Синтетический бензин, диметил эфир

Смесь окиси углерода и водорода (синтез-газ), из которого в промышленности синтезируют топливные углеводороды, можно получить пропусканием водяного пара через раскаленный кокс (газификация угля) и конверсией природного газа - метана.

Получение моторного топлива из ненефтяного углеводородного сырья: угля, биомассы, биогаза и природного газа. Схемы переработки сырья близки: на первой стадии происходит превращение в синтез-газ (смесь монооксида углерода и водорода), затем синтез-газ перерабатывают в метанол (традиционная схема) или в диметиловый эфир (ДМЭ) (схема, разработанная в Институте нефтехимического синтеза РАН), которые превращаются в моторное топливо (бензин, дизельное топливо).

Синтетический бензин, полученный по традиционной схеме промышлен ной переработки природного газа в топливные углеводороды через стадию образования метанола, в два раза дороже "нефтяного". Процесс синтеза топливных углеводородов через диметиловый эфир (ДМЭ), разработанный в Институте нефтехимического синтеза РАН, намного эффективнее и экономичнее традиционной "метанольной" схемы производства синтетических моторных топлив.

Схема химического реактора для получения синтез-газа при горении смеси метана и воздуха при высоких температурах. Подобные реакторы конструируются по принципу ракетного двигателя.

Подробности для любознательных

Важнейшая характеристика качественного бензина - его способность гореть без взрыва. Взрыв топлива называют детонацией. Для того чтобы оценить "склонность" к детонации количественно, было принято, что "плохо" взрывающийся углеводород изооктан имеет антидетонационную способность, равную 100. Для легко взрывающегося н-гептана она принята равной нулю. Этот параметр назвали октановым числом. Например, если у моторного топлива октановое число 80, то оно по своим детонационным свойствам эквивалентно смеси 80% изооктана и 20% н-гептана. Чем выше октановое число, тем качественнее моторное топливо.

Качество дизельного топлива оценивается по его способности к воспламенению под действием давления и температуры. Идеальное легко воспламеняющееся топливо для дизелей - гексадекан или цетан с 16 атомами углерода. Ему присвоено максимальное число 100, называемое цетановым. За нуль принимается цетановое число a-метилнафталина, который не возгорается вообще. Цетановое число характеризует период задержки воспламенения топлива в двигателе - промежуток времени от впрыскивания топлива в цилиндр до момента начала его горения. Чем выше цетановое число, тем короче этот период и тем более спокойно и плавно горит дизельное топливо.

Диметилэфир

Диметилэфир является производной метанола, который получается в процессе синтетического преобразования газа в жидкое состояние. Существуют разработки по переоборудованию дизельных двигателей под диметилэфир. При этом существенно улучшаются экологические характеристики двигателя.

На сегодняшний день в мире потребление диметилэфира составляет около 150 тыс. т в год.

В последние годы разрабатываются технологические процессы получения диметилэфира из синтетического горючего газа, производимого из угля.

В отличие от сжиженного природного газа, диметилэфир менее конкурентоспособен, в основном по причине того, что теплотворная способность на тонну диметилэфира на 45% ниже теплотворности на тонну сжиженного природного газа. Также для производства диметилэфира требуется не только более высокий уровень предварительных капиталовложений, но и больший объем сырьевого газа для производства продукта с эквивалентной теплотворной способностью.

В будущем диметилэфир можно рассматривать только в качестве продукта, имеющего ограниченные возможности, так как производство сжиженного природного газа характеризуется более значительной экономией за счет масштабов производства, более низким уровнем капитальных затрат и более высокой эффективностью процесса производства.

Двигатель Стирлинга

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 29 августа 2011; проверки требуют 28 правок.

Дви́гатель Сти́рлинга — тепловая машина, в которой жидкое или газообразное рабочее тело движется в замкнутом объёме, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом изменения объёма рабочего тела. Может работать не только от сжигания топлива, но и от любого источника тепла.

Из термодинамики известно, что давление, температура и объём идеального газа взаимосвязаны и следуют закону , где:P — давление газа;V — объём газа;n — количество молей газа;R — универсальная газовая константа;Т — температура газа в кельвинах.

Это означает, что при нагревании газа его объём увеличивается, а при охлаждении — уменьшается. Это свойство газов и лежит в основе работы двигателя Стирлинга.

Двигатель Стирлинга использует цикл Стирлинга, который по термодинамической эффективности не уступает циклу Карно, и даже обладает преимуществом. Дело в том, что цикл Карно состоит из мало отличающихся между собой изотерм и адиабат. Практическая реализация этого цикла малоперспективна. Цикл Стирлинга позволил получить практически работающий двигатель в приемлемых габаритах.

Диаграмма "давление-объём" идеализированного цикла Стирлинга

Цикл Стирлинга состоит из четырёх фаз и разделён двумя переходными фазами: нагрев, расширение, переход к источнику холода, охлаждение, сжатие и переход к источнику тепла. Таким образом, при переходе от тёплого источника к холодному источнику происходит расширение и сжатие газа, находящегося в цилиндре. При этом изменяется давление, за счёт чего можно получить полезную работу. Нагрев и охлаждение рабочего тела (участки 4 и 2) производится рекуператором. В идеале количество тепла, отдаваемое и отбираемое рекуператором, одинаково. Полезная работа производится только за счёт изотерм, т.е. зависит от разницы температур нагревателя и охладителя, как в цикле Карно. Рабочий цикл двигателя Стирлинга beta-типа:

где: a — вытеснительный поршень; b — рабочий поршень; с — маховик; d — огонь (область нагревания); e — охлаждающие ребра (область охлаждения).

1. Внешний источник тепла нагревает газ в нижней части теплообменного цилиндра. Создаваемое давление толкает рабочий поршень вверх (обратите внимание, что вытеснительный поршень неплотно прилегает к стенкам).
2. Маховик толкает вытеснительный поршень вниз, тем самым перемещая разогретый воздух из нижней части в охлаждающую камеру.
3. Воздух остывает и сжимается, поршень опускается вниз.
4. Вытеснительный поршень поднимается вверх, тем самым перемещая охлаждённый воздух в нижнюю часть. И цикл повторяется.

В машине Стирлинга движение рабочего поршня сдвинуто на 90° относительно движения поршня-вытеснителя. В зависимости от знака этого сдвига машина может быть двигателем или тепловым насосом. При сдвиге 0 машина не производит никакой работы (кроме потерь на трение) и не вырабатывает её.