И.Б. Подвинцев
Нефтепереработка. Практический вводный курс: Учебное
пособие / И.Б. Подвинцев - Долгопрудный: Издательский
Дом «Интеллект», 2011. — 120 с.
ISBN 978-5-91559-107-2
Учебное пособие адресовано читателям, которые хотят получить об-
щее представление о переработке нефти, процессах ее составляющих,
проблемах и основных тенденциях развития этой отрасли. В доступной
широкому кругу читателей форме, последовательно, от первичной рек-
тификации нефти, через каталитические и термические процессы неф-
тепереработки рассмотрена технологическая цепочка превращения сырой
нефти в моторные топлива, масла и другие нефтепродукты. Описание
основных аппаратов переработки нефти, а также вспомогательных уста-
новок создает целостную картину работы современного нефтеперераба-
тывающего завода (НПЗ). В тексте приведены основные химические
реакции рассматриваемых процессов, а также упрощенные технологи-
ческие схемы установок. Особое внимание уделено терминам, понятиям
и единицам измерения, создающим специфическую атмосферу произ-
водства и сбыта нефтепродуктов. В конце книги выделенные в тексте кур-
сивом термины и наиболее часто употребляемые аббревиатуры сведены
в словарь - предметный указатель.
Пособие рассчитано как на студентов химико-технологических спе-
циальностей, так и на инженеров и технологов промышленности.
ISBN 978-5-91559-107-2 © 2011, И.Б. Подвинцев
© 2011, ООО Издательский Дом
«Интеллект», оригинал-макет,
оформление
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие...................................................... 4
1. Введение. Что такое нефть?........................... 5
2. Единицы измерения............................................ 9
3. Показатели качества нефтепродуктов........... 13
4. Оборудование нефтепереработки.................... 21
5. Первичная переработка нефти — обессоливание, атмосферная и ва-
куумная ректификация........................................ 31
6. Гидроочистка.................................................... 37
7. Каталитический риформинг бензинов и изомеризация 44
8. Каталитический крекинг, алкилирование, полимеризация и произ-
водство эфиров................................................... 56
9. Гидрокрекинг и производство водорода...... 66
10. Производство масел и парафина.................... 73
11. Переработка остатков: производство битумов, термический крекинг,
коксование............................................................ 81
12. Производство серы и серной кислоты.......... 88
13. Общезаводское хозяйство.............................. 94
Словарь — предметный указатель..................... 98
ПРЕДИСЛОВИЕ
Автор выражает благодарность своему учителю Валерию Алексан-
дровичу Крылову, без которого эта книга никогда не была бы написана.
Книга адресована всем читателям, которые хотят получить общее
представление о переработке нефти, процессах ее составляющих, про-
блемах и основных тенденциях развития этой отрасли. Особое вни-
мание уделено терминам и понятиям, создающим специфическую ат-
мосферу производства и сбыта нефтепродуктов. В конце книги выде-
ленные в тексте курсивом термины и наиболее часто употребляемые
аббревиатуры сведены в словарь — предметный указатель.
ВВЕДЕНИЕ. ЧТО ТАКОЕ НЕФТЬ?
Существуют две гипотезы происхождения нефти. Гипотеза
минерального происхождения основана на идее синтеза химических
соединений нефти из неорганических веществ. Согласно этим представ-
лениям нефть могла быть образована при контакте карбидов металлов
с водой, либо в результате прямого синтеза углеводородов из СО и Нг
в недрах Земли при высоких температурах и давлениях.
Нельзя сказать, что выше изложенная версия происхождения нефти
полностью себя изжила, но наиболее популярной в настоящее время
является гипотеза органического происхождения нефти. По этой ги-
потезе образование нефти и природного газа происходит при терми-
ческом и термокаталитическом разложении осадочных пород биоген-
ного происхождения (т. е. останков погибших растений и животных)
при постепенном погружении последних вглубь земной поверхности в
течение миллионов лет. Образовавшиеся в этих условиях углеводороды
и другие вещества нефти мигрируют в пласты пористых песчаников и
образуют скопления в наиболее приподнятых участках этих пластов.
