- •1.Інженерна професія
- •Інженер та інженерна діяльність
- •Проблеми й парадокси сучасної інженерної діяльності
- •Початок професійної інженерної діяльності
- •Основні поняття механізмів, машинної та апаратурної техніки
- •2.1. Прості знаряддя праці
- •2.2. Механізм
- •2.3. Двигун
- •2.4. Електрогенератор
- •2.5. Привід
- •2.6. Машина
- •Приклади машин та їх корисного використання
- •2.7. Хімічний апарат
- •Продовження таблиці 2.2
- •2.8. Транспортні системи (комунікації)
- •2.9. Технологічні установки для здійснення технологічних процесів
- •3.2. Найбільш важливі історичні факти розвитку техніки до середніх віків
- •3.2.1. Винахід обертальних механізмів і машин
- •3.2.2. Винаходи Архімеда
- •3.2.3. Винаходи Герона (близько 70х років до н.Е.)
- •3.2.4. Винахід водяного колеса (на початку і століття до н.Е.)
- •3.3. Відродження прогресу в середні віки (500...1450 роки н.Е.)
- •3.3.1. Передумова відродження прогресу в середні віки
- •3.3.2. Використання водяного колеса як привода
- •3.3.3. Використання вітряків як приводів
- •3.3.4. Кермовий механізм кораблів
- •3.3.5. Компас
- •3.3.6. Кривошип і педальний механізм
- •3.3.7. Токарний верстат
- •3.4.На шляху до сучасності (1450...1660 роки н.Е.)
- •3.4.1. Передумова розвитку техніки в ці часи
- •3.4.2. Леонардо да Вінчі
- •3.4.3. Важке машинобудування, гірнича справа й металургія
- •3.4.4. Пошуки більш потужних джерел рушійної сили
- •3.5. Зародження промислової революції (1660…1815 рр.) Наближення ери капіталізму
- •3.5.1. Передумова зародження промислової революції
- •3.5.2. Ремісник і вчений
- •3.5.3. Наука й творці парової машини
- •3.5.4. Перші практично корисні парові машини
- •3.5.5. Новий пошук джерел рушійної сили
- •3.5.6. Створення пароплава
- •3.6. Зрілість промислової революції
- •3.6.1. Водяна турбіна
- •3.6.2. Електрика. Електрогенератори та електродвигуни
- •3.6.3. Парова турбіна
- •3.6.4. Двигун внутрішнього згорання
- •3.6.5. Винахід літаків
- •3.7. Період між світовими війнами
- •3.7.1. Газова турбіна
- •3.7.2. Побутові машини
- •3.8. Друга світова війна
- •3.8.1. Початок використання ядерної енергії
- •3.8.2. Реактивні літаки й гелікоптери
- •3.9. Післявоєнний період
- •3.9.1. Розвиток газотурбобудування
- •3.9.2. Виробіток електроенергії
- •3.9.3. Атомні кораблі
- •3.9.4. Автоматизація й керування технікою
- •3.9.5. Космічна ера й ракетна техніка
- •4. Матеріали, верстати й машинобудівна технологія
- •4.1. Чавун
- •4.2. Кування чавуну
- •4.3. Прокатка чавуну
- •4.4. Сталь
- •4.5. Сплави на базі алюмінію
- •4.6. Необхідність підвищення точності в машинобудуванні
- •4.7. Удосконалення токарного верстата
- •4.8. Масове виробництво й замінність частин
- •4.9. Масове виробництво й стрічковий конвеєр
- •4.10. Масове виробництво й автомобілі
- •5. Зародження й розвиток нафтогазовидобувної, нафтопереробної та нафтохімічної промисловості
- •5.1. Нафтові колодязі
- •5.2. Перші свердловини, здійснені способом ударного буріння
- •5.3. Подальший розвиток техніки буріння свердловини
- •5.4. Видобуток нафти за умов ударного буріння
- •5.5. Поява гасової лампи
- •5.6. Всім машинам потрібне змащування
- •5.7. Бензин і автомобіль
- •5.8. Нафта, вуглеводневий газ і нафтохімія
- •Зародження і розвиток азотної промисловості як однієї з основних галузей хімічної промисловості
- •6.1. Загальні зауваження відносно розвитку хімічної промисловості
- •6.2. Зародження азотної промисловості
- •6.3. Розвиток азотної промисловості
- •7. Вплив розвитку техніки на розвиток людського суспільства
- •8. Література
- •8.1. Основна література
- •8.2. Додаткова література
5.6. Всім машинам потрібне змащування
У зв’язку з появою різних машин і механізмів потребувалось для них і хороше змащування. Коли потрібно було змащувати колеса возів або частини будь-яких примітивних пристроїв, то для цього можна було використати як мазут, так і сиру нафту, застосовувались рослинні й тваринні жири. Проте, коли з’явились складні машини й механізми із швидко рухомими частинами, якість мастильного матеріалу набула великого значення. До змащування тепер висовувались підвищені вимоги. Воно повинно було володіти достатньою в’язкістю навіть у нагрітому стані, щоб не витікати з вузлів, що труться. Крім того, воно не повинно було не застигати, а залишатись рідким за нормальної температури, інакше не працюючий механізм дуже важко знову запустити в хід.
