Глава 1. Производство топлив и смазочных материалов

Продукты, получаемые при переработке исходного сырья, являются полуфабрикатами {компонентами) топлив и смазочных материалов (ТиС), После очистки и смешения (компаундирования) полуфабрикатов получают базовые ТиС. Непосредственно используемые в ДВС топлива и смазочные материалы — товарные ТиС — получают после введения в базовые ТиС веществ, улучшающих их или придающих им новые эксплуатационные свойства — добавок и

присадок.

Как правило, в современные топлива, и особенно в моторные масла, вводят композиции из нескольких добавок и присадок различного состава и назначения. При составлении композиций учитывают взаимное влияние присадок, которое может либо усилить их положительный эффект (синергизм присадок), либо ослабить его {антагонизм присадок). Многие виды присадок одновременно обладают несколькими полезными свойствами. Такие присадки называют многофункциональными.

В зависимости от используемого сырья все ТиС делят на нефтяные, получаемые из природной нефти, и ненефтяные, в производстве которых либо вообще не используется природная нефть, либо применяют отдельные продукты, получаемые из нефтяных углеводородов после их химической переработки. Ненефтяные топлива на ывают альтернативными топливами, ненефтяные масла синтетическими маслами.

Основным видом сырья, используемого для изготовления современных ТиС, является природная нефть.

§ 1.1. Свойства и состав нефти

Месторождения нефти располагаются в недрах Земли на глубинах свыше 1,5 км (встречаются и менее глубокие месторождения, вплоть до поверхностных выходов) в куполообразных складках земной коры, где сверху располагаются углеводородные газы (нефтяной газ), затем нефтяной пласт, а внизу вода. Нефтяной пласт состоит из частиц пористых пород (песков, известняков и пр.), пустоты между которыми заполнены жидкой нефтью.

Природная нефть представляет собой маслянистую, практически нерастворимую в воде жидкость, обладающую резким характерным запахом. Обычный цвет нефти темно-бурый с зеленоватым отливом,

но встречаются почти бесцветные (светлые) и почти черные нефти. С физико-химической точки зрения нефть является природной

многокомпонентной органической жидкостью, состоящей из большого количества (свыше 800) индивидуальных химических соединений, наибольшую часть из которых составляют углеводородные соединения (углеводороды) с различным составом и молярной массой. В углеводородах нефти (как и в большинстве других органических веществ) внутримолекулярные связи носят ярко выраженный ковалентный характер, что обусловливает их общие характерные свойства: ЭТИ вещества не являются электролитами, не диссоциируют в растворах на ионы и сравнительно медленно взаимодействуют друг с другом.

У углеводородов, входящих в состав нефти, с увеличением количества атомов углерода в молекуле возрастают молярная масса, плотность, вязкость, температуры плавления и кипения (рис. 1.1). Углеводороды, содержащие от 1 до 5 атомов углерода, при нормальных условиях являются газами. Жидкие углеводороды, содержащие в молекуле от 5 до 20 атомов углерода, входят в состав бензина и дизельного топлива. В состав моторных масел входят углеводороды с числом атомов углерода в молекуле приблизительно от 20 до 70.

В нефти имеются гетероорганические соединения серы, кислорода, азота, некоторых металлов, а также вода и растворенные в ней соли. Эти соединения принято относить к примесям. Основная часть примесей концентрируется в тяжелых частях нефти.

Плотность нефтей различных месторождений лежит в диапазоне 770 — 840 кг/м^3 . Кинематическая вязкость 35 — 70 мм^2 /с. Встреча­ются более тяжелые нефти, у которых плотность достигает 1040 кг/м . Высшая теплота сгорания нефти 43 000—45 5000 кДж/кг.

Принято различать элементный, групповой и фракционный составы нефти.

Элементный состав определяет, какие химические элементы и в каком соотношении содержатся в нефти. Основные элементы, входящие в состав нефти,— углерод (84—87%) и водород (12—15%); могут присутствовать сера, азот, кислород и некоторые другие элементы, в том числе и металлы, в частности ванадий, серебро, медь, никель. Например, в каждой тонне нефти месторождения Бокан (Венесуэла) содержится 120 г ванадия и 150 г никеля, в нефти Саматлорского месторождения помимо ванадия и никеля содержатся золото, хром и марганец. В нефти некоторых месторождений концентрация металлов настолько высока, что делает рациональным их промышленное получение.

