книги / Технология глубокой переработки нефти и газа
..pdfДля обеспечения равномерной работы ДВС в одном блоке распо лагают несколько цилиндров, поршни которых через шатуны при водят во вращение коленчатый вал. Сгорание и рабочие циклы в цилиндрах происходят поочередно, что обеспечивает стабильную и равномерную работу двигателя.
Впоследние шды за рубежом и в России начали выпускать но вые модели легковых автомобилей, оснащенных с бескарбюраторными двигателями с электронным впуском топлива (16-клапанные). Главное их достоинство - большая по сравнению с карбюраторными двигателями топливная экономичность, обусловленная за счет рав номерного распределения впуска топлива в камеры сгорания, и мень шая вероятность детонационного сгорания благодаря меньшему вре мени контакта топлива с воздухом.
Двигатели с самовоспламенением (дизели4). Особенностью рабо чего цикла дизельных двигателей является самовоспламенение го рючей смеси без какого-либо внешнего источника воспламенения. Процесс образования горючей смеси в дизелях происходит внутри цилиндра (карбюратор и свечи отсутствуют).
Вотличие от карбюраторного двигателя в такте впуска в цилиндр поступает не горючая смесь, а только воздух. Воздух затем подвер гается сильному сжатию (е= 16-20) и нагревается до 500 - 600°С. В конце такта сжатия в цилиндр под большим давлением впрыскива ется топливо через форсунку. При этом топливо мелко распилива ется, нагревается, испаряется и перемешивается с воздухом, обра зуя горючую смесь, которая при высокой температуре самовоспла меняется. Все остальные стадии рабочего цикла происходят так же, как и в карбюраторном двигателе. Более высокая степень сжатия в дизеле обеспечивает более высокий коэффициент полезного действия двигателя. Однако высокое давление требует применения более проч ных толстостенных деталей, что повышает материалоемкость (мас су) дизеля.
Двигатели с непрерывным сгоранием топлива. Основной элемент таких двигателей - камера сгорания постоянного объема. В нее не прерывно подаются горючее и окислитель. Газовый поток продук тов сгорания за счет высокой температуры приобретает большую кинетическую энергию, которая преобразуется в так называемую реактивную силу тяги двигателя или энергию вращения ротора га зовой турбины. Реактивная сила тяги, возникающая при истечении
газов из сопла, не зависит от скорости движения реактивной уста
121
новки и от плотности окружающей среды, как у винтовых транспорт ных средств, и может обеспечивать движение летательных аппара тов в безвоздушном межпланетном пространстве. Эта особенность реактивного движения легла в основу создания ракет. Подавляющее большинство современных самолетов оборудовано воздушно-реак тивными двигателями (ВРД). Обычно в ВРД между камерой сгора ния и реактивным соплом устанавливают газовую турбину. Часть кинетической энергии газового потока преобразуется во вращатель ное движение турбины. На одном валу с турбиной обычно устанав ливают компрессор, который сжимает воздух и подает его в камеру сгорания, а также генератор, масляный и топливный насосы и т.д. После турбины продукты сгорания поступают в реактивное сопло, где основная часть кинетической энергии газов преобразуется в ре активную силу тяги. Подобные двигатели называют турбо-компрес сорными воздушно-реактивными двигателями (ТКВРД). Они полу чили широкое распространение в современной авиации. ТКВРД от носятся к двигателям с непрерывно-протекающим рабочим процес сом. Топливо подается в камеру сгорания непрерывно, и процесс го рения протекает постоянно. Внешнее зажигание необходимо только в начальный момент пуска двигателя.
Поскольку при сгорании топлива в камере развивается высокая температура (1500-1800°С), а материалы камеры, лопаток газовой турбины и реактивного сопла не выдерживают столь высоких темпе ратур, горячие газы разбавляют вторичным воздухом непосредствен но после зоны горения топлива. При смешении газового потока с вторичным воздухом температура смеси снижается до 850 - 900°С. В зоне горения топлива необходимо создавать условия для обеспече ния стабильности процесса горения без срывов пламени. Скорость распространения фронта пламени составляет около 40 м/с. Для сни жения скорости газовоздушного потока до величин менее скорости распространения фронта пламени в камерах сгорания устанавлива ют различные завихрители, стабилизаторы, обтекатели, экраны и т.д. Эти устройства, кроме того, повышают турбулентность движе ния горючей смеси и тем самым увеличивают скорость ее сгорания.
