ECSO

Вводная информация ECSO СТ888

СОСТАВ ТОПЛИВНЫЙ СТ888

Введение.

Переработка нефти начинается с перегонки или фракционирования сырой нефти в отдельные углеводородные группы. Полученные в результате продукты непосредственно связаны с характеристиками обрабатываемой сырой нефти. Большая часть этих продуктов перегонки далее преобразуются в более полезные продукты путем изменения их физических свойств и структур молекул под действием крекинга, реформинга и других процессов преобразования.

Эти продукты, последовательно, подвергаются различным процессам очистки и разделения, таким как извлечение, гидроочистка и очистка от активной серы, с целью образования конечных продуктов.

В то время, как самые простые операции по нефтепереработке, обычно, ограничиваются атмосферной и вакуумной перегонкой, большие нефтеперерабатывающие заводы осуществляют фракционирование, преобразование, обработку и смешивание со смазочным материалом, производство тяжелого топлива и асфальта; они могут также производить обработку нефтепродуктов.

Раздел 1. Общая информация.

С появлением массового производства и во время Первой мировой войны, резко увеличилось число транспортных средств, использующих бензин, и спрос на бензин соответственно вырос. Однако, только определенное количество бензина могло быть получено из сырой нефти с помощью процессов атмосферной и вакуумной перегонки.

Первый процесс термического крекинга был разработан в 1913 году. Термический крекинг подвергал тяжелые топлива действию давления и чрезмерного тепла, разделяя физически его большие молекулы на меньшие по размеру, производя дополнительный бензин и дистиллятные топлива.

Сложная форма термического крекинга, легкого крекинга, была разработана в конце 1930-х с целью получения более желанных и ценных продуктов.

Когда были разработаны бензиновые двигатели с более высоким сжатием, появился спрос на бензин с более высоким октановым числом, имеющий лучшие антидетонационные характеристики. Внедрение процессов каталитического крекинга и полимеризации в середине-конце 1930-х удовлетворило этот спрос, путем обеспечения повышенного выхода бензина с более высокими октановыми числами.

Алкилирование, другой каталитический процесс, был разработан в начале 1940-х для производства авиационного бензина с более высоким октановым числом и использование исходного сырья нефтепродуктов, начальных материалов для взрывчатых веществ и синтетического каучука. Впоследствии был разработан процесс каталитической изомеризации, преобразующий углеводороды с целью производства повышенных количеств исходного сырья для алкилирования.

После Второй мировой войны, были внедрены различные процессы риформинга, которые улучшили качество и выпуск бензина, и позволили производить продукты более высокого качества. Некоторые из них использовали катализаторы и водород, с целью изменения молекул и удаления серы. Улучшенные катализаторы и технологические методы, такие как гидрокрекинг и риформинг, создавались на протяжении 1960-х годов, с целью увеличения выпуска бензина и улучшения его антидетонационных характеристик.

В каталитических процессах также производили молекулы с двойной связью (алкены), формируя основы современной нефтехимической промышленности.

Раздел 2. Топлива.

Основные топливные продукты переработки нефти – сжиженный нефтяной газ, бензин, керосин, топливо для реактивных двигателей, дизельное топливо, печное топливо и остаточные мазуты.

Сжиженный нефтяной газ.

Состоит из смесей парафиновых и олефиновых углеводородов, таких как пропан и бутан, производится для использования в качестве топлива, и храниться, и обрабатывается как жидкость под давлением. Сжиженный нефтяной газ имеет температуры кипения в диапазоне от приблизительно -74° C до + 38°C, бесцветен, и его пары более тяжелые, чем воздух, и чрезвычайно воспламеняющиеся.

Бензин.

Наиболее важный продукт нефтепереработки – автомобильный бензин, смесь относительно низкокипящих углеводородных фракций, включая продукт риформинга, алкилат, алифатическую нафту (легкая нефть прямого погона), ароматическая нафта (термически и каталитически крекированная нафта) и добавки. Базовые компоненты для смешивания с бензином имеют температуры кипения в диапазоне от температур окружающего воздуха до приблизительно 204°C, а температуры вспышки ниже -40°C.

Важные качества бензина – октановое (антидетонационное) число, летучесть (запуск и детонация паров) и давление паров. Добавки используются для улучшения характеристик бензина и обеспечения защиты от окисления и образования ржавчины. Авиационный бензин – высокооктановый продукт, специально приготовленный для хорошей работы на больших высотах.

Тетраэтилсвинец и тетраметилсвинец.

Бензиновые добавки, которые улучшают октановое число и антидетонационные характеристики. Стремясь уменьшить количество свинца при автомобильных выбросах отработавших газов, эти добавки больше не используют в обычных применениях, за исключением авиационного бензина.

