Список использованных сокращений

В В Е Д Е Н И Е.

ЗАДАЧИ ХИММОТОЛОГИИ

С момента изобретения двигателя внутреннего сгорания (ДВС) основными видами топлив и смазочных материалов, используемых в них, являются продукты переработки нефти и газа. Нефть в земной коре пока имеется в достаточном количестве, однако еще более века назад великий русский химик Д.И. Менделеев заявил, что “использование нефти как котельного топлива равносильно отоплению ассигнациями”, поэтому всегда следует помнить, что нефть и нефтепродукты являются ценным химическим сырьем для всех отраслей промышленности. Автомобильный, железнодорожный, водный транспорт и авиация – одни из главных потребителей жидкого топлива и масел, поэтому всемерная экономия топливно-энергетических ресурсов – естественная задача, так или иначе решаемая во всех странах мира. В последние десятилетия усилилась тенденция повышения установленной и удельной мощности двигателей при существенно ужесточившихся требованиях к их экологичности. Основные направления решения этих важных задач:

создание новых малотоксичных и экономичных двигателей;

увеличение доли дизельных двигателей на автомобилях;

использование газового топлива на транспорте;

расширение использования альтернативных видов топлив;

повышение качества горюче-смазочных материалов.

Качество горюче-смазочных материалов (ГСМ), отражающее полную совокупность их свойств, в определяющей степени влияет на такие важнейшие показатели ДВС, как надежность, долговечность, токсичность отработавших газов, металлоемкость и экономичность.

Создание современных, экономичных и экологически чистых ДВС напрямую связано с изучением физико-химических процессов, происходящих в топливе и смазочных материалах (ТСМ) при их производстве, хранении, транспортировке и работе в двигателе. В связи с этим, начиная с середины XX века, сформировалось научное направление, обозначенное проф. К.К. Папок как “ химмотология ”, занимающееся комплексным изучением топлив, смазочных материалов и специальных жидкостей (СЖ), применяемых в технике. Само слово стало производным от трех составляющих – химия, мотор и учение (logos). По определению К.К. Папок, химмотология – наука об эксплуатационных свойствах, качестве и рациональном применении в технике топлив, масел, смазок и специальных жидкостей [23].

Химмотология в настоящее время рассматривает следующий основной круг вопросов, связанных с применением эксплуатационных материалов в ДВС:

классификация ТСМ и СЖ;

определение оптимальных требований к топливу и смазке (ТиС);

установление научно обоснованных норм расхода ГСМ;

поиск новых видов сырьевых источников, разработка и внедрение новых сортов ТиС и СЖ;

разработка и совершенствование методов оценки эксплуатационных свойств ГСМ;

изучение процессов, происходящих в ТиС при работе двигателя, а также при их хранении и транспортировке;

установление влияния свойств ТиС на надежность, долговечность и экономичность двигателей;

решение проблем по защите окружающей среды.

Химмотология условно разделяет свойства ТиС на три группы: физико-химические, эксплуатационные и экологические.

К физико-химическим относятся свойства ТиС, определяемые в лабораторных условиях, например: плотность, вязкость, теплота сгорания. К эксплуатационным относятся свойства ТиС, проявляющиеся непосредственно в двигателе, например: детонационные свойства топлив, склонность к образованию отложений, противоизносные и антикоррозионные свойства. К экологическим относятся свойства, оказывающие влияние на окружающею среду, например: загрязнение воздуха продуктами, выделяющимися при работе двигателя, пожаро- и взрывобезопасность и т.д.

Для характеристики продуктов по показателям качества используют отдельные свойства ТиС и их сочетания: октановые числа топлив, температуру застывания топлив и масел, зольность, кислотность и многие другие. Качество ТиС оценивается лабораторными (физико-химическими) и специальными методами испытаний. Основное преимущество лабораторных методов испытаний состоит в том, что с их помощью можно выполнить дифференцированную оценку отдельных свойств ТиС. Однако лабораторные методы не дают возможности получить достаточно полное представление о работе ТиС в реальных условиях эксплуатации двигателей, поскольку изменение одного свойства ведет за собой изменение других. К примеру, повышение антидетонационной стойкости топлива при помощи антидетонатора вызывает изменение характеристик выгорания топлива, состава отработавших газов, образования нагара, стабильности при длительном хранении и многих других свойств.