Газотурбинные двигатели <ТТЯ 1по принципу работы почти ана логичны ТКВРД, в них отсутствует только реактивное сопло. В ГТД вся кинетическая энергия продуктов сгорания топлива преобразуется полностью во вращательное движение вала газовой турбины и соот ветственно либо в механическую, либо электрическую.
122
4.3. Химмотологические требования и марки моторных топлив
4.3.1. Автомобильные и авиационные бензины
Детонационная стойкость является основным показателем ка чества авиа- и автобензинов, она характеризует способность бензина сгорать в ДВС с воспламенением от искры без детонации. Детонаци ей называется особый ненормальный режим сгорания карбюраторно го топлива в двигателе, при этом только часть рабочей смеси после воспламенения от искры сгорает нормально с обычной скоростью. Последняя порция несгоревшей рабочей смеси, находящаяся перед фронтом пламени, мгновенно самовоспламеняется, в результате ско рость распространения пламени возрастает до 1500 - 2000 м/с, а дав ление нарастает не плавно, а резкими скачками. Этот резкий перепад давления создает ударную детонационную волну, распрос траняющуюся со сверхзвуковой скоростью. Удар такой волны о стен ки цилиндра и ее многократное отражение от них приводит к вибра ции и вызывает характерный звонкий металлический стук высоких тонов. При детонационном сгорании двигатель перегревается, появ ляются повышенные износы цилиндро-поршневой группы, увеличи вается дымность отработавших газов. При длительной работе на ре жиме интенсивной детонации возможны и аварийные последствия. Особенно опасна детонация в авиационных двигателях. На характер сгорания бензина и вероятность возникновения детонации в карбю раторных двигателях оказывают влияние как конструктивные особен ности двигателя (степень сжатия, диаметр цилиндра, форма камеры сгорания, расположение свечей, материал, из которого изготовлены поршни, цилиндры и головка блока цилиндра, число оборотов колен чатого вала, угол опережения зажигания, коэффициент избытка и влажность воздуха, нагарообразование, тепловой режим в блоке ци линдров и др.), так и качество применяемого топлива.
Температурный режим горения топливо-воздушной смеси в ра бочем такте ДВС можно вычислить из уравнений:
dT/dx |
и W=upq, |
где Т и Тад - текущая и адиабатическая температуры процесса горения, К;
123
w - скорость тепловыделения (кДж/с); и - скорость сгорания топлива (м3/с); q - теплота сгорания (кДж/кг);
р - плотность топлива (кг/м3) Т- время горения (с)
Отсюда можно сформулировать следующий принцип оптимиза ции конструктивных и эксплуатационных параметров карбюратор ного двигателя: наиболее благоприятны для бездетонационного го рения такие значения параметров, которые обеспечивают минималь ное время сгорания, низкие температуры и наилучшие условия го могенизации рабочей смеси в камере сгорания. Из этого принципа следует, что при конструировании карбюраторных двигателей сле дует стремиться к уменьшению диаметра цилиндров, увеличению их числа и числа оборотов коленчатого вала, к обеспечению интен сивного теплообмена в системе охлаждения, использовать для изго товления блока цилиндров металлы с высокой теплопроводностью, например, алюминий; следует отдать предпочтение таким формам камеры сгорания, которые обеспечивают наилучшие условия для пе ремешивания и одновременно отвода тепла рабочей смеси и т.д. С повышением степени сжатия уменьшается время сгорания рабочей смеси и существенно улучшаются технико-экономические показа тели двигателя, однако при этом в результате повышения темпера туры в камере сгорания возрастает вероятность возникновения де тонации, а также неконтролируемого самовоспламенения топлива.
Вероятность возникновения детонации при работе на данном двигателе существенно зависит и от химического состава применяе мого автобензина: наиболее стойки к детонации ароматические и изопарафиновые углеводороды и склонны к детонации нормальные парафиновые углеводороды бензина, которые легко окисляются кис лородом воздуха.