Этилтерциарибутилэфир, метилтерциарибутилэфир, терциариамилметилэфир и другие окисляющиеся соединения используются вместо тетраэтилсвинца и тетраметилсвинца с целью улучшения антидетонационных характеристик неэтилированного бензина и уменьшения вредных выбросов.

Топливо для реактивных двигателей и керосин.

Керосин – смесь парафинов и нафтенов обычно менее чем с 20% ароматсоединениями. Он имеет температуру вспышки выше 38°C, диапазон кипения от 160° C до 288° C и используется для освещения, обогрева, растворителей и смешивания с дизельным топливом.

Топливо для реактивных двигателей – керосин средней стадии перегонки, чьими важными качествами являются температура замерзания, температура вспышки и максимальная высота некоптящего пламени.

Топливо для коммерческих реактивных двигателей имеет диапазон кипения приблизительно от 191° C до 274° C, а топливо для военных реактивных двигателей от 55°C до 288°C.

Дистиллятные топлива.

Дизельные топлива и местные печные топлива – светлоокрашенные смеси парафинов, нафтенов и ароматсоединений и могут содержать умеренные количества олефинов. Дистиллятные топлива имеют температуры вспышки выше 60° C и диапазоны кипения приблизительно от 163° C до 371° C, и часто гидросульфурированы с целью повышения устойчивости.

Дистиллятные топлива являются горючими и при нагревании могут образовывать пары, которые могут формировать воспламеняющиеся в воздухе смеси. Желаемые качества, которые необходимы для дистиллятных топлив, включают контролируемые температуры вспышки и текучести, чистое горение, отсутствие образования отложений в резервуарах хранения, и хорошее цетановое число дизельного топлива для хорошего запуска и горения.

Остаточные топлива.

Многие морские суда, коммерческие и промышленные помещения используют остаточные топлива или комбинации остаточного топлива и дистиллятного топлива в качестве топлива для систем обогрева и при изготовлении продукции.

Остаточные топлива имеют темный цвет, являются высоковязкими, жидкими смесями больших углеводородных молекул с температурами вспышки выше 121° C , с высокими температурами кипения и сравнительно низкой температурой самовозгорания на воздухе, что создает его повышенную взрыво-пожароопасность. Важными характеристиками остаточных топлив являются вязкость и низкое содержание серы (с точки зрения контроля над окружающей средой).

Раздел 3. Октановое число.

Октановое число – условная количественная характеристика стойкости к детонации моторных топлив, применяемых в карбюраторных двигателях внутреннего сгорания. октановое число численно равно содержанию (в % по объёму) изооктана (октановое число которого принято за 100) в его смеси с Н-гептаном (октановое число равно 0), при котором эта смесь эквивалентна по детонационной стойкости исследуемому топливу при стандартных условиях испытания, чем больше октановое число, тем выше детонационная стойкость топлива.

Октановое число наиболее распространённых отечественных марок автобензином 76-93 (определены различными методами), авиабензинов 91-95.

В России автомобильные бензины обозначаются буквой “А” и цифрами, соответствующими октановому числу. Для высокооктановых бензинов оно определяется по исследовательскому методу, о чем свидетельствует буква “И” в обозначении.

За рубежом результаты измерения моторным методом обозначают как MON, а исследовательским — RON (в немецкоязычных странах ROZ). Методы отличаются только условиями проведения испытаний: в моторном температура и обороты выше, поэтому октановое число, определенное по этому методу, ниже, чем полученное по исследовательскому.

Например, по моторному методу ОЧ Аи-98 получилось бы равным 88. Прямой зависимости между результатами замеров по моторному и исследовательскому методам нет. В США и Канаде используется не октановое число, а октановый индекс – среднее арифметическое MON и RON, так что их 91-й на самом деле имеет то же ОЧ, что и наш Аи-95.

Существуют горючие жидкости с более высокими антидетонационными характеристиками, чем изооктан. Добавки таких жидкостей позволяют получить бензин с октановым числом более 100.

Для оценки октанового числа выше 100 создана условная шкала, в которой используют изооктан с добавлением различных количеств тетраэтилсвинца Pb (C2H5)4. Известно, что это вещество уже в очень малых концентрациях значительно повышает октановое число бензина. Зная, сколько тетраэтилсвинца надо добавить в бензин, чтобы повысить его октановое число на одну единицу, несложно приготовить из изооктана стандартные смеси с октановым числом 101, 102 и т.д.

Бензин, получаемый из нефти простой перегонкой (такой бензин называется прямогонным), имеет низкое октановое число – в пределах 41–56, поэтому сейчас такой бензин не используется.

