Фракционный состав и испаряемость

Определяют стандартной разгонкой по ГОСТ на аппарате АРНС. При этом фиксируют t _н.к., t ₁₀, t ₅₀, t ₉₀, t _97,5, t _к.к.. Температуры t _н.к., t ₁₀ характеризуют пусковые свойства бензина и его склонность к образованию газовых пробок в системе питания (t ₁₀ не менее 70 °С и 80 °С для авто- и авиабензинов соответственно); t ₅₀ характеризует скорость прогрева двигателя и плавность перехода с режима на режим (не более 115 °С и 105 °С для авто- и авиабензинов соответственно); t ₉₀, t _97,5, t _к.к. характеризуют полноту испарения топлива в системе питания (t _97,5 для авиабензина не более 180 °С, для автобензина – не более 195 °С; t _к.к. летних марок автобензинов – 195 °С для
А-76, 205 °С для марок АИ-91, АИ-93, АИ-95).

 

Давление насыщенных паров

Этот показатель дает дополнительную информацию об испаряемости бензинов и возможности образования газовых пробок в системе питания. Чем выше давление насыщенных паров, тем выше вероятность образования газовых пробок. Для авиабензинов этот параметр лежит в пределах
29,3–48,0 кПа; для автобензинов – в пределах 66,7–93,3 кПа.

 

Химическая стабильность

Зависит от содержания в бензинах нестабильных, легко окисляющихся олефинов. Высокая доля последних приводит к повышенному нагарообразованию и снижению ОЧ. Стабильность топлива против окисления оценивают по содержанию в нем фактических и потенциальных смол. Количество фактических смол определяют выпариванием топлива на водяной бане в струе воздуха или водяного пара. Остаток относится к 100 мл бензина и выражается в мг/100 мл бензина (не более 7 мг/100 мл для автобензинов и 4 мг/100 мл для авиабензинов).

При определении потенциальных смол или индукционного периода окисления бензин помещают в бомбу с манометром, куда вводят кислород
(Р = 7 ат, t = 100 °С). Некоторое время давление практически не меняется, затем, когда концентрация радикалов достигает необходимого уровня, давление кислорода в бомбе снижается за счет протекания реакций окисления. За индукционный период окисления принимают время (в мин) постоянства давления с начала испытания. Для автобензинов индукционный период лежит в пределах 900–1200 мин. Для авиабензинов данный показатель называется периодом стабильности (не менее 12 часов для Б91/115 и не менее 8 часов для Б92).

 

Реактивные топлива

 

Топлива, использующиеся для летательных аппаратов с реактивными двигателями, должны обеспечивать:

а) надёжный запуск двигателя;

б) необходимую скорость и дальность полёта;

в) полноту сгорания топлива;

г) свободное прокачивание по системе питания;

д) отсутствие коррозии деталей двигателя;

е) высокую термоокислительную стабильность и др.

Реактивные топлива подразделяются на топлива для летательных аппаратов с дозвуковой и сверхзвуковой скоростью. К первой группе относятся топлива марок ТС-1 и РТ, ко второй группе – Т-6 и Т-8.

Топлива, используемые в сверхзвуковой авиации более тяжелые
(r²⁰₄ = 0,780 и 0,775 для марок ТС-1 и РТ соответственно, тогда как для марки Т-6 r²⁰₄ = 0,840). Это связано с большим нагревом топлива в полёте и его вскипанием при скорости выше сверхзвуковой (в сверхзвуковой авиации топливо перед сгоранием используют для охлаждения обшивки).

Реактивные топлива используются на больших высотах, где низкая температура. В связи с чем, для них нормируются температура начала кристаллизации (не выше минус 60 °С для всех марок), вязкость (в частности, n₂₀ не менее 1,25 мм²/с для марки ТС-1, и не менее 4,5 мм²/с для марки Т-6; n_–40 не более 8 мм²/с для марки ТС-1, и не более 60 мм²/с для марки Т-6).

Для реактивных топлив нормируется также:

а) высота некоптящего пламени;

б) содержание ароматики;

в) теплота сгорания;

г) содержание серы (общей и меркаптановой).