На основі ідей і вказівок Д.І.Менделеева в період 1876…1878 рр. у Росії почалось налагоджування виробництва мастил із мазуту.
Після відгонки з нафти гасу залишковий мазут нагрівали до 3000 С і через нього пропускали водяну пару, яка й виносила мастила по металевій трубі в холодильник, де вода легко відокремлювалась від мастила.
Одержані в Росії В.І.Рагозіним таким чином мастила, які називали «олеонафтами», виявились за своїми якостями значно кращими за всіх інших, що застосовувались тоді, мастил. Російські олеонафти демонструвались тоді на Всесвітній Паризькій виставці в 1878 р. і одержали потім широке застосування.
В останній чверті XIX ст. одержання гасу й мастил було основною задачею переробки нафти. У міру зростання потреби на ці продукти розвивалось їх виробництво, удосконалювалась технологія перегонки нафти й застосовувана для цього апаратура. Замість простих перегінних кубів почали будувати так звані кубові батареї (рис.5.7.), в яких процес перегонки здійснювався безперервно.
Рис.5.7. Кубова батарея
У першому кубі з нафти, що надходила, відганяли найбільш вдалу її частину. Далі нафта надходила в другий куб, в якому підтримувалась більш висока температура й відганялась вся наступна за леткістю фракція. Із другого куба нафта попадала в третій і т.п. Із останнього куба стікав мазут, який використовувався як паливо або направлявся в окрему кубову батарею для одержання мастил. Для пришвидшення відгонки мастил у куби вводили перегріту водяну пару (250…3000С) через дрібні отвори в трубі, розташованій на дні куба.
5.7. Бензин і автомобіль
На початку видобування й перероблення нафти найбільш легка її частина – бензин, а також газ – не використовувались. Їх вважали непотрібними, шкідливими й небезпечними домішками до нафти. Коли почалось перероблення нафти для одержання гасу і мастил, то особливе хвилювання завдавав бензин, який першим виділявся під час перегонки нафти. Бензин легко займався, вибухав і був непридатним для використання як пальне в лампах. Зараз це звучить дико, але тоді, у другій половині XIX ст., бензин просто знищували, спалюючи його в ямах або в спеціальних печах. Нафтопромисловці витрачали великі суми грошей на розроблення найбільш зручних способів для знищення цієї «нікому не потрібної й небезпечної рідини».
Ще на початку XIX ст. в районі Баку існували печі для спалювання бензину. Дехто з господарів бакинських нафтопереробних заводів намагався скидати бензин у море. Проте, це призводило до виникнення пожеж і знищення, суден і човнів, що знаходилися у воді. Тому виливання бензину в море було суворо заборонено.
Про масштаби знищення бензину можна судити з того, що в 1902 р., за збереженими відомостями, тільки в Грозному було спалено біля 70000 тон бензину як непотрібного й небезпечного продукту нафтопереробних заводів.
Винайдення двигуна внутрішнього згорання й широкий розвиток будівництва автомобілів із цими двигунами здійснило переворот у переробці нафти. Для таких двигунів був потрібен бензин. Поступово бензин, який раніше не знали куди дівати, потрапив у число найважливіших продуктів, які одержують із нафти. З бензиновою фракцією почали обходитись дуже бережно, не допускаючи її втрат ні під час видобування, ні під час переробки нафти.
Все це викликало необхідність удосконалення нафтоперегінної апаратури. В останню четверть XIX ст. таким удосконаленням займався В.Г. Шухов – славетний російський інженер – та його співробітники. Діяльну участь у розробленні нової нафтоперегінної апаратури приймав Д.І. Менделєєв. У нафтоперегонному апараті В.Г. Шухова застосовувалась тарілчаста ректифікаційна колона, що знаходилась над перегінним кубом і нагрівалась за рахунок його тепла. Використання таких апаратів значно покращило якість нафтових фракцій і сприяло підвищенню техніко-економічних показників роботи нафтоперегонних установок.