Разность химического состава нефтей и природных газов по этой ги-
потезе объясняется разным химическим составом исходных осадочных
пород, различными условиями их термического разложения в недрах
земли и другими факторами. Например, при миграции веществ нефти
через глинистые породы происходит их хроматографическое разделе-
ние. Это значит, что более тяжелые, смолообразные вещества адсор-
бируются (поглощаются) минеральной породой. Затем, при движении
потока нефти, они десорбируются, но в итоге в первую очередь пласт
породы проходят легкие компоненты нефти, которые слабее удержива-
ются веществом горной породы. При попадании нефти близко к поверх-
ности земли происходят процессы испарения ее компонентов, окисле-
ния и микробиологической деградации (проще говоря: разложения под
действием микроорганизмов). В этих процессах, напротив, происходит
увеличение содержания в нефти смолистых веществ.
По настоящее время не все темные пятна устранены в гипотезе ор-
ганического происхождения нефти, многие вопросы пока не имеют чет-
кого ответа, и объема этой книги не хватит, чтобы изложить все «за»
и «против» упомянутых выше теорий. Безусловно, знать, как образо-
валось нефть важно, однако оставим этот предмет другим исследова-
телям, а сами сосредоточимся на вопросе, как используется это колос-
сальное, данное нам природой богатство.
Каждый день в мире добывается и перерабатывается около 10 млн
тонн нефти. И прежде чем все это превратится в топливо, заливаемое
в бак автомобиля, в смазочное масло, дорожный асфальт, парафиновые
свечи, исходные вещества для производства пластмасс и синтетиче-
ских тканей, оно должно пройти ряд технологических стадий, которые,
собственно, и составляют область промышленности, называемую неф-
тепереработкой. В русскоязычной печати также активно используется
заимствованное из английского языка слово «даунстрим» (downsream),
объединяющее в себе нефтепереработку и сбыт нефтепродуктов, в от-
личии от «апстрима» (upstream), обозначающего нефтедобычу.
С химической точки зрения нефть представляет собой смесь десят-
ков-сотен тысяч индивидуальных веществ, структура многих из кото-
рых не определена в настоящее время, а может быть и никогда не
будет установлена. Между тем, основная масса веществ, составляющих
нефть, разделена на группы, исходя из их химических и физических
свойств.
Самая большая группа — углеводороды, не зря же нефть называют
углеводородным сырьем. Молекулы углеводородов состоят только из
атомов углерода и водорода. В неуглеводородных или гетероатомных
соединениях нефти в структуре молекулы со-
держатся и атомы других элементов. Прежде
всего — это атомы серы, азота, кислорода.
Примеры серосодержащих
H2S Сероводород R-SH
Меркаптаны
R-S—R' Сульфиды R—S—S—R' Дисульфиды
Ниже приведены диапазоны весового содержания элементов в нефти:
С: 83-87%, Н: 11-14%, S: 0,5-5%, N: 0-1%, О: 0-1%
Наибольшие трудности, особенно в свете
соединений нефти постоянно ужесточающихся экологических норм, возникают при переработке сернистых соединений. При довольно заметном содержании серы в нефти, ее со-
держание в моторных топливах в настоящее время должно быть сведено практически к нулю. Таким образом, серу из топлив нужно удалить,
да еще и как-то утилизировать, поскольку выбрасывать ее в атмосферу
в виде оксидов серы и сбрасывать в виде сульфидов вместе со сточными
водами тоже нельзя. Количество выбросов (этот термин применяется
для вредных веществ, попадающих в атмосферу) и сбросов (вредные
вещества в сточных водах) контролируется государственными органа-
ми. Превышение установленных норм приводит к значительным штра-
фам. Поэтому высокое содержание серы в нефти является фактором,
значительно снижающим ее цену.