Эти показатели связаны, прежде всего, с процессом горения топлива в двигателе, его теплотворной способностью и термической стабильностью.

Требованиям на реактивные топлива удовлетворяют фракции авиакеросинов прямой гонки, гидроочищенные, а также (частично) аналогичные фракции вторичных процессов. Наиболее предпочтительны по химсоставу фракции с большим содержанием парафино-нафтеновых углеводородов, которые меньше окисляются и дают малое нагарообразование. В противоположность им ароматические углеводороды обладают меньшей теплотой сгорания (на 10 %), дымят и вызывают существенное нагарообразование, характеризуются высокой интенсивностью излучения пламени, однако они обладают высокой плотностью, что является важной характеристикой рективных топлив. Содержание ароматики в реактивных топливах не должно превышать 20–22 % (для Т6 – 10 %). Присутствие н-парафинов в данных топливах практически недопустимо из-за ухудшения низкотемпературных свойств топлива.

 

Дизельные топлива

 

Нефтеперерабатывающей промышленностью нашей страны выпускаются дизельные топлива двух видов:

а) легкие топлива для быстроходных дизелей (фракции 200–350 °С) с частотой вращения вала 800–1000 об/мин;

б)   тяжелые высоковязкие топлива для тихоходных средне- и малооборотистых дизелей с частотой вращения вала 600–700 об/мин (применяются тяжелые соляровые дистилляты, мазуты, отбензиненные нефти).

Выпускаются следующие марки дизельного топлива:

а) для быстроходных дизелей:

А – арктическое (применяется при температуре окружающего воздуха до минус 50 °С);

З – зимнее (применяется при температуре окружающего воздуха
до минус 20 °С);

Л – летнее (применяется при температуре окружающего воздуха
до 0 °С).

Помимо названных, вырабатывают экспортное дизтопливо (содержание серы не более 0,2 %) и экологически чистое дизтопливо (содержание серы не более 0,1 % либо 0,05 %).

б) для тихоходных дизелей – марки ДТ и ДМ.

Полнота сгорания топлива и экономичность в большой степени зависит от его фракционного состава. В связи с чем, он различен для быстроходных и тихоходных дизелей, т.к. зависит от условий эксплуатации двигателя и его конструктивных особенностей.

К важнейшим характеристикам дизельных топлив относятся также температура застывания и вязкость, что связанно с необходимостью обеспечить прокачиваемость топлива по системе питания двигателя (трубопроводы, фильтры тонкой очистки) и качественное распыление. Наиболее жестко нормируется температура застывания для арктического и зимнего дизтоплив (А – не более минус 55 °С, З – не более минус 35–45 °С,
Л – не более минус 10 °С).

Вязкость (n₂₀) установлена на уровне 3–6 мм²/с для марки Л. Для остальных марок вязкость еще ниже. Для тихоходных и малооборотистых дизелей, где допускается подогрев топлива, n₅₀ не более 36 мм²/с для марки ДТ, и не более 150 мм²/с для марки ДМ.

Содержание серы в дизельных топливах также нормируется. Оно не должно превышать 0,2–0,5 мас. % для топлив, применяемых в быстроходных дизелях, и не быть более 1,5 и 2 мас. % для дизельных топлив ДТ и ДМ соответственно, при получении их из сернистых нефтей.

Процесс работы дизельного двигателя отличается от карбюраторного. В дизельном двигателе первоначально в цилиндр всасывается воздух, который сжимается до 35–50 ат, в результате чего температура поднимается до 500–700 °С. После этого в цилиндр впрыскивается топливо и в данных жестких условиях интенсивно окисляется и самовоспламеняется. При этом, чем меньше временной период от момента впрыска до момента воспламенения (период задержки воспламенения), тем выше качество топлива.

Воспламеняемость дизтоплив оценивают специальным показателем – цетановым числом (ЦЧ). Это показатель численно равен процентному содержанию цетана (н-гексадекана (н-С₁₆Н₃₄)) в эталонной смеси с
a-метилнафталином, самовоспламеняемость которой в стандартном двигателе при стандартных условиях эквивалентна самовоспламеняемости в тех же условиях испытуемого топлива.