Для повышения октанового числа используют более современные методы переработки нефти (термический и каталитический крекинг, риформинг). Термический крекинг (от английского cracking – расщепление) производят нагреванием нефти до 450–550 С о под давлением в несколько атмосфер. При этом молекулы тяжелых углеводородов, которых много в сырой нефти, расщепляются до более коротких, среди которых много непредельных. Первую в мире установку по крекингу жидкой нефти запатентовали российские инженеры В.Г.Шухов и С.Гаврилов. У бензина термического крекинга октановое число повышается до 65–70. В ходе каталитического крекинга процесс ведут в присутствии алюмосиликатного катализатора. У бензина каталитического крекинга октановое число повышается до 75–81. Риформинг (от английского reform – преобразовывать, улучшать) проводят в присутствии катализаторов, способствующих ароматизации насыщенных углеводородов и повышающих долю ароматических углеводородов с 10 до 60%.

Раньше в качестве катализаторов применяли оксиды молибдена и алюминия, сейчас используют катализаторы, содержащие платину (поэтому такой процесс называют платформингом). У бензина, получаемого путем каталитического риформинга, октановое число еще выше и равно 77–86.

Для повышения октанового числа в бензин вводят также так называемые высокооктановые компоненты. К ним относятся ароматические углеводороды с короткой разветвленной боковой цепью, например, кумол С6Н5СН(СН3)2. Другая добавка – так называемый алкилат (алкилбензин), смесь насыщенных углеводородов изостроения, получаемая алкилированием изобутана непредельными углеводородами – алкенами, в основном бутиленами. В результате образуется смесь изооктанов.

Таким образом, современный автомобильный бензин – это сложная смесь углеводородов, полученных в различных процессах переработки нефти, и специальных добавок.

Раздел 4. Бензин в современных автомобилях.

Почти все современные машины используют 4-тактовые двигатели. Один из тактов включает сжатие, когда поршень сжимает смесь воздуха и топлива в камере сгорания до того, как ее поджечь искрой свечи. Размер компрессии смеси называют коэффициентом сжатия двигателя. Бензиновый двигатель может иметь коэффициент сжатия 8 -1.

Октановое число топлива говорит о том, насколько его можно сжать до того момента, как оно самопроизвольно воспламенится. Когда бензиновая смесь воспламеняется из-за сжатия, а не при помощи искры, происходит детонация.

Детонация ведет к серьезным повреждениям двигателя, поэтому с ней надо бороться. Низкооктановый бензин (например, АИ-92) справляется с наименьшим коэффициентом сжатия до самовоспламенения.

Коэффициент сжатия двигателя определяет необходимое октановое число бензина. Один из путей увеличения мощности двигателя без изменения его объема – увеличение коэффициента сжатия. Преимущество двигателя с высоким октановым числом на одинаковый вес двигателя – его мощность. Недостаток – топливо стоит дороже.

Слово “октан” имеет такое происхождение: когда сырая нефть подвергается “крекингу” на НПЗ, получается множество углеводородных цепей CH различной длины. Цепи разной длины можно отделить друг от друга и тем самым получить различные виды топлива. Например, все слышали о метане, пропане и бутане. Это все гидрокарбонаты. У метана всего один атом углерода в молекуле. Молекула пропана состоит из трех атомов углерода в цепочке.

Бутан – цепочка из четырех атомов, пентан – из пяти, гексан – из шести, гептан – из семи и октан – из восьми.

Гептан очень плохо справляется с компрессией. Он немного сжимается и сразу воспламеняется. Октан отлично справляется с компрессией – его можно легко сжимать без воспламенения. Бензин АИ-98 на 92% состоит из октана и на 8% из гептана. Эта смесь самовоспламеняется только при определенном коэффициенте сжатия и может быть использована только в двигателях, которые не превышают этот уровень.

Во время первой мировой войны было обнаружено, что можно значительно увеличивать октановое число бензина добавлением тетроэтилового свинца (TEL). Это дало возможность использовать более дешевые сорта топлива с добавлением TEL. Появилось понятие “этиловый” или “свинцовый” бензин.

К сожалению, у такого топлива имеются следующие недостатки: свинец забивает катализатор и делает его непригодным для использования в течение нескольких минут.

Земля покрывается тонким слоем свинца, который токсичен для всего живого, включая человека. Когда свинец запретили, бензин сразу подорожал, потому что перерабатывающие заводы не могли больше наращивать октановое число дешевого топлива.

Сегодня только самолетам разрешается использовать свинец, так как авиадвигатели используют октановое число топлива свыше 100. В этом случае 100 – характеристика топлива, а не процент октана в топливе. Добавки TEL наращивают коэффициент сжатия топлива, но не добавляют октана.

Раздел 5. Методы повышения октанового числа.