Высокое содержание азотистых соединений также осложняет пере-
работку нефти. Для некоторых катализаторов нефтепереработки (гид-
роочистка) они выступают ингибиторами и замедляют целевые ре-
акции, которые катализатор, наоборот, пытается ускорить. В других
процессах (риформинг и изомеризация) азот нефти уже выступает как
каталитический яд, резко и необратимо снижающий активность ката-
лизатора до недопустимо низкого уровня. Повышение содержания азота
в нефти также создает предпосылки для увеличения отложений солей
аммония NH4CI и NH4HS внутри аппаратов и трубопроводов.
Кислородсодержащие органические соединения менее опасны, но так-
же могут приводить к отравлению катализаторов риформинга и изоме-
ризации при недостаточной очистке сырья этих процессов.
В начале 2000-х годов многие нефтеперерабатывающие заводы Рос-
сии потряс неожиданный удар: в сотни раз увеличилось содержание
хлорорганических соединений в легких фракциях нефти. Образовывав-
шаяся в ходе переработки такой нефти соляная кислота приводила к
быстрой коррозии оборудования, а отложения солей хлористого аммо-
ния забивали внутренние пространства аппаратов и также способство-
вали коррозии. Однако было установлено, что содержание нативного
(природного) хлора в нефтях не изменилось и составляет по-прежнему
десятитысячные доли процента. Хлорорганические соединения в нефть
добавляли нефтедобывающие предприятия, использовавшие эти вещества для промывки скважин. Позднее применение хлорорганических
растворителей при добыче нефти было запрещено.
Содержание металлов в нефти невелико и обычно суммарно состав-
ляет не более сотых долей процента. Наибольшее внимание обращают
на самые распространенные в нефти металлы: никель и ванадий, по-
скольку избыточное содержание этих элементов в тяжелых фракциях
может ограничить их применение в качестве сырья для процессов ката-
литического крекинга и гидрокрекинга, производства кокса и котель-
ных топлив. В некоторых нефтях в значительных количествах (тысяч-
ные доли процента) содержится мышьяк, который является ядом для
всех катализаторов нефтепереработки. Переработка таких нефтей ослож
няется необходимостью использования специальных материалов для по-
глощения мышьяка перед проведением каталитического процесса.
Вернемся к углеводородам. По химической природе их разделяют
на парафины (алканы), изопарафины (изоалканы), нафтены (цикло-
алканы) и ароматические (арены). Олефины (алкены), как компонент
сырой нефти, можно не упоминать, поскольку их содержание в ней
очень невелико. Олефины характеризуются сравнительно высокой хи-
мической активностью и, очевидно, практически нацело превратились
в вещества других типов за миллионы лет созревания нефтей. Но оле-
фины в значительных количествах образуются во многих процессах
переработки нефти.
Наверное, всем известно, что чем больше атомов углерода в молеку-
ле углеводорода, тем выше его температура кипения. Поскольку нефть
представляет собою смесь огромного числа индивидуальных веществ,
ее переработка связана с первоначальным разделением на фракции,
ограниченные температурными пределами выкипания. Наиболее цен-
ными являются бензиновая, керосиновая и дизельная фракции нефти.
Всех их выделяют при нагревании нефти до 360°С. Они называют-
ся светлыми фракциями нефти. Чем выше содержание светлых фрак-
ций — тем выше стоимость нефти.
Косвенно о содержании легких фракций нефти можно судить по
плотности нефти. Поскольку с повышением температуры кипения плот-
ность углеводородов растет, более всего ценятся легкие нефти, которые
содержать большую долю светлых фракций. При этом, как правило,
легкие нефти характеризуются меньшим содержанием серы.
Плотность и содержание серы — главные характеристики, согласно
которым нефть относят к тому или иному сорту. Нефть сорта Сибири-
ан лайт (Siberian Light, легкая сибирская) стоит дороже сорта Юралз
(Urals, уральская), потому что легче ее и содержит меньше серы. Меж-
ду тем на экспорт российские компании поставляют в основном нефть
сорта Юралз, получаемую смешением в трубопроводе при транспор-
тировке нефти Западной Сибири с более тяжелыми нефтями Урала и
Среднего Поволжья.