В качестве эталона приняты – цетан за 100 пунктов ЦЧ и
a-метилнафталин за 0 пунктов.

Если рассматривать углеводородный состав дизельных топлив, то наибольшим цетановым числом обладают н-парафины, далее следуют изопарафины, нафтены и ароматика, т.е. в порядке уменьшения склонности к окислению, а значит самовоспламенению.

Существует 3 метода определения цетанового числа:

а) по критической степени сжатия;

б) по периоду запаздывания воспламенения;

в) по совпадению вспышек.

Метод определения ЦЧ по критической степени сжатия подразумевает определение минимальной степени сжатия, при которой двигатель работает на стандартном режиме без пропусков воспламенения или даёт не менее двух вспышек за 4 сек. Пропуски воспламенения наблюдают по дымлению на выхлопе при открытом кране выхлопной трубы. Затем подбирают две смеси, имеющие аналогичные вспышки при меньшей и большей степени сжатия и, интерпретируя эти данные, определяют ЦЧ исходной смеси. Определение ЦЧ проводят на установке ИТ-9-3 – стандартном одноцилиндровом двигателе с переменной степенью сжатия.

Товарные дизельные топлива должны иметь ЦЧ в определенных оптимальных пределах – от 40 до 70. Вне этих пределов наблюдается неполное сгорание с соответствующей потерей мощности. Цетановое число топлив для быстроходных дизелей нормируется на уровне 45 пунктов. Для дизельных топлив ДТ и ДМ оно не нормируется.

Кроме ЦЧ для оценки способности дизельных топлив к самовоспламенению используется ещё один показатель – дизельный индекс (ДИ). Он связывает воспламеняемость топлива с r¹⁵₁₅ и анилиновой точкой.

Анилиновая точка – это минимальная температура взаимного растворения определенных количеств анилина и топлива. Ее величина характеризует химсостав топлива – высокое содержание ароматики снижает анилиновую точку, тогда как присутствие н-парафинов повышает ее.

                               ,                       (3.7)

где t _А – анилиновая точка, °С.

Цетановое число можно рассчитать и аналитически по углеводородному составу дизтоплива:

                                  ЦЧ = 0,85×П + 0,1×Н – 0,2×А,                          (3.8)

где П, Н, А – содержание парафиновых, нафтеновых и ароматических углеводородов соответственно, мас. %.

Предложены эмпирические формулы позволяющие рассчитать ЦЧ и ДИ через вязкость, плотность и t ₅₀ кипения фракции.

                                 ЦЧ = (n₂₀ + 17,8) 1,5879 / r²⁰₄;                         (3.9)

ДИ = 454,74 – 1641,41r¹⁵₁₅ + 774,74(r¹⁵₁₅)² – 0,554 t ₅₀ + 97,803(lg t ₅₀)². (3.10)

Для повышения ЦЧ к дизельным топливам добавляют присадки (алкилнитраты, гидроперекиси), ускоряющие процесс предпламенного окисления топлива и его воспламенения. При введении 1,5–2 % этих присадок ЦЧ может повышаться на 15–20 пунктов. Однако чрезмерное добавление присадок приводит к снижению температуры вспышки и повышению коксуемости топлива.

 

Газотурбинные топлива

 

Данные топлива получают из дистиллятов прямой перегонки нефти, а также из мазутов и газойлевых фракций вторичных процессов переработки нефти.

В настоящее время НПЗ вырабатывают две марки газотурбинных топлив: Б – обычное и А – для пиковых энергетических установок.

К числу важнейших характеристик, предъявляемых к этим топливам относятся:

а) содержание в нем ванадия, натрия, калия, серы, H₂S;

б) содержание водорастворимых кислот и щелочей.

Особенно жестко нормируется содержание ванадия и натрия. Это связанно, в первую очередь, с требованием отсутствия корродирующего воздействия со стороны топлива по отношению к металлу газовых турбин (оксид ванадия образует со сталью легкоплавкий сплав, который постепенно выносится с горячими газами, разрушая таким образом детали турбины, причем присутствие натрия усиливает этот эффект). Содержание ванадия не должно превышать 0,00005 % (совместно с калием) для марки А, и 0,0004 % для марки Б; содержание натрия для марки А не более 0,0002 %.