Специальные методы испытаний предназначены для прямой оценки эксплуатационных свойств ТиС. К специальным методам относятся: эксплуатационные и квалификационные испытания.

Эксплуатационные испытания проводят в дорожных условиях и на полигонах. Их недостатком является большая длительность и высокая стоимость, поэтому для оценки одного или нескольких эксплуатационных свойств ТиС широкое распространение получили моторно-стендовые испытания, выполняемые на модельных и одноцилиндровых установках, а также на полноразмерных двигателях. Это квалификационные методы испытаний.

До последнего времени в России существовала система допуска к производству и применению нефтепродуктов [29], определяемая Постановлением Госстандарта России от 14.02.01 г. № 16 “Правила организации проведения приемочных испытаний топлив, масел, смазок и специальных жидкостей для различных видов техники”. Выполнение этого Постановления возлагалось на Межведомственную комиссию (МВК), созданную при Госстандарте 02.10.01 г. введением в действие “Положения о Межведомственной комиссии по допуску к производству и применению топлив, масел, смазок и специальных жидкостей при Госстандарте России”. Однако в связи с упразднением Госстандарта эта система была изменена. В настоящее время МВК учреждена при Министерстве энергетики Российской Федерации, и ее решения имеют рекомендательный характер в первую очередь при закупке ГСМ для нужд Министерства обороны и прочих государственных организаций.

Допуск ГСМ определен системой Технологических регламентов, а также системой обязательной сертификации продуктов этой группы.

Решение о возможности использования (допуска) того или иного вида ТиС в конкретной конструкции ДВС принимается органом сертификации на основании приемочных и квалификационных испытаний.

Наиболее быстро (в срок до трех месяцев) решение о допуске может быть принято после проведения квалификационных испытаний ТиС, включающих в себя оценку как физико-химических, так и эксплуатационных свойств. Подобные испытания проводятся на основе ускоренных методик – так называемых КМКО – комплексов методов квалификационной оценки, которых в настоящее время разработано более тридцати [12, 29]. С их помощью исследуют свойства вновь вводимых в эксплуатацию нефтепродуктов, механизмы происходящих в ТиС химмотологических процессов, выбирают оптимальные композиции присадок и добавок, определяют области взаимозаменяемости ГСМ. Достоверность результатов гарантируется соответствующим метрологическим обеспечением процесса испытаний.

Квалификационные испытания, как правило, проводят для ввода в эксплуатацию так называемых модернизированных продуктов, сохраняющих область применения, но вырабатываемых с непринципиальным изменением состава базовых компонентов, технологии производства, композиции присадок или на новом месте производства.

Для допуска к производству и использованию вновь разрабатываемых ТиС проводятся приемочные испытания. Применение новых ТиС должно обязательно сопровождаться экономическим эффектом в масштабах страны или отдельного региона, иначе их использование может быть признано нецелесообразным. Первостепенное значение в настоящее время придается также экологическим свойствам. Приемочные испытания проводят в четыре этапа.

Первый этап связан с проведением лабораторно-стендовых испытаний для установления соответствия эксплуатационных характеристик ТиС требованиям нормативно-технической документации (НД), техническим условиям (ТУ) и нормам КМКО. Срок проведения испытаний – до трех месяцев.

Второй этап – стендовые испытания для установления надежности работы двигателей на новом продукте. Время испытаний – до четырех месяцев.

Третий этап – испытания на полигоне для подтверждения технических характеристик ДВС, работающих на новом нефтепродукте. Время проведения – до шести месяцев.

Четвертый этап – эксплуатационные испытания, проводимые в срок до двух лет для выявления особенностей эксплуатации техники с использованием новых ТиС.

По мере прохождения каждого из этапов может быть принято решение либо о допуске нового продукта к использованию, либо о прекращении дальнейших испытаний, если требования НД не выполняются. Более подробная информация по данному вопросу приводится в [29] и [38].