Основные эталонные марки нефтей, по которым проводятся торги на
рынке и определяется цена других сортов нефтей, это WTI (West Texas
Intermediate, средняя западно-техасская) и Brent, нефть, добываемая в
Северном море между побережьями Норвегии и Великобритании. Эти
сорта нефтей более легкие и более дорогие по сравнению с сортом
Юралз.
ЕДИНИЦЫИЗМЕРЕНИЯ
В нефтяной промышленности для ряда физических вели-
чин сложилась своя система мер, отличная от системы «СИ». Кроме
того, в ряде стран используются свои единицы измерения.
Прежде всего, это касается объема. При международных торговых
операциях нефть продается не по массе, а по объему и единицей изме-
рения служит нефтяной баррель (barrel, бочка, в переводе с английского).
Единицы измерения объема:
1 нефтяной баррель (barrel of oil) = 158,988 л;
1 галлон США (U.S. gallon) = 3,785 л;
1 кубический фут (cubic foot, c.f.) = 0,0283 м3 = 28,3 л.
Единицы измерения плотности. Плотность измеряют в кг/м3, г/см3.
Относительная плотность, обозначаемая как р™ или df — это отно-
шение плотности нефтепродукта при 20°С к плотности воды при 4°С.
Поскольку последняя равна 1 г/см3, относительная плотность нефте-
продукта численно равна плотности, выраженной в г/см3.
Единица измерения плотности нефтепродуктов в США — °АР1 (гра-
дусы эй-пи-ай). API — это American Petroleum Institute (Американский
институт нефти). °АР1 обратно пропорциональны относительной плот-
ности. Формула для пересчета следующая:
°АР1 = - 131,5.
Единицы измерения концентрации. Для обозначения концентра-
ции отдельных компонентов в нефтепродукте используют всем привыч-
ные проценты. Также качество нефтепродуктов во многом определяется
содержанием в нем микропримесей (сера, азот, металлы), концентра-
ция которых невелика. Но и в этой концентрации примеси достаточно
сильно влияют на работу технологических процессов, сырьем которых
служит нефтепродукт. Для обозначения концентрации микропримесей
служит единица измерения «ррм» (пэ пэ эм или пи пи эм):
1 ррм (parts per million) = 1 м.д. (миллионная доля) = 0,0001%.
Различают весовые (или массовые), объемные и мольные единицы
концентрации, которые специфичны для каждой смеси веществ и не
имеют универсальных формул пересчета. Исключение: объемные про-
центы или ррм для газов равны мольным.
Единицы измерения давления. В российской нефтепереработке, как
и в некоторых других отраслях промышленности, для измерения дав-
ления принято применять кгс/см2 (килограммы силы на сантиметр в
квадрате) или технические атмосферы (это то же самое). Ниже для
сведения приведены формулы пересчета этой и других единиц измере-
ния давления.
1 кгс/см2 (килограмм-сила на квадратный сантиметр) = 98066,5 Па;
1 мм вод. ст. (миллиметр водного столба) = 9,80665 Па;
1 мм рт. ст. (миллиметр ртутного столба) — 133,322 Па;
1 бар - 105 Па;
1 ат (техническая атмосфера) = 1 кгс/см2 = 735 мм рт. ст. = 98066,5 Па
ати обозначает избыточное (по сравнению с атмосферным давлени-
ем) давление в технических атмосферах, ата — абсолютное давление
в технических атмосферах;
1 атм (физическая атмосфера) = 760 мм рт. ст. =
= 1,0332 кгс/см2 = 101325 Па.
В США в качестве единиц измерения давления применяется специ-
фическая величина — psi (pounds per square inch, фунты на квадратный
дюйм)
1 psi = 0,0703 кгс/см2 = 6894,1 Па;
1 кгс/см2 = 14,2231 psi.
Единицы измерения длины. Длина, также как и масса, измеряется
в нефтеперерабатывающей отрасли в тех же величинах, каковы при-
няты в данной стране. Поскольку многие страны, главная из которых
США, не приняли и пока не собираются принимать метрическую систе-
му, здесь также может возникнуть потребность в пересчете величин
1 фут (foot) = 12 дюймов = 30,48 см;
1 дюйм (inch) = 2,54 см.