Для снижения ванадиевой коррозии в газотурбинное топливо добавляют цинковые и магниевые присадки.

 

Котельные топлива

 

В качестве котельного топлива применяют крекинг-остатки, мазуты, гудроны, тяжелые высокосмолистые нефти. Используют эти топлива для отопления транспортных и стационарных котельных, технологических установок НПЗ, мартеновских печей и др.

Промышленностью выпускаются следующие котельные топлива:

а) легкое – флотские мазуты (Ф5 и Ф12);

б) среднее – топочный мазут 40;

в) тяжелое – топочный мазут 100.

К основным показателям, нормируемым для котельных топлив, относятся: вязкость, температура вспышки, содержание серы, температура застывания.

В частности, вязкость для флотских мазутов Ф5 и Ф12 не более 5 и
12 °ВУ при 50 °С соответственно. Для топочных мазутов ВУ₈₀ не более 8 и
16 °ВУ для топочных мазутов 40 и 100 соответственно.

Температура вспышки составляет не ниже 80 и 90 °С (в закрытом тигле) для марок Ф5 и Ф12 соответственно; не ниже 90 и 110 °С (в открытом тигле) для топочных мазутов 40 и 100 соответственно.

Содержание серы для Ф5 не более 2 % (сернистое сырье); для Ф12 – не более 0,6 %; для топочных мазутов 40 и 100 – до 3,5 %.

Температура застывания для лёгких топлив Ф5 и Ф12 должна быть не выше минус 5 и минус 8 °С соответственно; не выше 10 и 25 °С для топочных мазутов 40 и 100 соответственно. Но она может быть и выше, при получении топлива из парафинистых нефтей (25 и 42 °С для топочных мазутов 40 и 100 соответственно).

 

Растворители

 

Растворители, вырабатываемые нефтеперерабатывающей промышленностью, подразделяют на низкокипящие (бензиновые – Б), выкипающие при температуре до 150 °С, и высококипящие (керосиновые – К), выкипающие при температуре свыше 150 °С.

В зависимости от углеводородного состава сырья и технологии получения, нефтяные растворители подразделяют на группы:
П – парафиновые (содержат в своем составе более 50 мас. % парафинов нормального строения); И – изопарафиновые; Н – нафтеновые; А – ароматические (содержат в своем составе более 50 мас. % соответствующих углеводородов) и С – смешанные (содержащие не более 50 мас. % углеводородов каждой из групп).

В зависимости от содержания ароматики, группы углеводородов делят на подгруппы (кроме ароматической группы А) с 0 до 5. Содержание ароматики по подгруппам изменяется от 0,1 до 25–50 мас. %.

В условное обозначение растворителя входят следующие данные: Нефрас (нефтяной растворитель), далее группа, номер подгруппы и пределы выкипания, записанные через дробь (например: Нефрас П-3-30/80 – нефтяной растворитель парафиновый, содержащий от 2,5 до 5,0 % ароматики
(3 подгруппа) и выкипающий в пределах 30–80 °С).

Области применения растворителей:

– в резиновой промышленности;

– для технических целей;

– в лакокрасочной промышленности;

– экстракционные растворители;

– сольвенты нефтяные.

К важнейшим эксплуатационным характеристикам растворителей относятся:

– способность растворять органические соединения;

– способность удалять органические загрязнения с поверхности металлов;

– способность быстро испаряться;

– способность к минимальному образованию своих отложений;

– коррозионная агрессивность;

– стабильность качества;

– токсичность.

 

Осветительные керосины

 

Осветительные керосины используются в лампах для освещения, в связи с чем, к ним предъявляются специфические требования, а именно: они должны легко подниматься по фитилю, давать яркое пламя, сгорать без копоти.

Основные марки осветительных керосинов – КО-30; КО-25; КО-20 (цифра обозначает высоту некоптящего пламени в мм).