Помимо системы допуска в России существует система обязательной и добровольной сертификации нефтепродуктов и специальных жидкостей. Обязательная сертификация осуществляется на основании законов РФ и обеспечивает доказательство соответствия товара требованиям НД и стандартов. Добровольная сертификация проводится по инициативе заявителя на соответствие нормативному документу, выбранному им же. Цель добровольной сертификации – продвижение товара на рынок, повышение его конкурентоспособности. Автомобильные топлива и масла являются предметом обязательной сертификации, поскольку требования НД на эти продукты относятся к безопасности, охране здоровья людей и окружающей среды. Добровольная сертификация применяется к большому спектру мелкофасованной продукции, поставляемой в торговую сеть
(присадки и добавки к топливам и маслам, специальные жидкости,
автокосметика и т.д.).

Для создания системы сертификации нефтепродуктов разработаны и утверждены в 1998 г. Госстандартом РФ “Правила проведения сертификации нефтепродуктов”, учитывающие особенности производства ТиС, условия поставки и международные требования нефтяного рынка. Согласно “Правилам”, порядок проведения сертификации включает в себя: подачу заявки на сертификацию в аккредитованный орган сертификации; отбор, идентификацию образцов и их испытания; оценку производства; выдачу сертификата соответствия; выдачу лицензии на применение знака соответствия; инспекционный контроль за сертифицированной продукцией; корректирующие мероприятия для случаев нарушения соответствия продукции НД и правил применения знака соответствия.

Данное учебное пособие в основном посвящается рассмотрению нормируемых свойств топлив, моторных масел и специальных жидкостей, используемых при эксплуатации ДВС и их систем. В пособии рассмотрены важные ненормируемые свойства ТиС и перспективные нефтепродукты. Следует обратить внимание, что для глубокого изучения материалов данной дисциплины потребуется ознакомление с большим количеством литературных источников, поэтому необходимо сориентироваться в современных потоках печатной продукции в области химмотологии и близлежащих дисциплин. Их можно условно разделить на следующие группы:

учебные издания в области теории ДВС, конструирования топливных систем и систем управления двигателями, термодинамики, теории горения, органической химии, а также химии нефти и газа, дающие базовые знания для последующего изучения данной дисциплины – [1, 4, 17, 27, 36, 41 – 43];

учебники и учебно-методические пособия по химмотологии, дающие основные понятия и знания в данной области – [10, 13, 21 – 25, 28, 30];

справочники и монографии, которые могут быть использованы для расширения и углубления знаний по дисциплине – [5, 9, 11, 12, 14, 20, 31];

научная периодика, в том числе Интернет-журналы и конференции, например [45, 46];

научно-популярные издания [2, 33], периодика и популярные Интернет-сайты также могут быть использованы, однако здесь следует быть осторожным, поскольку они зачастую “грешат” ошибочной трактовкой понятий теории ДВС, хотя именно эти издания наиболее оперативно реагируют на изменения, происходящие в данной сфере;

нормативно-техническая документация (см. разд. “Список нормативных документов”), выполнение требований которой обязательно.

В заключение необходимо отметить, что рассматриваемые в пособии вопросы являются базовым материалом для изучения таких дисциплин, как “Теория рабочих процессов ДВС”, “Конструирование ДВС”, “Системы ДВС” и “Инженерная экология”.

 

 

1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕХНОЛОГИЯХ
ПЕРЕРАБОТКИ НЕФТИ

1.1. Нефть как исходный продукт для производства
топлив и смазочных материалов

В качестве основного исходного продукта, служащего для получения ТиС, используют природную нефть. Помимо нее в качестве исходного материала для получения топлив и масел могут служить субстанции, получаемые из угля, битуминозных песков, сопутствующего газа и сланцев [21, 37]. В результате синтез-процессов получают синтетические нефти, по химическому составу сходные с природными. Перспективными источниками топлив для ДВС являются также водород, спирты и другие соединения, которые рассмотрены далее.

Природная нефть – маслянистая жидкость, физико-химические свойства которой зависят от ее месторождения. Обычно плотность нефти находится в пределах 770…880 кг/м³, встречается и значительно более тяжелая нефть, у которой она достигает 1040 кг/м³. Теплота сгорания нефти составляет 43,0…45,5 МДж/кг. Нефть является сложной смесью углеводородов различного состава и строения. Принято различать элементарный, групповой и фракционный составы нефти и нефтепродуктов.