Производить бензин с высокими показателями октанового числа можно двумя способами: сложным технологическим, что обусловливает высокую себестоимость получаемого продукта, и более простым и дешевым — путем добавления специальных добавок (антидетонаторов).

Так, из Аи-76 можно легко получить Аи-92, а из Аи-92 – Аи-95.

Давайте посмотрим, как это можно сделать.

Одним из наиболее широко используемых в настоящее время средств для увеличения уровня октанового числа считается метилтретбутиловый эфир (МТБЭ), представляющий собой бесцветную легковоспламеняющуюся жидкость со свойственным ей запахом. МТБЭ характеризуется высоким октановым числом и нетоксичностью. При добавлении 10-15% МТБЭ в состав бензина, рост октанового числа составляет порядка 6-12 единиц.

Большинство высокооктановых бензинов производится с применением этой или других аналогичных добавок эфирного класса. К недостатка МТБЭ можно отнести его высокую летучесть и возможность испарения из бензина в жаркую погоду.

В бензин также могут добавляться и спирты (метиловый и этиловый). К примеру, добавка в бензин Аи-92 10% этилового спирта позволяет повысить октановое число до 95 единиц, а также несколько снизить токсичность выхлопных газов.

Однако, использование спиртов приводит к значительному росту давления насыщенных паров, что может стать причиной образования паровых пробок в трубопроводах топливной системы. Помимо этого, проблемой является гигроскопичность (поглощение влаги из воздуха) и хорошая растворимость этилового спирта в воде, что требует разработки специальных мероприятий по условиям хранения данной смеси и периодического мониторинга содержания спиртового компонента.

Если этого не соблюдать, в составе бензина может появиться вода, что приведет к повышенному расходу топлива, неполному его сгоранию или, при значительном ее проценте, возникновению ледяных пробок в зимний период.

Тетраэтилсвинец (ТЭС) Рb(С2Н5)4 признан одним из самых эффективных антидетонаторов. Он представляет собой маслянистую бесцветную жидкость, с температурой кипения около 200°С. Использовать ТЭС в качестве антидетонатора начали еще в 1921 г, и по сегодняшний день он является одним из наиболее дешевых и эффективных средств (в концентрации 0,05% ТЭС позволяет повысить октановое число бензина на 15-17 пунктов).

В чистом виде тетраэтилсвинец не добавляется, так как при сгорании образовывается оксид свинца, который осаждается на клапанах, поршнях и т.д. в виде нагара. Для удаления из камеры сгорания оксидов свинца начали применять специальные “вещества-выносители” (бромистый этил, диромэтан, дибромпропан), который при сгорании образовывали со свинцом летучие соединения, легко удаляемые из камеры сгорания.

Смесь тетраэтилсвинца с “веществом-выносителем” и специальным красителем имела название этиловая жидкость, а бензин с данными компонентами — этилированным. Сегодня, производство этилированного бензина запрещено ввиду его высокой токсичности. Свинец способен накапливаться в организме, является ядом и вызывает рассеянный склероз.

Кроме того, этилированный бензин нельзя использовать в автомобилях, оборудованных каталитическими нейтрализаторами отработавших газов. Последние выводятся из строя при работе двигателя за несколько часов. В качестве антидетонаторов также применяются изопентан, изооктан, неогексан, бензол, толуол, ацетон и др.

Высокая детонационная способность — это очень большая скорость распространения фронта пламени, при которой образуются ударные волны. Чем выше октановое число, тем стабильнее, эффективнее и экономнее может быть обеспечена работа двигателя. Рост количества новых автомобилей, в которых используются двигатели, требующие высокооктановых топлив, вызвали увеличение выпуска бензинов с октановыми числами 92, 95 и выше, постепенно сокращая спрос на низкооктановые топлива.

Раздел 6. Принцип работы современного двигателя.

Для понимания принципов повышения мощности и эффективности двигателя внутреннего сгорания необходимо знать, что такое степень сжатия, компрессия и октановое число. Причем, не на уровне рассуждений, что 98-ой бензин более качественный чем 95-ый.

Нужно понимать, что октановое число само по себе не самоцель, а лишь один из факторов достижения наилучших эксплуатационных характеристик ДВС.

Прежде всего, давайте сразу внесем ясность и оговорим, что компрессия и степень сжатия — это совершенно разные вещи.

Степень сжатия — это отношение между максимальным объемом цилиндра и минимальным.

Или, другими словами, отношение полного объема цилиндра (то есть, объема цилиндра плюс объема камеры сгорания) к объему одной лишь камеры сгорания…

Поскольку это отношение, называемое степенью сжатия, грубо говоря, есть отношение объема, который занимает смесь при ее подаче в цилиндр, к объему, при котором смесь воспламеняется, то давление, при котором воспламеняется топливо, пропорционально этой величине. То есть чем больше степень сжатия, тем больше давление воспламеняемой смеси.