Основные нормируемые требования для осветительных керосинов:

Высота некоптящего пламени – показатель, характеризующий осветительную и нагарообразовательную способность керосина. Наиболее предпочтительны в составе керосина парафиновые углеводороды, а наименее – ароматические, т.к. они дают коптящее пламя. Сернистые и азотистые соединения также снижают качество керосина.

Температура помутнения – показатель, характеризующий способность керосина работать при низкой температуре. Температура помутнения должна быть не выше минус 15 °С для марок КО-30 и КО-25, и не выше минус 12 °С для марки КО-20.

Содержание серы – показатель, характеризующий безопасность для человека с точки зрения выделения вредных веществ. Нормируется на уровне 0,02 %, 0,015 % и 0,1 % для марок КО-30, КО-25 и КО-20 соответственно.

Фракционный состав – характеризует пожаробезопасность керосина. Нормируется через количество топлива (в об. %), которое перегоняется до температуры 200 °С (до 270 °С для марки КО-20) – 25, 50 и 80 об. % для марок КО-30, КО-25 и КО-20 соответственно. Также нормируется температура 98 % отгона (для марки КО-20) или t _к.к. (для марок КО-30 и
КО-25) – 310, 280 и 290 °С соответственно.

 

Нефтяные масла

 

По химическому составу нефтяные масла представляют собой смеси высокомолекулярных парафиновых, ароматических, нафтеновых углеводородов и асфальто-смолистых соединений.

По способу получения нефтяные масла можно подразделить на дистиллятные, получаемые в виде боковых погонов в верхней части вакуумной колонны при разгонке мазута, остаточные, получаемые из гудронов после их очистки от асфальто-смолистых веществ, и смешанные (дистяллятно-остаточные).

По методу очистки масла можно подразделить на масла щелочной, кислотной, кислотно-щелочной очистки, контактной очистки (отбеливающими землями), селективной очистки (избирательными растворителями), адсорбционной очистки, гидроочистки (на катализаторе в присутствии водорода).

По своему назначению нефтяные масла делятся на:

- смазочные, которые в свою очередь подразделяются на моторные (для двигателей внутреннего сгорания) и индустриальные (для промышленного оборудования);

- -специального назначения (применяются для специального оборудования или в специфических условиях)

 

Моторные смазочные масла

В нашей стране принята классификация моторных масел по
ГОСТ 17479.1-85. Она основана на вязкости и эксплуатационных свойствах масел. Согласно ее масла делятся на 8 классов (незагущенные масла) и на 4 класса (загущенные масла).

По эксплуатационным свойствам предусмотрено 6 групп масел: А, Б, В, Г, Д, Е. Масла делятся на две подгруппы (дополнительно обозначаются цифрой 1 – для карбюраторных двигателей, 2 – для дизельных двигателей).

Группа А – для нефорсированных карбюраторных и дизельных двигателей.

Группа Б – для малофорсированных карбюраторных и дизельных двигателей.

Группа В – для среднефорсированных карбюраторных и дизельных двигателей.

Группа Г – для высокофорсированных карбюраторных и дизельных двигателей.

Группа Д – для высокофорсированных карбюраторных и дизельных двигателей, работающих в тяжелых условиях.

Группа Е – для высокофорсированных карбюраторных и дизельных двигателей, работающих в более тяжелых условиях, чем для масел группы Д.

Обозначение марки моторного масла включает букву М (моторное масло), цифру – среднюю кинематическую вязкость n₁₀₀ в мм²с, буква с цифрой – группу и подгруппу масла (например, М-10Б₂). Иногда обозначение бывает более сложным – М-4_З/10В₁. В этом случае 4_З – класс вязкости (буква З – загущенное (введена загущающая присадка)), 10 – вязкость n₁₀₀ в мм²/с,
В – группа, цифра 1 при букве В – подгруппа.

Масла для карбюраторных и дизельных двигателей выпускаются двух видов – летние и зимние. Основой для их производства служат дистиллятные и остаточные базовые масла после процесса селективной очистки.