Элементарный (элементный) состав определяет, какие химические элементы и в каком массовом соотношении содержатся в нефти. Основные элементы, входящие в ее состав, – углерод (84…87 %) и водород (12…15 %). Остальные: сера (0,01…5,8 %), азот (0,03…1,7 %), кислород (0,1…1,3 %) и некоторые другие элементы, в том числе и металлы – нежелательные компоненты. К горючим элементам нефти относят водород, углерод и серу. Остальные элементы – негорючие и составляют “балласт”.

 

Фракционный состав нефти определяется разделением по температурам кипения входящих в нее соединений. Фракцией называют часть сложной жидкости, выкипающую в определенном диапазоне температур. При одной и той же температуре могут выкипать углеводороды различных групп, поэтому каждая фракция обладает широким групповым составом.

Углеводороды нефтегазовых месторождений, содержащие до четырех атомов углерода в молекуле, при нормальных условиях являются газами. При прямой перегонке в состав бензиновой фракции входят углеводороды с числом атомов от 5 до 12, в дизельную – от 8 до 25. В моторные масла входят углеводороды с числом атомов углерода в молекуле до 70.

Групповой состав нефти определяет, какие группы углеводородов входят в ее состав. Основные группы углеводородов:

алкановые (синонимы: алифатические, метановые, предельные) с общей структурной формулой С_nН_2n+2;

нафтеновые (цикланы, циклоалканы, алициклические предельные) моноциклические с общей структурной формулой С_nН_2n и бициклические – С_nН_2n-2;

ароматические (бензольные, арены) моноциклические с общей структурной формулой С_nН_2n-6 и бициклические – С_nН_2n-12.

По преобладанию в нефти (свыше 50 %) тех или иных групп углеводородов во фракции, выкипающей в диапазоне 250…300 °C, ее классифицируют на метановую, нафтеновую и ароматическую [34]. При содержании в этой фракции 25 % и более другой группы углеводородов нефть подразделяют на метано-нафтеновую, нафтено-метановую, нафтено-ароматическую и др. Наиболее ценными являются метановые нефти. Непредельные углеводороды в нефти встречаются крайне редко.

Алкановая группа

В нефти в среднем содержится 25…30 % алканов (иногда 50…70 %, бывает и 10…15 %). Количество метановых по фракциям распределено весьма неравномерно. Наибольшее их количество приходится на наиболее легкие фракции нефти. Алканы с С₅Н₁₂ по С₁₅Н₃₂ – жидкости, начиная с С₁₆Н₃₄ – твердые вещества, находящиеся в нефти в растворенном или кристаллическом виде. Твердые углеводороды данного ряда называют парафинами, а наиболее тяжелые – церезинами.

Цепочка углеродных соединений у алканов, начиная с С₄Н₁₀, может быть как прямой (такие алканы называют нормальными – н-), так и разветвленной (изомерные алканы – изо-), например:

CH₃ — CH₂ — CH₂ — CH₃ CH₃ — CH — CH₃

н-бутан; ½ изобутан.

CH₃

К преимуществам углеводородов алкановой группы относят: наивысшую теплоту сгорания, благодаря предельному содержанию водорода в молекулах, высокую стабильность при длительном хранении и нейтральные свойства по отношению к резинотехническим изделиям. Кроме того, н-алканы способствуют лучшей самовоспламеняемости топлива, поэтому желательно их наличие в дизельных топливах. С другой стороны, изоалканы имеют повышенную детонационную стойкость, поэтому в бензине желательно содержание алканов-изомеров. Углеводороды данного ряда, являясь насыщенными, химически стойки (т.е. мало реакционноспособны). В обычных условиях они не реагируют с кислотами, щелочами и металлами [1]. Эти свойства используют при очистке нефтепродуктов.