Групповой состав определяется классами входящих в нефть углеводородов, из которых основными являются: алканы (синонимы: нафтеновые, полиметиленовые) и ароматические (бензольные, арены).

Физико-химические свойства углеводородов в каждом классе определяются структурой молекул и их молярной массой. В нефтях различных месторождений количественное соотношение между отдельными классами углеводородов может значительно изменяться.

Рис. 1.1. Зависимость среднеобъемной температуры кипения tср о и

относительной плотности d предельных углеводородов от их молярной

массы М

В зависимости от содержания в нефти трех основных классов углеводородов — метановых, нафтеновых и ароматических — различают метановые, метанонафтеновые, нафтеновые, нафтеноароматические и ароматические нефти.

Фракционный состав нефти определяется при ее разделении по температурам кипении входящих соединений. При этом выделяют отдельные фракции нефти. Фракцией называют часть жидкости, выкипающую в определенном диапазоне температур. При одной и той же температуре могут выкипать углеводороды, различным составом. Следовательно, в одну и ту же фракцию могут входить углеводороды разных классов.

Примеси. Наибольшее влияние на качество ТиС оказывают присутствующие в нефти в виде примесей сернистые и кислородные соединения, объединяемые под общим названием «гетероорганические соединения». Эти соединения имеют относительно большую молярную массу и соответственно выкипают при более высоких температурах, т.е. с увеличением температуры перегонки фракции содержание гетероорганических соединений в ней возрастает. Присутствие этих веществ оказывает многостороннее влияние на эксплуатационные характеристики двигателей и в первую очередь на их коррозионный износ.

Наличие сернистых соединений в ТиС ухудшает их эксплуатационные показатели —снижает топливную экономичность, мощность и долговечность двигателя, повышает токсичность отработавших газов и их вредное воздействие на окружающую среду. В зависимости от характера коррозионного воздействия на элементы двигателя принято сернистые соединения, входящие в состав нефти, разделять на активные и неактивные. К активной группе относят серу, сероводород и меркаптаны. Находясь в составе жидких нефтепродуктов, эти вещества обладают повышенной коррозионной агрессивностью по отношению к конструкционным материалам. К неактивной группе относят сульфиды, дисульфиды, полисульфиды и т.п. В отличие от активных неактивные сернистые соединения практически нейтральны в жидких нефтепродуктах, но при сгорании в двигателе они образуют серный и сернистый ангидриды —вещества, вызывающие интенсивную коррозию цилиндро-поршневой группы и выпускного тракта ДВС. Наличие любых сернистых соединений в топливе обусловливает повышенную токсичность отработавших газов двигателя.

Основную часть кислородных соединений в нефти составляют органические (главным образом нафтеновые кислоты) и смолисто-асфальтеновые вещества. Эти вещества представляют собой сложные кислородсодержащие органические соединения с большой молярной массой (вследствие чего основная их часть сосредоточена в высококипящих фракциях).

Смолисто-асфальтеновые вещества принято делить на смолы,

асфальтогенные кислоты, асфальтены, карбены и карбоиды.

Смолы — высокомолекулярные кислородсодержащие вещества в состав которых могут входить сера, азот и некоторые металлы.

Асфальтогенные кислоты (полинафтеновые кислоты) —смолистые вещества, входящие и состав высокомолекулярных частей нефти.

Асфальтены—высокомолекулярные твердые и мазеобразные вещества (молярная масса 1600 — 6000). При нагревании свыше 450 °С они разлагаются с образованием газа и кокса.

Карбены — продукты полимеризации и поликонденсации асфальтенов (полимеризация — реакция, и результате которой молекулы.

исходного низкомолекулярного соединения —монометра —соединяются друг с другом, образуя новое вещество — полимер, молярная мас са которого в целое число раз больше, чем у мономера. Поликонденсация —процесс образования полимера, сопровождающийся частичным изменением химического состава образовавших его мономеров, т.е. состав элементарного звена полимера отличается от состава исходного мономера).

Карбоиды — комплекс высокомолекулярных соединений, образующих при окислении и термическом разложении нефти и нефтепродуктов. Они представляют собой твердые вещества черного цвета, нерастворимые в органических и минеральных растворителях.