Для лучшего понимания стоит отметить, что поскольку давление зависит не только от степени сжатия, но и от, например, давления на фазе впуска, то давление воспламеняемой смеси может быть меньше у двигателя с большей степенью сжатия. Как? Например, у турбированных двигателей степень сжатия обычно меньше чем у атмосферных (почему так делают — станет понятно ниже), при этом, давление у них на всех фазах существенно выше, поскольку, уже на впуск смесь подается в сжатом состоянии (в чем, собственно, и состоит их природа).

Компрессия — это, кстати, давление в конце фазы сжатия. То есть, она почти равна тому самому давлению воспламеняемой смеси. Почему почти? Потому что, смесь воспламеняется всегда чуть позже или чуть раньше того момента, когда давление максимально.

Это «почти» определяется углом зажигания, о котором мы. Достаточно лишь отметить, что он также нужен для борьбы с детонацией, о которой ниже.

Возвращаясь к степени сжатия, посмотрим, почему же она нам важна в контексте эффективности и мощности двигателя. А, вот, почему. Работа в двигателе внутреннего сгорания совершается за счет расширения рабочего тела, в качестве которого в бензиновых двигателях выступает топливовоздушная смесь. Как в школе учили: горящая смесь расширяется, толкая при этом поршень, поступательное движение которого превращается во вращательное движение коленвала. Соответственно, при большей степени сжатия, ход поршня, в рамках которого смесь может реализовать свой энергетический потенциал, оказывается больше, а, следовательно, совершается больше полезной работы. На самом деле, это лишь один из факторов, все вместе же они определяют термический КПД — показатель эффективности расширения рабочего тела в момент сгорания. Для него даже формула есть:

Термический КПД = 1 – (1 / степень сжатия) ^ гамма – 1.

Где гамма — значения некоей дискретной функции, зависящей от температуры, давления и объема воспламеняемой смеси. Проще говоря, набор констант. Итак, мы видим, что чем больше степень сжатия, тем больше термический КПД. Также понятно, что это некоторое упрощение, поскольку, для получения его максимального значения нужно подбирать массу параметров, где степень сжатия лишь один из многих, хоть и важный. Как говорил владелец одного из автосервисов: «Не зря двигатели придумывают люди с двумя высшими образованиями». И, правда, не зря.

Разобрались: чем больше степень сжатия, тем лучше.

Так давайте, просто, избавимся от камеры сгорания, подняв степень сжатия до небес, и будет нам счастье. А счастья не будет, и вот почему.

Дело в том, что при повышении давления и температуры возникает два неприятных явления: детонация и преждевременное воспламенение. Для того, чтобы в полной мере их понять, нужно осознать один удивительный факт: топливная смесь в ДВС не взрывается — она горит.

Причем, та самая гамма, которую мы упоминали выше, зависит и от скорости горения и от формы фронта воспламенения и от температуры пламени. Скорость горения должна соответствовать скорости движения поршня. Фронт воспламенения должен быть однородным и распространяться ровно по ходу поступательного движения. Чем меньше температура горения, тем меньше потери на тепловыделение. Это все упрощенные заявления, но, общую суть явлений передают.

Вернемся к детонации и преждевременному воспламенению. Преждевременное воспламенение происходит, когда при увеличении давления в смеси она самопроизвольно воспламеняется. При этом, получается, что часть работы затрачивается не на то, чтобы толкать поршень, а на то, чтобы помешать завершить ему ход фазы сжатия, а та энергия расширения, которая еще останется (если останется), будет использована крайне неэффективно из-за нерасчетного профиля фронта горения.

Детонация — это еще более неприятный эффект, когда воспламененная смесь взрывается. То есть, после короткого момента, когда горение распространяется со скоростью, измеряемой десятками сантиметров в секунду, она, вдруг, увеличивается в несколько раз.

Происходит это под влиянием и температуры и давления, а сам эффект обеспечивается наличием определенного количества одного из продуктов горения. Эффекты от детонации: вместо фронта горения получаем ударную волну (в принципе то же самое, но только в разы больше скорость и температура), как следствие — резкое падение термического КПД и ударные нагрузки на поршневую группу. А теперь на секундочку представьте, что происходит, если детонация возникает не после поджога смеси свечой, а после самовоспламенения — все то же самое, но, только, против хода поршня.

Вот и получается, что степень сжатия можно увеличивать только до тех пор, пока не начнут проявляться описанные эффекты. И тут, мы приходим к следующему понятию — октановому числу. Оказывается, у разных видов топлива стойкость к преждевременному воспламенению и детонации различается (все вмести это называют детонационной стойкостью). Октановое число, как раз, и является показателем этой стойкости. Чем оно выше, тем выше и стойкость. Важно, при этом, отметить, что, в большинстве случаев, количество энергии, которую можно высвободить из литра топлива, от октанового числа не зависит.