Существенным недостатком алканов являются высокие температуры застывания (плавления), поэтому ТиС, применяемые в холодное время, подвергают депарафинизации, т.е. удалению углеводородов данной группы. Изоалканы по сравнению с нормальными равного молекулярного веса отличаются более низкой температурой кипения и некоторыми химическими свойствами.

Нафтеновая группа

В нефти и нефтепродуктах содержатся главным образом моноциклические нафтеновые углеводороды, молекулы которых имеют по одному кольцу с 5 или 6 атомами углерода: это циклопентан С₅Н₁₀ и циклогексан С₆Н₁₂. Наименьшее количество атомов углерода, из которых возможно образование кольца, равно трем. Как и алканы, нафтеновые углеводороды являются предельными, а потому также химически инертны.

Большинство нефтей характеризуется наличием большой массы нафтеновых углеводородов – 60…70 %. Низкие темпе ратуры плавления цикланов обусловливают хорошие низкотемпературные свойства нефтепродуктов. По сравнению с алканами цикланы имеют меньшую теплоту сгорания, обладают средними антидетонационными свойствами и способностью к самовоспламенению, поэтому они являются желательными компонентами в топливах для ДВС с искровым зажиганием и дизельных. В масляных фракциях эти углеводороды увеличивают вязкость, улучшают маслянистость и вязкостно-температурные свойства. Циклопентан и циклогексан составляют основу минеральных смазочных масел.

Ароматические углеводороды

Ароматические углеводороды входят в состав нефти в меньшем количестве, чем парафиновые и нафтеновые. Их общее содержание в различных нефтях составляет в среднем 5…20 %, но может достигать и 60 %. В нефти встречаются как моно- (бензол), так и полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) с присоединенными цепочками.

Сам термин “ ароматичность ” относится исключительно к структуре молекул, а не к запаху. Характерным запахом обладают лишь низшие углеводороды данного ряда. Основная особенность ароматиков в отличие от других циклических непредельных – плоское строение молекулы и равномерное распределение p-электронной плотности между всеми атомами углерода [1], при этом происходит выравнивание простых и двойных связей, а расстояния между атомами углерода в молекуле одинаковы. Простые ароматические соединения подчиняются правилу Хюккеля, т.е. они являются ароматиками в случае, если сопряженная система содержит в себе 4n+2 p-электронов, где n = 0, 1, 2 и т.д. Ароматическая молекула благодаря указанным свойствам обладает высокой компактностью и устойчивостью.

Из-за высокой термической устойчивости арены являются желательными составляющими в топливах для двигателей с искровым зажиганием. Наиболее высокие антидетонационные свойства имеют алкилированные ароматики и их производные – амины. Однако, учитывая высокую нагарообразующую способность, присутствие их в современных бензинах ограничивается 40…45 %. В дизельных топливах содержание аренов вовсе нежелательно из-за их низкой самовоспламеняемости. Арены также самые агрессивные по отношению к резинотехническим изделиям и имеют самую низкую теплоту сгорания. В нормальных условиях они проявляют большую реакционноспособность, чем цикланы, участвуя главным образом в реакциях замещения. Большинство углеводородов данного ряда хорошие растворители.

Непредельные углеводороды

Алкены (олефины), алкадиены (диолефины), -триены, -тетраены и т.д., а также алкины алифатического рода образуются в нефтепродуктах в результате термической переработки нефти. Алкены – общая структурная формула C_nH_2n – отличаются от алканов наличием двойной связи между атомами углерода:

CH₂ = CH – CH₂ – CH₃ CH₃ – CH = CH – CH₃ CH₂ = C – CH₃

бутен-1; бутен-2; ½ изобутен.

CH₃

Двойная связь с ее способностью к легкому разрыву обусловливает малую химическую стабильность алкенов и склонность к быстрому окислению и полимеризации. Изомерия алкенов более разнообразна, чем у алканов, благодаря различным расположениям двойной связи в молекуле.

Алкадиены C_nH_2n-2 имеют две двойные связи и еще большую химическую нестабильность и реакционную способность, чем алкены. Присутствие в нефтепродуктах алкадиенов значительно повышает их склонность к смолообразованию. Наличие алкенов и алкадиенов в топливе крайне нежелательно из-за резкого снижения сроков его возможного хранения.