Причины возникновения и механизм детонационного сгорания углеводородного топлива в бензиновом двигателе до сего времени полностью не выяснены. Из предложенных гипотез, объясняющих сущность детонационного сгорания, наиболее общепризнанной до настоящего времени являлась так называемая перекисная теория ака демика А.Н. Баха. Согласно этой теории, предложенной в 30-х гг. XX в., т.е. до разработки радикально-цепной теории Н.Н. Семено
124
вым, первой стадией процесса горения органических веществ явля ется прямое присоединение молекулы кислорода к молекуле окис ляемого вещества с образованием «мольоксида»
м+о2->м
с дальнейшей его изомеризацией в гидроперекись ROOH. Перекиси относятся к разряду весьма нестойких соединений, которые при вы соких термобарических условиях могут самопроизвольно разлагаться и стать причиной возникновения детонации.
Теоретическим обоснованием гипотезы Баха по радикально-цеп ной теории Семенова являлся следующий механизм окисления уг леводородов:
1. R+O 2-»ROO,
2.ROO+R.H -> ROOH+R,,
3.ROOH-» R6+6H,
т.е. образование из одного радикала R трех - Rlf RO и ОН, что и вы зывает самоускорение процесса горения.
Однако теория Баха-Семенова не объясняет влияние молекуляр ного строения углеводородов на их детонационную стойкость (ДС) и не дает ответа на вопрос: почему изоалканы, цикланы, арены, эфи ры и спирты более стойки к детонации, чем я-алканы.
На основании кинетических исследований Р.З. Магарилом с со трудниками* установлено, что в высокотемпературных условиях ДВС гидроперекиси практически не могут образоваться. Ими пред ложена так называемая альдегидная теория детонационного горе ния по следующему механизму:
1.R+Oj -> ROO,
2.ROO -> R O +R C !^,
3.ROO -» RjO+R'COR".
♦Магарил E.P., Корзун H.B., Магарил Р.З., Чупаева Н.В. Химия детонационного горения в бензиновых двигателях внутреннего сгорания // Известия вузов. Нефть н газ. №5. 2001.
125
Из этой теории следует, что при высоких термобарических усло виях бензинового двигателя пероксидные радикалы распадаются с образованием:
-альдегидов, характеризующихся низкой ДС, если это радика лы со вторичным углеродным атомом RBTOO;
-кетонов с высокой ДС, если это пероксидный радикал с тре тичным углеродным атомом R ^ O O .
Оценка детонационной стойкости бензинов проводится на стан дартном одноцилиндровом двигателе с переменной степенью сжа тия (УИТ-65). Определение ДС сводится к подбору смеси эталон ных углеводородов, которая при данной степени сжатия стандарт ного двигателя сгорает с такой же интенсивностью детонации, как и испытуемый бензин. В качестве эталонных углеводородов приняты изооктан (2,2,4-триметилпентан) и н-гептан, а за меру ДС принято октановое число (ОЧ). 0 4 изооктана принято равным 100, а гептана - нулю.
Октановое число бензинов - показатель ДС, численно равный процентному содержанию изооктана в эталонной смеси с н-гепта- ном, которая по детонационной стойкости эквивалентна испытуе мому бензину в условиях стандартного одноцилиндрового двигате ля. 0 4 бензинов выше 100 единиц определяют сравнением их ДС с изооктаном, в который добавлена антидетонационная присадка - тетраэтилсвинец (ТЭС). Определение 0 4 на установке УИТ-65 ве дут при двух режимах: в жестком режиме с частотой вращения ко ленчатого вала двигателя 900 об/мин (метод принято называть мо торным) и в мягком режиме с частотой вращения коленчатого вала двигателя 600 об/мин (исследовательский метод). Октановое число бензина, найденное по исследовательскому методу (04И М ), как пра вило, выше 0 4 , определенного моторным методом (04М М ). Разни цу между 04И М и 04М М называют «чувствительностью». После дняя зависит от химического состава бензина: наибольшая у алкенов, несколько меньше у аренов, затем идут нафтеновые и самая низкая чувствительность у алканов.