У подальшому на нафтоперегонних установках почали застосовувати ректифікаційні колони з великим числом тарілок, щоб виділити з нафти більше число фракцій, починаючи з найлегших.
Спочатку установки з розщеплення нафти були багатоколонними, і кожна колона дозволяла ділити рідку суміш на дві фракції. Таким чином кількість колон (К) на установці бралась у залежності від кількості необхідних фракцій (Ф) і визначалась як : К=Ф-1.
Двигуни внутрішнього згорання стали застосовуватись не тільки в автомобілях, але й в інших машинах. Нове різке збільшення попиту на бензин, і до того ж якісний, виникло в зв’язку з розвитком літакобудування. Різні двигуни, які працюють в різних умовах, вимагали й різних сортів пального.
Це різноманіття машин і механізмів вимагало для своєї роботи й різних сортів мастил у залежності від умов, в яких здійснювалась їх робота. Тому паралельно з виробництвом різних сортів бензину розвивалось і виробництво мастил. Почали застосовуватись спеціальні ректифікаційні колони для одержання з мазуту мастил різної в’язкості. У міру розвитку електричного освітлення роль гасу як засобу освітлення почала падати. Проте гас почав широко застосовуватись у побуті – в гасницях і примусах – і далі почав використовуватись як дизельне паливо для тракторів та інших машин. Нафтоперегонні гасові і мастильні кубові батареї були замінені «трубчатками».
За таких умов нафта підігрівається в трубчастих печах і за температури 340…4000С надходить у ректифікаційну колону з великим числом тарілок (рис.5.8).
Рис.5.8. Схема розділення нафти на ректифікаційній колоні:
1 – піч трубчаста; 2 – колона ректифікаційна; 3 – холодильник
Із такої колони з верхніх тарілок відбирають бензинові фракції, а із секцій нижніх тарілок, як бокові погони, відбираються фракції лігроїнова, гасова, газойлева.
Мазут відбирають з кубової частини колони як залишок. А далі із мазуту в спеціальній колоні з боковим відбором фракцій одержують фракції веретенного, машинного, циліндрового та інших видів мастил. Залишок називають гудроном. Гудрон використовується для виробництва важких мастил, бітумів та ін.
У результаті бурхливого розвитку автомобільної, а далі й авіаційної промисловості запит на бензин все зростав. А між іншим, у самій нафті вміст бензинової фракції в багатьох випадках складає лише 10…15%. Тому, ще на початку ХХ ст. стало очевидним, що бензину, що одержують шляхом перегонки нафти, буде явно недостатньо для задоволення швидко зростаючої потреби в ньому. Різко збільшився попит на бензин під час першої світової війни 1914…1918 рр. Стало зрозуміло, що якщо збільшити видобуток нафти для задоволення зростаючої потреби в бензині, то спаде попит на гас і інші нафтопродукти.
Для збільшення кількості бензину, що одержують, почали застосовувати процес крекінгу нафти, тобто її розклад за високої температури. Після відгонки від нафти бензинової фракції (а часто і гасової) залишок нагрівають в спеціальних трубчастих печах до 450…4750С (рис.5.9.). За таких температур важкі складні молекули вуглеводнів цього залишку розкладаються (крекінгуються) з утворенням бензинових вуглеводнів і газів.
Рис. 5.9. Трубчаста піч (поперечний переріз):
1 – колона; 2 – горизонтальні балки; 3 – ферма; 4 – нижній пояс ферми;
5 – верхній пояс ферми; 6 – стійки; 7 – розкоси
Утворення летких вуглеводнів під час нагріву важких нафтових фракцій було відомо ще в кінці XIX ст. Проте широкий розвиток крекінг-процесу розпочався з 1912 р., коли почав різко зростати запит на бензин. Починаючи з 1912…1913 рр., крекінг нафти для одержання бензину почав широко розвиватись у США. Для одержання бензину будували все нові й нові крекінг-заводи. Були розроблені різні способи крекінгу нафтопродуктів із застосуванням і без застосування каталізаторів. Конструктивну схему одного із сучасних реакторів каталітичного крекінгу наведено на рис. 5.10.
Рис.5.10. Схема реактора з регенератором каталітичного крекінгу:
1 – реактор; 2 – регенератор; 3 – стояки; 4 – транспортна лінія; 5 –циклони; 6 – розподільна решітка; 7 – перегородка; 8 – клапан стояка; 9 – клапан транспортної лінії; I – сировина; II – водяна пара; ІІІ – продукти реакції; IV – гази регенерацій; V – повітря