Образование в нефтепродуктах углеводородов с наличием тройной связи – алкинов C_nH_2n-2 – возможно только при очень высоких температурах переработки (1200…1500 °C). В топливах для ДВС и маслах они практически отсутствуют. Важнейшим представителем является ацетилен – C₂H₂, широко используемый в сварке благодаря высокой температуре пламени при окислении чистым кислородом – около 3000 °C.

Непредельные алициклические углеводороды по своим свойствам близки к алкенам и алкадиенам. В нефтепродуктах встречаются как простые непредельные цикланы (циклопентен, циклопентадиен), так и с конденсированными кольцами, в том числе ароматическими, такие как дициклопентадиен, индан, инден, а также их производные и изомеры.

Методы переработки нефти

Современный процесс переработки нефти включает в себя подготовку нефти к переработке (обезвоживание, обессоливание), собственно переработку и химическую очистку полученных продуктов. Все основные технологические процессы нефтепереработки могут быть разбиты на две группы:

первичная переработка нефти, основанная на разделении ее на составные части путем прямой перегонки. При этом не изменяется структура исходных углеводородов нефти, а лишь происходит их разделение, основанное на различных температурах кипения;

вторичная переработка нефти, при которой изменяется структура входящих в нее углеводородов с целью улучшения качества или повышения выхода того или иного нефтепродукта. Сюда относятся процессы крекинга, риформинга, коксования и др.

На рис. 1 представлена общая схема процессов переработки нефти.

Следует отметить, что процессу переработки может быть подвержена не только природная, но и синтетическая нефть, получаемая из угля, битуминозных песков, сопутствующего газа и сланцев. Синтетическая нефть по своему химическому составу обычно близка к природной нефти.

Рис. 1. Схема основных процессов переработки нефти

Получаемые при переработке нефти продукты являются полуфабрикатами. В результате их смешения (компаундирования) образуются базовые топлива и базовые моторные масла. Непосредственно используемые в ДВС топлива и масла – товарные топлива и масла – получают после введения в базовые ТиС веществ, улучшающих их или придающих им новые эксплуатационные свойства, – присадок и добавок. Как правило, в современные топлива и особенно в моторные масла вводят композиции из нескольких присадок различного состава и назначения. При составлении композиций учитывают взаимное влияние присадок, которое может усилить их положительный эффект (тогда говорят об их синергизме) либо ослабить его (антагонизм присадок). Многие виды присадок одновременно обладают несколькими полезными свойствами – их называют многофункциональными.

Первичная переработка нефти

Процесс разделения нефти на фракции называют прямой перегонкой, или дистилляцией – его схема представлена на рис. 2. Получаемые в результате прямой перегонки нефти отдельные ее фракции называют дистиллятами.

Установка для прямой перегонки работает по непрерывному циклу [21]. Она состоит из атмосферной и вакуумной ректификационных колонн, в которых создаются термодинамические условия, обеспечивающие достаточно полное испарение вводимого в нее сырья. Температура по высоте колонны максимальная в зоне ввода исходного продукта и уменьшается до минимальной в верху колонны. По высоте колонны выделяются зоны, в которых средняя температура соответствует температурному диапазону конденсации отбираемых фракций. В этих зонах перпендикулярно оси колонны установлены колпачковые ректификационные тарелки с отверстиями, на которых скапливаются, а затем откачиваются конденсирующиеся продукты. Для облегчения движения паров углеводородов в ректификационную колонну вводят перегретый водяной пар.

В атмосферной ректификационной колонне от нефти отделяют нефтяной газ и фракции с температурой кипения до 680 К – топливные фракции. Температурные диапазоны выкипания топливных фракций показаны на рис. 3. В атмосферную ректификационную колонну вводят нефть, нагретую не более чем до 700 К, так как выше этой температуры начинается термическое разложение некоторых входящих в состав нефти углеводородов. В колонне остается неиспарившийся остаток – мазут, состоящий из фракций нефти, температура кипения которых при атмосферном давлении превышает температуру в атмосферной ректификационной колонне.