Единицы измерения массы:
1 фунт (pound, сокр. lb от латинского libra) = 16 унций = 453,6 г;
1 унция (ounce) = 28,35 г;
1 тройская унция (ounce troy) = 31,1035 г.
Единицы измерения температуры. Температура в градусах Цель-
сия (°С) = температура в Кельвинах (К) + 273,15.
В некоторых зарубежных странах, прежде всего в США, принята
шакала Фаренгейта (°F). Для того чтобы перевести температуру, в гра-
дусах Фаренгейта в градусы Цельсия нужно из ее значения вычесть 32
и разность умножить на 5/9:
°С = (°F — 32) •
Для перевода градусов Цельсия в градусы Фаренгейта соответст-
венно нужно выполнить обратные действия:
°F = °С /5*9 + 32.
При построении шкалы Фаренгейта температурный интервал от точ-
ки кристаллизации до точки кипения воды при атмосферном давлении
был принят равным 180°F. Причем температуру кристаллизации воды
(0°С) установили равной 32°F. То есть точка кипения воды (100°С)
по шкале Фаренгейта будет равной 212°F. Для быстрого приближен-
ного перевода значения температуры из одной шкалы в другую можно
использовать приведенное ниже графическое соотношение двух шкал.
Градусы Фаренгейта
32
-300-200-100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 90010001100120013001400150016001700
О 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950
°R = °F + 460
Градусы Цельсия
Рис. 2.1. Соотношение температурных шкал Фаренгейта и Цельсия
Шкала Рэнкина подобна шкале Кельвина: нулевая отметка соответ-
ствует абсолютному нулю, интервальные значения аналогичны граду-
сам Фаренгейта
°R = °F + 460.
Единицы измерения энергии. В российской нефтепереработке в ка-
честве единиц измерения энергии часто используются не входящие в
систему «СИ» калории (чаще гигакалории Гкал, кал-109). За рубежом
более распространена британская тепловая единица:
1 Дж (Джоуль) = 0,2388459 Кал = 0,0009478171 BTU =
= 0,0002777778 Вт • ч = 1 Вт ■ с;
1 Кал (калория) = 4,1868 Дж = 0,003968321 BTU = 0,001163 Вт • ч;
1 BTU (Британская тепловая единица) = 251,9958 Кал =
= 1055,056 Дж = 0,2930711 Вт ■ ч;
1 Вт • ч = 3600 Дж = 859,8452 Кал = 3,412142 BTU.
3 ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА
НЕФТЕПРОДУКТОВ
Как уже отмечалось, основными показателями качества неф-
ти являются плотность и содержание серы. Кроме серы в стандартах на
нефтепродукты нормируется (т. е. устанавливается уровень, превышать
который нельзя) содержание других веществ и химических элементов.
В автомобильных бензинах это содержание ароматических углево-
дородов, отдельно — бензола; олефинов (алкенов), эфиров, свинца, мар-
ганца. Введение норм по каждому из приведенных показателей обу-
словлено определенными причинами экологического или химмотологи-
ческого плана (химмотология — это наука об эксплуатационных свой-
ствах, качестве и рациональном применении в технике топлив, масел,
смазок и специальных жидкостей). Низкое содержание серы в топливе
определяет низкое содержание в выхлопных газах автомобиля серни-
стого газа, одного из основных техногенных загрязнителей атмосферы.
Кроме того, сера является ядом для катализаторов дожига еще одного
загрязнителя атмосферы — СО (угарного газа), которыми оборудованы
системы выхлопа всех современных автомобилей.
Высокое содержание олефинов снижает стабильность бензинов при
хранении из-за их склонности к полимеризации по двойным связям с
образованием смолистых веществ, которые отлагаются на стенках бен-
зопроводов, закупоривают топливные фильтры, способствуют образо-
ванию отложений на клапанах, свечах и камерах сгорания двигателей.
