсунок и прецизионных пар. При определении примесей раствор нефтепродукта фильтруют и по остатку на высушенном фильтре судят о количестве примесей (ГОСТ 6370—83).

Содержание воды в нефтепродуктах вредно, но двум причинам. Во-первых, вода вызывает коррозию емкостей для хранения и топливных баков. Во-вторых, температура замерзания воды (0°С) всегда выше минимальных температур использования нефтепродуктов и их хранения, что приводит к образованию ледяных пробок в резервуарах, топливных баках машин и топливопроводах. В связи с этим стремятся исключить попадание влаги в топливо. В лабораторных условиях содержание воды определяют по ГОСТ 2517–2012 методом перегонки топлива и выделения при этом воды в мерный сосуд.

Зольность топлива обусловливается наличием в нем минеральных компонентов. Образование твердых механических частиц при сгорании топлива в результате наличия в нем негорючих компонентов способствует усиленному износу деталей цилиндро-поршневой группы двигателей внутреннего сгорания и появлению отложений на поверхностях нагрева котлов.

Октановое и цетановое числа — важнейшие показатели качества моторных топлив.

Октановое число (ОЧ) карбюраторного топлива (бензина и керосина) характеризует детонационную стойкость топлива. Для оценки детонационной стойкости топлива составляют смесь из изооктана (С₈Н₁₈) и нормального гептана (С₇Н₁₆). Изооктан считают абсолютно стойким против детонации (октановое число — 100), гептан — абсолютно нестойким (октановое число — 0). Различные содержания этих углеводородов в смеси дают эталонное топливо с разной склонностью к детонации.

Октановое число испытуемого топлива показывает долю изооктана в процентах в таком эталонном топливе, которое по своим детонационным свойствам равноценно испытуемому.

Октановое число определяют по моторному (ГОСТ 511—82) и исследовательскому (ГОСТ 8226—82) методам на стандартном одноцилиндровом двигателе с переменной степенью сжатия, которую изменяют в процессе испытания до появления в испытуемом топливе детонации. После этого подбирают эталонное топливо, которое детонирует в тех же условиях и состав которого (октановое число) известен.

Цетановое число (ЦЧ) характеризует воспламеняемость дизельного топлива и период задержки воспламенения, т. е. период времени между впрыском топлива и его воспламенением. Чем меньше этот период, тем более плавно сгорает топливо. При большом периоде задержки воспламенения в цилиндре скапливается значительная часть циклового заряда топлива, которое затем сгорает быстро, с сильным толчком на поршень (жесткая работа двигателя).

Цетановое число испытуемого топлива определяют по равнозначному эталонному топливу, которое составляется из смеси двух углеводородов — цетана (С_ШН₃₄), обладающего легкой воспламеняемостью, и трудновоспламеняющегося а-метилнафталина (С₁₀Н₇СН₃). Цетановое число — это доля цетана в процентах в эталонном топливе, имеющем одинаковую воспламеняемость с испытуемым.

Чем выше цетановое число, тем эффективнее сгорание топлива, устойчивее и мягче работа дизеля. Определение цетанового числа производят на моторной установке ИТ9−3, основой которой является одноцилиндровый четырехтактный двигатель с переменной степенью сжатия. Оптимальные значения цетановых чисел для различных топлив колеблются в пределах от 40 до 55.

Кроме перечисленных выше качеств топлива последние оценивают по целому ряду других показателей, которые не имеют прямого практического значения.