Втабл. 4.1 приведены анти детонационные свойства индиви дуальных углеводородов и компонентов бензинов, полученных раз личными процессами переработки нефти и нефтяных фракций. Из анализа этой таблицы можно заметить следующие основные зако номерности влияния химического строения углеводородов и бензи новых компонентов на их детонационные свойства:
126
Таблица 4.1
Антидетонационные свойства углеводородов и компонентов бензинов
Углеводороды и компоненты бензинов |
ОЧММ |
очим |
тельностьЧувстви |
||
|
этан |
104 |
107,1 |
3,1 |
|
|
пропан |
100 |
105,7 |
5,7 |
|
|
н-бутан |
90,1 |
93,6 |
3.5 |
|
|
изобутан |
99 |
102 |
3 |
|
Алканы |
н-пентан |
61,9 |
61,9 |
0 |
|
|
изопентан |
90,3 |
92,3 |
2 |
|
|
н-гексан |
23 |
25 |
2 |
|
|
н-октан |
-17 |
-19 |
-2 |
|
|
изооктан |
100 |
100 |
0 |
|
|
пропилен |
84,9 |
101,4 |
16,5 |
|
Алкены |
бутен-2 |
86,5 |
99,6 |
13,1 |
|
пентен-1 |
77,1 |
90,9 |
13,8 |
||
|
|||||
|
гексен-1 |
63,4 |
76,4 |
13 |
|
|
циклопентан |
85 |
100 |
15 |
|
|
циклогексан |
78,6 |
83 |
4,4 |
|
Цикланы |
метилциклогексан |
71 |
74,8 |
3,8 |
|
|
этилциклогексан |
40,8 |
46,5 |
5,7 |
|
|
4, 2-диметилциклогексан |
78,5 |
80,9 |
2,4 |
|
|
бензол |
108 |
ИЗ |
5 |
|
Арены |
толуол |
102,1 |
115 |
12,9 |
|
ксилолы |
>100 |
136+144 |
36+40 |
||
|
|||||
|
изопропилбензол |
99,3 |
108 |
8 |
|
Газовый бензин (33-103 °С) |
86 |
89 |
3 |
||
Алкилат |
|
90 |
92 |
2 |
|
Изомеризат |
|
79+85 |
81+7 |
2+4 |
|
Бензин термокрекинга мазута |
64,2 |
71,2 |
7 |
||
Бензин замедленного коксования гудрона |
62,4 |
68,2 |
5,8 |
||
Бензин каталитического крекинга |
74,9 |
82,6 |
7,7 |
||
Бензин гидрокрекинга |
71 |
75 |
4 |
||
Бензин платформинга жесткого режима |
86 |
96,6 |
10.6 |
||
Бензин платформинга мягкого режима |
77 |
83,6 |
6,7 |
127
1.Наименьшей детонационной стойкостью обладают алканы нормального строения, наивысшей - ароматические углеводороды. ДС цикланов выше, чем у алканов, но ниже, чем у аренов с тем же числом атомов углерода в молекуле.
2.ДС у алканов нормального строения резко снижается с увели чением их молекулярной массы.
3.ДС изопарафинов значительно выше, чем у алканов нор мального строения. Увеличение степени разветвленности молеку лы, компактное и симметричное расположение метальных групп и приближение их к центру молекулы способствует повышению ДС изопарафинов.
4.Олефиновые углеводороды обладают более высокой ДС по сравнению с алканами с тем же числом атомов углерода. Влияние строения алкенов на их ДС подчиняется тем же закономерностям, что и у алканов. Повышению ДС алкена способствует расположе ние двойной связи в его молекуле ближе к центру. Среди диолефи нов более высокие ДС имеют углеводороды с сопряженным располо жением двойных связей.
5.Наличие и удлинение боковых цепей нормального строения у цикланов приводит к снижению их ДС. Разветвление боковых це пей и увеличение их числа повышают ДС нафтенов.
6.ДС аренов, в отличие от других классов углеводородов, не по нижается, а наоборот, несколько повышается с увеличением числа углеродных атомов. Их ДС улучшается при уменьшении степени разветвленности и симметричности ее расположения, а также нали
чии двойных связей в алкильных группах.
Лучшими компонентами высокооктановых авиа- и автобензинов являются изопарафины и до определенного предела - ароматические углеводороды (чрезмерно высокое содержание аренов приводит к ухудшению других показателей качества бензинов, таких, как ток сичность, нагарообразование и др.).
Оценку ДС авиационных бензинов проводят на бедной и бога той смесях в условиях наддува. Их ДС обозначают дробью: числи те л ь - ОЧИМ на бедной смеси, а знаменатель-сортность на богатой смеси в условиях наддува. Сортностью авиабензина называют воз можное увеличение мощности (выраженное в процентах) двигателя при работе на испытуемом топливе за счет увеличения наддува по сравнению с мощностью, получаемой на эталонном изооктане, сорт ность которого принимается за 100 единиц.