Образованию отложений способствует и высокая концентрация арома-
тических углеводородов. Содержание бензола нормируется отдельно,
поскольку доказано, что он является канцерогеном (веществом, вы-
зывающим развитие рака у людей). Эфиры в больших концентрациях
существенно снижают теплоту сгорания бензина. Свинец и марганец
входят в состав антидетонационных присадок, применение которых в
большинстве развитых стран запрещено. Кроме очевидной ядовитости
продуктов, содержащих эти элементы, они также способствуют обра-
зованию отложений в камерах сгорания.
В состав бензина входят легкие углеводороды, которые не кристал-
лизуются при обычных для планеты Земля температурах. Другое де-
ло авиационный керосин, дизельное топливо, топочные мазуты. Для
этих нефтепродуктов особое значение имеют так называемые низко-
температурные свойства: температура начала кристаллизации (по-
явление первых кристаллов), температура помутнения (кристаллы об-
разовывают муть), предельная температура фильтруемости (кристаллы
засоряют топливный фильтр и не дают прокачивать топливо), темпе-
ратура застывания (топливо при этой температуре полностью теряет
подвижность, застывает). Застывшее топливо не будет поступать в ди-
зельный двигатель грузовика, и тот остановится до ближайшей от-
тепели, или пока водитель не найдет чем отогреть топливный бак и
топливопроводы. Понятно, что для реактивного самолета застывшее в
полете топливо может иметь гораздо более печальные последствия.
Таблица 3.1. Температуры плавления и кипения парафинов нормального строения
| Углеводород | Брутто- | Температура | Температура |
| формула | плавления, °С | кипения, °С | |
| метан | сн4 | -182,5 | -161,5 |
| этан | СгНб | -183,3 | -88,6 |
| пропан | СзНв | -187,7 | -42,1 |
| н-бутан | С4Н10 | -138,4 | -0,5 |
| н-пентан | С5Н12 | -129,7 | 36,1 |
| н-гексан | С6Н,4 | -95,35 | 68,95 |
| н-гептан | С7Н16 | -90,6 | 98,42 |
| н-октан | С8Н,8 | -56,8 | 125,7 |
| н-нонан | С9Н20 | -53,5 | 150,8 |
| н-декан | С10Н22 | -29,7 | 174,1 |
| н-ундекан | С11Н24 | -25,6 | 195,9 |
| н-додекан | С12Н26 | - 9,6 | 216,3 |
| н-тридекан | С13Н28 | -5,5 | 235,4 |
| н-тетрадекан | С14Н30 | 5,9 | 253,7 |
| н-пентадекан | С15Н32 | 10,0 | 270,6 |
| н-гексадекан (цетан) | С|6Н34 | 18,2 | 286,8 |
| н-эйкозан | С20Н42 | 36,8 | 342,7 |
| н-триаконтан | СзоН62 | 65,8 | 446,4 |
| н-тетраконтан | С40Н82 | 81,5 | 539,8 |
В первую очередь кристаллизуются парафины (алканы) нормально-
го (неразветленного) строения. Температуры их кристаллизации (или
плавления, что одно и то же) приведены в табл. 3.1.
Другой важнейший показатель, характеризующий нефтепродукты —
фракционный состав. Каждый углеводород характеризуется определенной температурой кипения, которая тем выше, чем больше его моле-
кулярная масса (табл. 3.1). Не выделяя отдельные вещества, нефтепро-
дукт упрощенно характеризуют температурами, в пределах которых он
выкипает. В лаборатории фракционный состав нефтепродуктов опреде-
ляют на приборе, схематично изображенном на рис. 3.1. 100 мл нефте-
продукта нагревают в колбе на плитке или колбонагревателе. Пары ки-
пящего вещества поднимаются вверх, нагревают чувствительный эле-
мент термометра, который показывает температуру кипения, далее кон-
денсируются в холодильнике и уже в виде жидкости скапывают в мер-
ный цилиндр (приемник). Температурой начала кипения считается тем-
пература, при которой в приемник падает первая капля нефтепродук-
та. Отмечают температуры, при которых в приемнике собралось 5 мл,
10 мл конденсата, и т. д. Соответственно, эти температуры называют
5%-й, 10%-й (и т.д.) по объему температурами выкипания. Когда жид-
кость в колбе полностью испарится или кипение прекратится, потому
что в колбе останется только трудно кипящий остаток, температура по
термометру, которая до этого все время росла, начнет снижаться. Эту
температуру обозначают как температуру конца кипения.