Но, давайте от теоретических моментов, обратимся к вопросам практическим и рассмотрим описываемые явления через призму повседневности.

Первый распространенный вопрос: прогорят ли клапаны, если залить бензин с большим октановым числом?

Действительно, в некоторых случаях использование бензина с большим октановым числом может привести к прогоранию выпускных клапанов.

При этом, считается, что происходит это из-за большей температуры горения смеси с более высоким октановым числом. На самом деле, все наоборот.

Топливо с большим октановым числом обычно горит с меньшей температурой и медленнее. Из-за скорости горения ниже расчетной может получиться так, что на фазе выпуска через клапан вместо отработанных газов будет выпущена еще горящая смесь. Горящая смесь может оказаться и в выпускном коллекторе — тогда пострадает и он. На практике же, конструкция многих двигателей позволяет реализовать потенциал топлива с более высоким октановым числом без ущерба для ресурса.

В любом случае, если вы льете бензин, отличный от рекомендованного производителем, вы должны четко понимать физику работы именно вашего мотора — тому, что говорят в сервисе, верить можно далеко не всегда.

Вопрос номер два: почему при использовании бензина с большим октановым числом на свечах образуется нагар?

Первая причина является следствием того, что в России высокооктановые бензины получают исключительно методом добавления присадок. При этом, часто получается так, что для получения 95-ого бензина присадки используются менее качественные, чем для 98-ого. Так что, заправившись 95-ым после 92-ого можно получить более ровную работу мотора и нагар на свечах в одном флаконе.

Вторая причина — угол опережения зажигания. Если в вашем двигателе нет системы, которая автоматически регулирует угол зажигания, то, залив высокооктановое топливо можно опять же загадить свечи и потерять часть мощности.

Как упоминалось выше, высокооктановое топливо горит медленнее, а следовательно для правильного и полного сгорания смеси ее поджог должен осуществляться раньше.

Раздел 7. Горение.

Горение — сложный физико-химический процесс превращения компонентов горючей смеси в продукты сгорания с выделением теплового излучения, света и лучистой энергии.

Приближенно, можно описать природу горения как бурно идущее окисление.

Дозвуковое горение (дефлаграция), в отличие от взрыва и детонации, протекает с низкими скоростями и не связано с образованием ударной волны. К дозвуковому горению относят нормальное ламинарное и турбулентное распространения пламени, к сверхзвуковому — детонацию.

Горение подразделяется на тепловое и цепное.

В основе теплового горения лежит химическая реакция, способная протекать с прогрессирующим самоускорением вследствие накопления выделяющегося тепла. Цепное горение встречается в случаях некоторых газофазных реакций при низких давлениях.
Условия термического самоускорения могут быть обеспечены для всех реакций с достаточно большими тепловыми эффектами и энергиями активации.

Горение может начаться самопроизвольно в результате самовоспламенения либо быть инициированным зажиганием. При фиксированных внешних условиях непрерывное горение может протекать в стационарном режиме, когда основные характеристики процесса — скорость реакции, мощность тепловыделения, температура и состав продуктов — не изменяются во времени, либо в периодическом режиме, когда эти характеристики колеблются около своих средних значений. Вследствие сильной нелинейной зависимости скорости реакции от температуры, горение отличается высокой чувствительностью к внешним условиям. Это же свойство горения обусловливает существование нескольких стационарных режимов при одних и тех же условиях (гистерезисный эффект).

При адиабатическом сжигании горючей смеси могут быть рассчитаны количество выделившегося при горении тепла, температура ТГ, которая была бы достигнута при полном сгорании (адиабатическая температура горения) и состав продуктов, если известны состав исходной смеси и термодинамические функции исходной смеси и продуктов. Если состав продуктов заранее известен, ТГ может быть рассчитана из условия равенства внутренней энергии системы при постоянном объёме или её энтальпии при постоянном давлении в исходном и конечном состояниях с помощью соотношения: ТГ = Т0 + Qr/C, где Т0 — начальная температура смеси, С — средняя в интервале температур от Т0 до ТГ удельная теплоёмкость исходной смеси (с учетом её изменения при возможных фазовых переходах), Qr — удельная теплота сгорания смеси при температуре ТГ. При относительном содержании а0 в смеси компонентов, полностью расходуемых в реакции, QГ = Q*а0 где Q — тепловой эффект реакции горения. Значение ТГ при постоянном объёме больше, чем при постоянном давлении, поскольку в последнем случае часть внутренней энергии системы расходуется на работу расширения. На практике условия адиабатического горения обеспечиваются в тех случаях, когда реакция успевает завершиться прежде, чем станет существенным теплообмен между реакционным объёмом и окружающей средой, например в камерах сгорания крупных реактивных двигателей, в больших реакторах, при быстро распространяющихся волнах горения.

