Лекция № 4, 5 – овд, 2008 Тема № 4. Общие свойства топлива. Методы их оценки.

План:

1. Получение и очистка топлив. Нефть

2. Состав топлива, его горение (теплота сгорания)

3. Эксплуатационные свойства топлива: испаряемость, плотность и вязкость, низкотемпературные свойства, стабильность, гигроскопичность, коррозионные свойства

1. Получение и очистка топлив. Нефть

Топливом называют горючие вещества, сжигаемые с целью получения тепловой энергии.

Нефть является ценнейшим природным ископаемым. Из нефти получают различные сорта жидких топлив и смазочных материалов. Нефть является первостепенным сырьем для химической промышленности, вырабатывающей взрывчатые в-ва, красители, синтетические полимеры, химические реактивы и т.д.

Элементами нефти в основном являются углерод и водород, образующие различные классы углеводородов. По сути, нефть представляет собой смесь газообразных, жидких и твердых углеводородов, а кроме них в нефти содержатся в не большом количестве нафтеновые кислоты, сернистые и азотистые соединения. Углеводороды могут быть предельными (родоначальник – метан СН₄, далее этан, пропан, бутан: ациклические(С_nH_2n+2) и циклическиеC_nH_2n) и непредельными (производные этилена CH₂=CH₂: C_nH_2n, ацетилена CH≡CH: C_nH_2n-2 и ароматические – бензол и его производные: толуол, о-ксилол: C_nH_2n-6). В зависимости от места добычи нефти содержание тех или иных классов углеводородов в ней будет колебаться.

Чем выше молекулярный вес углеводородов, тем тяжелее образуемые ими нефтепродукты и тем выше температура их кипения и вязкость. Так, в бензинах содержатся углеводороды с числом атомов углерода примерно от 4 до 12, в дизельных топливах – от 12 до 25, в смазочных маслах от 20 и примерно до 72.

Природные топлива получают первичной переработкой нефти, заключающаяся в ее фракционной перегонке.

Фракционная перегонка заключается в разделении смеси по фракциям. Фракции –– отдельный вещества смеси, выкипающих в различных температурный интервалах, и выраженные в объемных или массовых долях от общего количества смеси.

При перегонке получают следующие нефтепродукты:

1. бензин (т.кип. 40-150⁰С)

2. лигроин (т.кип. 120-240⁰С)

3. керосин (т.кип. 150-300⁰С)

4. газойль –– соляровое масло (т.кип. выше 300⁰С)

5. остаток –– вязкая черная жидкость –– мазут.

Мазут подвергают дальнейшей обработке. При вторичной обработке нефти, в частности из мазута путем разложения (крекинга) молекул получают масла и главным образом бензины (при термическом крекинге – автомобильный бензин до 70%; при каталитическом крекинге – авиационный бензин до 80%).

2. Состав топлива, его горение

В состав приведенных в классификации топлив входят в основном одни и те же элементы и составные части. Так во всех видах твердых и жидких топлив содержатся, в том или ином количестве C, H, O, N, S (органика), H₂O и минеральные примеси (элементы из органики могут входить и в минеральные примеси). В газообразном топливе находятся в-ва в газообразном состоянии, содержащие те же элементы.

Сущность процесса горения заключается в окислении кислородом воздуха входящих в его состав горючих элементов (C, H, S). Конечными продуктами сгорания являются углекислый газ (CO₂), вода (H₂O) и сернистый газ (SO₂), а при недостатке кислорода или благоприятных условий для восстановления углекислого газа образуется угарный газ (СО).

Под горением понимается процесс интенсивного окисления топлива, сопровождаемый выделением значительного количества тепла, сильным повышением температуры и, во многих случаях, образованием пламени.

Горение проходит всегда с большими скоростями. Под скоростью горения понимают количество топлива сгораемого в единицу времени или быстроту распространения пламени. При горении газовоздушных смесей скорость распространения пламени достигает десятков метров в секунду.

В некоторых случаях сгорание рабочей смеси в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания происходит чрезвычайно быстро с огромными (1500 – 2000 м/с) скоростями. При этом в чрезвычайно короткий промежуток времени выделяется большое количество энергии и резко возрастает давление. Такое сгорание топлива называется взрывным (взрывом).

Теплота сгорания топлива – одна из важнейших характеристик, позволяющая оценить энергетические возможности топлива. Теплотой сгорания называют количество тепловой энергии, выделяемое при полном сгорании 1 кг топлива. Единицей теплоты сгорания – кДж/кг.

1. Важнейшими элементами топлива являются углерод и водород, имеющие высокую теплотворную способность: при сгорании 1 кг углерода выделяется 32 500 кДж, при сгорании 1 кг водорода 143 000 кДж. Именно за счет окисления углерода и водорода выделяется основное количество тепла, поэтому всякое топливо тем ценнее, чем в большем количестве в нем содержаться эти элементы.

2. Третьим горючим веществом является сера. И хотя при ее сгорании образуется значительное количество тепла (8800 кДж/кг), однако присутствие серы в топливе не желательно, поскольку выделяющийся при окислении сернистый газ SO₂ весьма губителен для животного мира, а образующаяся при взаимодействии сернистого газ с водой H₂SO₃ – вызывает коррозию металлов.

По этим причинам серу относят к так называемому балласту топлива, т.е. к числу веществ, присутствие, которых ухудшает качество топлива. Кроме серы, к балласту также относят влагу топлива и минеральные вещества. При сгорании топлива последние образует твердый остаток, называемый золой.

Различают высшую и низшую теплоту сгорания топлива. Высшей теплотой сгорания топлива называют все тепло, выделяющееся при сгорании 1 кг топлива.

При определении низшей теплоты сгорания топлива не учитывают тепло, выделяющиеся при конденсации паров воды из продуктов сгорания.

Продукты сгорания выбрасываемые из двигателя имеют температуру выше 100°С, вследствие чего тепло конденсации воды не может быть превращено в полезную работу, поэтому при оценке теплоты сгорания топлива используют ее низшее значение.

Для определения теплоты сгорания пользуются эмпирическими формулами, найденными на основании закона Гесса:

Q_в = 32 500·[C] + 143 000∙[H] – 1900 (кДж/кг)

[C] и [H] – доля углерода и водорода в данном виде топлива; 32500 и 143 000 - количество теплоты, выделяемое при сжигании 1 кг углерода и водорода, соответственно; 1800 кДж/кг – среднее значение теплоты образования 1 кг топлива (C_nH_m).