Рис. 2. Схема атмосферно-вакуумной перегонки нефти:

1 – аппарат для электрообессоливания; 2 – печь для нагрева
углеводородного сырья; 3 – атмосферная ректификационная
колонна; 4 – вакуумная ректификационная колонна

Для дальнейшего разделения мазута на фракции понижают давление. Перегонка мазута на фракции осуществляется в вакуумной ректификационной колонне, в которой устанавливается давление 5,3…7,3 кПа. Перед поступлением в вакуумную колонну мазут нагревают до 700 К. При перегонке мазута под вакуумом отделяются фракции, используемые для получения масел и называемые масляными дистиллятами. В зависимости от температуры кипения различают легкие, средние и тяжелые масляные дистилляты. Масла, получаемые из масляных дистиллятов, называют дистиллятными. Если мазут предполагают использовать в качестве котельного топлива, то отгоняют только его фракцию.

Рис. 3. Диапазоны выкипания топливных фракций

В вакуумной колонне остается жидкий, не выкипевший остаток. В зависимости от глубины переработки это гудрон или полугудрон с температурами застывания 20…40 °C. Из гудрона и полугудрона при последующей их переработке получают высоковязкие масла, называемые остаточными, а тяжелые остатки идут на изготовление битума, асфальта и пр. В отличие от дистиллятных остаточные масла характеризуются большей молярной массой, более высокими температурой кипения, плотностью и вязкостью. Большинство сложных кислородсодержащих соединений остается в гудроне, поэтому остаточные масла содержат эти соединения в большем количестве, чем дистиллятные.

Продукты, полученные при первичной переработке нефти, называют прямогонными. Приблизительный выход прямогонных продуктов: газовая фракция – примерно 1 %; бензиновая – от 2…3 % для тяжелой нефти до 20…30 % для легкой; керосиновая, составляющая основу реактивных топлив, – 15…40 %; дизельная – 15…25 %. При атмосферной перегонке остается порядка 50 % мазута, из которых около 20 % – масляные фракции, остальные 30 % – гудрон.

Классификация топлив

Поскольку топлива должны отвечать своему прямому назначению, основу любой их классификации составляет тип энергетической машины, в которой производится преобразование химической (тепловой) энергии в механическую. По этому признаку все топлива можно разделить на следующие категории:

топлива для двигателей внутреннего сгорания;

реактивные топлива;

котельные топлива;

газотурбинные топлива;

печные топлива.

Топлива для двигателей внутреннего сгорания, учитывая особенности эксплуатации, можно классифицировать по назначению на:

автомобильные;

авиационные;

тяжелые моторные;

судовые.

По агрегатному состоянию топлива делятся на газообразные, жидкие и твердые, причем последние в ДВС используются не напрямую, а только как продукты термической переработки – в виде жидких и газовых фракций.

По типу организации рабочего процесса ДВС жидкие топлива подразделяют на бензины (для двигателей с искровым зажиганием – карбюраторных и впрысковых) и дизельные топлива (для двигателей с воспламенением от сжатия).

По химическому составу топлива подразделяются на углеводородные и не углеводородные (например аммиак – NН₃), по виду исходного сырья – на нефтяные (продукты нефтяных и газовых месторождений) и альтернативные, для получения которых может быть использовано любое сырье, не относящееся к природным нефти и газу.

По способу получения (добычи) топлива можно разделить на две группы – естественные (природные) и техногенные (искусственные). Естественные виды топлив можно использовать без какой-либо переработки, это природные нефть и газ, уголь, сланцы, дрова. Эффективность использования естественных топлив обычно весьма низкая. Техногенные топлива получают в результате использования каких-либо технологий переработки исходного сырья, вследствие чего растет эффективность его применения (повышается качество конечного продукта), а также могут быть получены новые виды топлив или составляющих их компонентов. К ним относятся как общеизвестные виды топлив – бензин и дизельное топливо, так и менее распространенные топлива для ДВС – генераторный газ, древесный уголь, кокс и многие другие.

По виду использования топлива делят на энергетические и технологические. Топливо для ДВС относится к энергетическому виду. Технологическое топливо используют в специальных термохимических процессах, в результате чего наиболее ценные сырьевые компоненты отделяют для химической промышленности. Остатки переработки используют как энергетическое топливо.