Термодинамический расчёт даёт лишь частичную информацию о процессе — равновесный состав и температуру продуктов. Полное описание горения, включающее также определение скорости процесса и критических условий при наличии тепло- и массообмена с окружающей средой, можно провести только в рамках макрокинетического подхода, рассматривающего химическую реакцию во взаимосвязи с процессами переноса энергии и вещества.

В случае заранее перемешанной смеси горючего и окислителя реакция горения может происходить во всём пространстве, занятом горючей смесью (объёмное горение), или в сравнительно узком слое, разделяющем исходную смесь и продукты и распространяющемся по горючей смеси в виде так называемой волны горения. В неперемешанных системах возможно диффузионное горение, при котором реакция локализуется в относительно тонкой зоне, отделяющей горючее от окислителя, и определяется скоростью диффузии реагентов в эту зону.

Описание процессов горения.

Важность процесса горения в технических устройствах способствовала созданию различных моделей, позволяющих с необходимой точностью его описывать. Так называемое нулевое приближение включает описание химических реакций, изменение температуры, давления и состава реагентов во времени без изменения их массы. Оно соответствует процессам, происходящим в закрытом объёме, в который была помещена горючая смесь и нагрета выше температуры воспламенения. Одно-, двух- и трёхмерные модели уже включает в себя перемещение реагентов в пространстве. Количество измерений соответствует количеству пространственных координат в модели. Режим горения бывает, как и газодинамическое течение: ламинарным или турбулентным. Одномерное описанное ламинарного горения позволяет получить аналитически важные выводы о фронте горения, которые затем используются в более сложных турбулентных моделях.

Объёмное горение.

Объемное горение происходит, например, в теплоизолированном реакторе идеального перемешивания, в который поступает при температуре Т0 исходная смесь с относительным содержанием горючего а0; при другой температуре горения реактор покидает смесь с иным относительным содержанием горючего а. При полном расходе G через реактор условия баланса энтальпии смеси и содержания горючего при стационарном режиме горения могут быть записаны уравнениями:
G(Qa0 + CT0) = G(Qa + CT)
Ga0 — Ga = w(a, T)V
где w(а, Т) — скорость реакции горения, V — объём реактора. Используя выражение для термодинамической температуры ТГ, можно из (1) получить:
а = а0(ТГ — Т)/(ТГ — Т0)
и записать (2) в виде:
q-T = q+T
где q-T = GC(T — Т0) — скорость отвода тепла из реактора с продуктами сгорания, q+T = Qw(a, Т)V — скорость выделения тепла при реакции. Для реакции n-ного порядка с энергией активации:

Диффузионное горение.

Характеризуется раздельным подачей в зону горения горючего и окислителя. Перемешивание компонентов происходит в зоне горения. Пример: горение водорода и кислорода в ракетном двигателе, горение газа в бытовой газовой плите.

Горение предварительно смешанной среды.

Как следует из названия, горение происходит в смеси, в которой одновременно присутствуют горючее и окислитель. Пример: горение в цилиндре двигателя внутреннего сгорания бензиново-воздушной смеси после инициализации процесса свечой зажигания.

Раздел 8. Подведение итогов.

Объяснение принципов воздействия и работы состава.

Как мы видим, из приведенных выше материалов, основным камнем преткновения в современном производстве нефтепродуктов является наличие в нефти парафинов и серы, с которыми ведется напряженная и очень дорогостоящая борьба.

Рассмотрим парафин, как составляющую нефти и его воздействие на процессы горения (окисления).

Парафин — воскоподобное вещество, смесь предельных углеводородов (алканов) состава от С18Н38 до С35Н72.

Название происходит от лат. parum — «мало» и affinis — «сродный» из-за его низкой восприимчивости к большинству реагентов.

tпл 40-65 °C; плотность 0,880-0,915 г/см? (15 °C). Получают главным образом из нефти.

Свойства.

Парафины представляют собой смесь твёрдых углеводородов метанового ряда преимущественно нормального строения с 18-35 атомами углерода в молекуле и температурой плавления 45-65 °C. В парафинах обычно содержится некоторое количество изопарафиновых углеводородов, а также углеводородов с ароматическим или нафтеновым ядром в молекуле.