128
Наиболее эффективным и дешевым, но экологически не выгод ным способом повышения ДС товарных бензинов является введение антидетонационных присадок - антидетонаторов. Они обладают спо собностью при добавлении в бензин в небольшой концентрации рез ко повышать его ДС. В качестве такой присадки во всех странах мира более полувека применяют алкилсвинцовые антидетонаторы, пре имущественно тетраэтилсвинец (ТЭС), а также тетраметилсвинец (ТМС) и некоторые соединения марганца. При 200°С ТЭС разлага ется с выделением свинца, который затем окисляется до диоксида свинца, разрушающего пероксиды и тем самым предотвращающего детонацию:
Pb(C2HB)n-»Pb+4C2Hs,
рь+о2-»рьо2,
RCH200H+Pb02—>RCHO+PbO+H2O+0,5O2.
Вчистом виде ТЭС (и ТМС) применять нельзя, так как оксид свинца отлагается на холодных деталях двигателя (клапанах,, све чах и стенках цилиндра) в виде твердого нагара. Для их удаления к ТЭС добавляют так называемые выносители свинца - различные галогеналкилы. В присутствии выносителя образуются более лету чие соединения свинца с низкой температурой плавления.
Смесь свинцового антидетонатора, выносителя и красящего ве щества называют этиловой жидкостью. Этиловая жидкость и эти лированные бензины сильно ядовиты. При обращении с ними необ ходимо соблюдать специальные меры предосторожности.
Бензины различного химического состава по-разному относятся
кдобавке ТЭС, т.е. обладают различной приемистостью к ТЭС. Наи большая приемистость к ТЭС у алканов нормального строения, наи меньшая - у алкенов и аренов (т.е. приемистость к ТЭС обратно про порциональна ДС бензина). Эффективность действия ТЭС снижа ется с повышением их концентрации, поскольку первые порции вы зывают большее повышение ДС, чем последующие. Содержание алкилсвинцовых антидетонаторов в автобензинах допускалось до 0,5 г/кг, а в авиабензинах - до 3,1 г/кг.
Впоследние годы в целях охраны чистоты окружающей среды в большинстве стран мира наметилась тенденция либо к полному зап рещению применения ТЭС, особенно в крупных и курортных горо дах, либо к ограничению его содержания в автобензинах.
5 — 1908 |
129 |
Распределение ДС по фракциям. В последние годы появилось новое требование к ДС бензинов - равномерное распределение ок тановых чисел по фракциям. Обычно ОЧ низкокипящей фракции ниже, чем ОЧ бензина в целом (например, у бензина каталитичес кого риформинга). При резком разгоне двигателя (резкое открытие дроссельной заслонки карбюратора) рабочая смесь обогащается легкоиспаряющимися низкооктановыми фракциями, и появляется боль шая вероятность детонации.
За рубежом широко распространена методика, заключающаяся в отгоне фракции бензина, выкипающей до 100°С (головная фрак ция), и определение ее ОЧ.
В нашей стране в качестве межведомственного испытания при нят следующий метод оценки распределения ДС бензина по фрак циям: в лабораторных условиях бензин разгоняют (в колбе емкос тью 1 л без дефлегматора) на две фракции: низкокипящую до 100°С и высококипящую выше 100°С. Для этих фракций определяют ОЧИМ (0 Ч НКи 0 Ч ВК). Затем вычисляют коэффициент распределе ния ДС по фракциям:
К рдс=ОЧнк/ОЧ„.
Чем ближе Крдс к 1, тем равномернее распределение ДС по фрак циям бензинов. При Крдс<1 фактическое дорожное ОЧ (ДОЧ) ниже ОЧИМ. Определение величины Крдс в первую очередь необходимо для высокооктанового бензина (типа АИ-93), получаемого, как пра вило, на базе компонента каталитического риформинга и отличаю щегося высоким содержанием высокооктановых ароматических уг леводородов, выкипающих при температурах выше 100°С.
Ниже приведены оценки Крдс некоторых компонентов и товар ных отечественных автобензинов различных НПЗ:
Б ензин "Экст ра" |
0,96 |
Б ензин АИ-93 |
|
неэт илированны й |
0.S8 |
эт илированны й |
0.79 |
Б ензин А-76 |
|
неэт илированны й |
ом- |
эт илированны й |
Б ензин прямой гонки |
1.36 |
Б ензин т ермического крекинга |
1.11 |
Б ензин кат алит ического |
0.78 |
крекинга |
|
Б ензин кат алит ического риф ор |
0i60 |
м инга ж есткого реж има |
|
130