Авиационные моторные масла в зависимости от объекта применения подразделяются на масла для поршневых двигателей, для турбореактивных и турбовинтовых двигателей, для вертолетов, для газоперекачивающих агрегатов. Их получают из дистиллятных и остаточных фракций нефти после их селективной очистки и депарафинизации. Также предусмотрен выпуск зимних и летних масел.

Марки этих масел: МС-14, МС-20 – для поршневых двигателей; МС-8п – для турбореактивных двигателей; МН-7,5у – для турбовинтовых двигателей; СМ-8 – для вертолетов; МГД-14м – для газоперекачивающих агрегатов.

В мировой практике получила широкое распространение Американская классификация моторных масел, которая подразделяется на классификацию моторных масел Американского общества автомобильных инженеров по вязкости (SAE) и классификацию Американского нефтяного института по эксплуатационным свойствам (API).

По классификации SAE маслу присваивается обозначение в соответствии с его вязкостью при 100 °С и при отрицательной температуре. Летние масла имеют обозначение: SAE 20, 30, 40, 50; зимние: SAE 0W, 5W, 10W, 15W, 20W; всесезонные: SAE 10W/40, SAE 20W/40 и др.

Класс по SAE характеризует только вязкость масла и не несет информации о его назначении.

По классификации API маслам присваиваются категории:

- для бензиновых двигателей присваиваются следующие категории: SA, SB, SC, SD, SE, SF, SG, SH;

- для дизельных двигателей присваиваются категории: CA, CB, CC, CD, CE.

Универсальные масла имеют двойное обозначение: SF/CD, CE/SG и др.

В настоящее время действуют категории масел: SG, SH, CD, CE, CF-2, CF-4, DC-6.

 

Индустриальные масла

Эти масла используются для смазки машин и механизмов, применяемых в машиностроении и других отраслях промышленности.

В зависимости от области применения их подразделяют на масла общего назначения и специального назначения.

По вязкости их можно подразделить на легкие (n₅₀ = 4,8–11 мм²/с), средние (n₅₀ = 10–50 мм²/с) и тяжелые (n₁₀₀ = 10–96 мм²/с). По характеру нефти, из которой получают эти масла – на сернистые и малосернистые. По характеру очистки – на масла на селективной, сернокислотной, адсорбционной, щелочной очистки.

Однако главными при классификации индустриальных масел являются характеристики, обуславливающие их область применения. В настоящее время действует классификация индустриальных масел по ГОСТ174.4-87 «Масла индустриальные».

Обозначение индустриальных масел включает в себя целую группу знаков: первая буква – И (индустриальное масло), вторая буква – принадлежность к группе по назначению, третья буква – принадлежность к подгруппе по эксплуатационным свойствам, цифра – класс по кинематической вязкости. Например: И-Г-С-32 – масло индустриальное, группа Г – гидравлические системы, подгруппа С – масла с противоизносными присадками для оборудования, где есть антифрикционные сплавы цветных металлов и условия работы которых предъявляют повышенные требования к антиокислительным, антифрикционным, антикоррозийным и противоизносным свойствам масел, 32 – класс вязкости (n₄₀ = 29–35 мм²/с).

Индустриальные масла общего назначения служат для смазки разнообразных пар трения различных механизмов, работающих при невысоких и средних температурах. Используются эти масла в гидросистемах, для технологических целей (при обработке металлов резанием и др.).

В зависимости от области применения индустриальные масла общего назначения подразделяют на:

- масла для смазки легконагруженных высокоскоростных механизмов (текстильных машин, станков, центрифуг, сепараторов и др.);

- масла для гидравлических систем промышленного оборудования;

- масла для направляющих скольжения станочного оборудования;

- масла для прокатных станов и др.

Индустриальные масла специального назначения. Это группа масел минеральных и синтетических, с присадками, предназначенных для использования в специальных условиях. В зависимости от области применения делятся на:

- масла для смазки туманом;

- масла для смазки подшипников скольжения;

- вакуумные масла, используемые в качестве рабочих жидкостей в вакуумных насосах;

- цилиндрованные масла (для смазывания горячих частей паровых машин – Цилиндровое-38, Цилиндровое-52, где цифра обозначает n₁₀₀, мм²/с).