Парафин — вещество белого цвета кристаллического строения с молекулярной массой 300-450, в расплавленном состоянии обладает малой вязкостью. Величина и форма кристаллов парафина зависят от условий его выделения: из нефти парафин выделяется в виде мелких тонких кристаллов, а из нефтяных дистиллятов и дистиллятных рафинатов селективной очистки — в виде крупных кристаллов. При быстром охлаждении, выделяемые кристаллы мельче, чем при медленном.

Парафины инертны к большинству химических реагентов. Они окисляются азотной кислотой, кислородом воздуха (при 140 °C) и некоторыми другими окислителями с образованием различных жирных кислот, аналогичных жирным кислотам, содержащимся в жирах растительного и животного происхождения. Синтетические жирные кислоты, получаемые окислением парафина, применяют вместо жиров растительного и животного происхождения в парфюмерной промышленности, при производстве смазок, моющих средств и других продуктов.

В зависимости от фракционного состава, температуры плавления и кристаллической структуры парафины разделяют на жидкие (tпл ? 27 °C), твердые (tпл = 28 — 70 °C) и микрокристаллические (tпл >60—80 °C) — церезины. При одинаковой температуре топ. церезины отличаются от парафинов большей молекулярной массой, густотой и вязкостью. Церезины энергично реагируют с дымящей серной кислотой, с соляной кислотой, в то время как парафины реагируют с ними слабо. При перегонке нефти церезины концентрируются в осадке, а парафин перегоняется с дистиллятом.

Для парафина характерна пластинчатая или ленточная структура кристаллов. Жидкие парафины выделяют из дизельных фракций депарафинизацей с использованием избирательных растворителей (смесь ацетона, бензола и толуола), карбамидной депарафинизации (в производстве низко застывающего дизельного топлива) и адсорбции на молекулярных ситах (выделение жидких парафинов С10-С18 с помощью пористого синтетического цеолита).

Входя в состав конечных продуктов нефтепереработки парафины, образуют кластеры, по своим размерам в сотни раз превышающие остальные частицы топлива.
Именно из-за их громадных размеров и не удается достигнуть равномерного сгорания топлива. Именно они и приводят к очаговым образованиям детонации топлива. И именно на них направлено острие борьбы за повышение детонационной стойкости (октанового числа) бензина.

Вывод, который мы сделали много лет тому назад – один.

Разрушение кластеров парафина, до однородности размеров топлива, единственный способ избежать детонации.

Взаимосвязь однородности топлива и его детонационной стойкости очевидна.
Традиционная наука и современные технологии утвердились в том, что парафин необходимо извлекать из продуктов нефтепереработки.

Однако, в нефти и в продуктах ее переработки заложены определенные качественные константы теплотворности.

Убирая парафины, мы автоматически снижаем теплотворность нефтепродуктов. И соответственно снижаем КПД.

Нашей целью было создать состав, позволяющий вовлечь парафин в процессы горения, но при этом избежать образования очагов детонации.

Вторым веществом, содержащимся в нефти и нефтепродуктах, влияющим на процессы горения, является сера.

Высокосернистые российские нефти требуют громадных затрат по обессериванию нефти.

Однако, и этот камень преткновения нам удалось преодолеть.

Вовлечение серы в процессы горения – результат нашей разработки.

Вводимый в нефтепродукты состав в течение 6-8 часов ночного времени суток обеспечивает трансформацию достаточно неоднородного состава нефтепродукта в однородный коллоидный раствор.

При неизменяемых химических показателях исходного сырья мы получаем прирост теплотворности по отношению к исходному сырью на 25-30%.

Данный факт в безусловном порядке свидетельствует о более равномерном распределении парафинов и серы в объемах нефтепродуктов.

Длительные тестовые испытания автомобилей на низкосортном топливе с применением нашего состава показали ряд преимуществ, по отношению к аналогам, как то:

• камеры сгорания двигателя абсолютно чисты;
• износ цилиндропоршневой группы практически отсутствует;
• седла клапанов, резиновые сальники, днища поршня, свечи – находятся в рабочем состоянии.

Надо учитывать тот факт, что автомобиль использовал топливо марки А-76. И на таком бензине он проехал 100000 км. Марка автомобиля ВАЗ 210114.

Регулярные замеры выбросов CO и CH показали полное отсутствие в выхлопных газах вредных веществ.

Второй вывод, который мы формулируем в рамках данного материала: состав, введенный в топливо, позволяет интенсифицировать процессы горения (окисления), доведя полноту сгорания до 99%.

Прирост теплоты сгорания мы объясняем вовлечением в процессы сгорания парафинов и серы.

Процессы, протекающие в топливе после введения препарата, можно объяснить тем, что атомы кислорода находят свободные связи в длинных парафиновых цепях, дробят их и присоединяются к углероду, окисляя его.

Именно это не позволяет так же образовываться серным и сернистым соединениям после сгорания топлива в цилиндрах двигателя.