Наконец, по способу хранения и использования в энергетической установке топлива делят на одно- и многокомпонентные. Если различные виды горючего и добавок к ним способны долго находиться в одном состоянии, то они могут быть использованы как однокомпонентное топливо. Если физико-химические характеристики компонентов топлива не позволяют их использовать и хранить в виде смеси, а экономическая выгода от их применения очевидна, они могут быть использованы как комплексное многокомпонентное топливо. В ДВС эти топлива и добавки, как правило, смешиваются уже в цилиндре или во впускном тракте в газообразной фазе. Возможен также вариант попеременного использования топлив (например бензин–газ, бензин–метанол и т.д.). Существенное препятствие к использованию многокомпонентных топлив – конструктивное усложнение
систем подачи и хранения топлива и, следовательно, их значительное
удорожание.

Согласно ГОСТ 28577.0–90, топлива нефтяного происхождения делятся по агрегатному состоянию и групповому составу входящих в них компонентов (табл. 1). Этот стандарт разработан на базе международных стандартов серии MS ISO 8216/0 – 8216/3.

Таблица 1. Классификация нефтяных топлив, согласно ГОСТ 28577.0 – 90

Категория топлива	Характеристика нефтепродуктов
G	Газообразные топлива нефтяного происхождения, состоящие в основном из метана и/или этана
L	Сжиженные газообразные топлива нефтяного происхождения, состоящие в основном из пропана и пропена и/или бутана и бутена
P	Дистиллятные топлива нефтяного происхождения, исключая предыдущие. Это бензины, керосины, газойли, дизельные топлива
R	Остаточные топлива, которые содержат остаточные фракции процесса перегонки
C	Нефтяные коксы – твердые топлива, получаемые в процессе крекинга и состоящие в основном из углерода

Более детальная классификация нефтяных топлив предусматривается другими составляющими стандарта ISO 8216, имеющими дроби /1, /2 и /3, на основе которых разработаны отечественные нормативные документы: ГОСТ 28577.1–90 для топлив морских двигателей, ГОСТ 28577.2–90 для топлив газотурбинных двигателей и ГОСТ 28577.3–90 для сжиженных нефтяных газов. Для остальных видов топлив общая классификация как нормативный документ в нашей стране отсутствует.

Горючие смеси

Горючая смесь представляет собой смесь горючего и окислителя.

Знание элементарного химического состава топлива позволяет, в частности, вычислить теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания 1 кг жидкого топлива (кг возд./кг топл.), которое называют стехиометрическим – L ₀. Стехиометрическое число L ₀ может быть выражено и в других единицах: кмоль возд./кг топлива (мольное стехиометрическое число l ₀ получается путем деления L ₀ на молярную массу воздуха – 28,96 кг/кмоль), а также кг, кмоль или м³ возд./м³ топлива (используется для газов):

(1)

(2)

(3)

где C, H, S и O – массовые доли углерода, водорода, серы и кислорода в топливе (C+H+S+O = 1); n, m и r – число атомов в молекуле отдельных компонентов газообразного топлива; C _n H _m O _r – объемная доля газа в смеси; 0,208 – приближенная доля объемного содержания кислорода в воздухе.

Элементарный состав некоторых топлив приведен в табл. 2 [25, 28]. Количество серы зависит от марки топлива и здесь не приводится.

Таблица 2. Элементарный состав топлив, применяемых в ДВС

Топливо	Масс. доли химических элементов C H O	Молярная масса mт, кг/кмоль
Бензин	0,855	0,145	–	110...120
Дизельное	0,870	0,126	0,004	180...200
Тяжелое дизельное	0,870	0,125	0,005	220...280
Метанол CH3OH	0,375	0,125	0,500
Этанол C2H5OH	0,520	0,130	0,350

Исходя из представленных в табл. 2 значений массового содержания элементов, для бензина L ₀=14,8...14,9 [кг возд./кг топл.], для дизельного топлива среднего состава L ₀=14,3...14,4 [кг возд./кг топл.]. Следует отметить, что данные табл. 2 в большей мере относятся к прямогонным фракциям и не отражают