Разгонку при атмосферном давлении выполняют только до 380°С,
потому что при более высокой температуре вещества, входящие в со-
став нефти, начинают разлагаться. Далее разгонку проводят под ва-
куумом, который позволяет отгонять компоненты нефти не превышая температуры 380 °С, но пересчет температуры выкипания фракции по-
том проводят на атмосферное давление.
Значения определенных точек перегонки нормируется почти для всех
нефтепродуктов. В автомобильном бензине, например, большое содер-
жание легкокипящих веществ может вызвать образование газовых про-
бок и связанные с этим сбои в работе двигателя. Но если легких ком-
понентов мало — двигатель не заведется при низких температурах воз-
духа. Эти свойства определяются также давлением насыщенных паров
(ДНИ) бензина, т. е. тем избыточным давлением, которое создается в
замкнутом сосуде за счет испарения компонентов бензина при опреде-
ленной температуре. Недопустимо как слишком низкое, так и слишком
высокое ДНП.
Часто для нефтепродуктов устанавливаются показатели, при кото-
рых обеспечивается безопасность их хранения и эксплуатации. Напри-
мер, температура вспышки — это минимальная температура, при ко-
торой пары нефтепродукта образуют с воздухом смесь, способную к
кратковременному образованию пламени, при внесении в нее внешнего
источника воспламенения. Пары воспламеняются и гаснут, устойчиво-
го горения еще не происходит. Устойчивое горение паров начинается,
когда температура нефтепродукта поднимается до температуры вос-
пламенения. Самое страшное, когда температура нефтепродукта вы-
ше температуры самовоспламенения (для большинства нефтепродуктов
это 300°С и более), т.е. воспламенение происходит при контакте с
воздухом без внешнего источника пламени.
Специфическими для двигателей внутреннего сгорания являются
показатели, определяющие время и характер воспламенения топливо-
воздушной смеси. Это октановое число для автомобильного бензина и
цетановое число для дизельного топлива.
Схематично двигатель внутреннего сгорания приведен на рис. 3.2.
Принципиальная разница между бензиновым и дизельным двигателем
только одна. В бензиновом двигателе воздушно-топливная смесь вос-
пламеняется от специального источника зажигания — искры, генери-
руемой свечой. В дизельном двигателе воздушно-топливная смесь вос-
пламеняется сама при сжатии, ведь газы при сжатии нагреваются, и
нагреваются в условиях двигателя до температуры выше температуры
самовоспламенения дизельного топлива.
Очень важно, чтобы в бензиновом двигателе воздушно-топливная
смесь не воспламенилась раньше времени. Воспламенение должно про-
исходить, когда поршень находится в положении, близком к крайне-
му верхнему (верхняя мертвая точка), когда достигается максималь-
ное сжатие паров. В это время как раз, при правильно настроенном
зажигании, свеча генерирует искру, которая воспламеняет пары. Если воспламенение произойдет раньше, то расширяющаяся при сгорании с
образованием выхлопных газов воздушно-топливная смесь будет пре-
пятствовать поршню двигаться вверх. К тому же, и процесс горения при
самовоспламенении идет не так как надо: не плавно, а взрывоподобно.
Все это приводит к тому, что в двигателе возникают характерные стуки
(детонация), теряется мощность, повышается расход топлива, двига-
тель глохнет, а если продолжает работать, то через некоторое время
ломается от разбалтывающих нагрузок.
|
|
|
|
|
Выхлопные
газы
| Рис. 3.2. Принципиальная схема двигателя внутреннего сгорания |
| Рис. 3.2. Принципиальная схема двигателя внутреннего сгорания |
| Рис. 3.2. Принципиальная схема двигателя внутреннего сгорания |
| Рис. 3.2. Принципиальная схема двигателя внутреннего сгорания |
Рис.3.2. Принципиальная схема двигателя внутреннего сгорания
Показателем, который характеризует антидетонационные свойства
бензина, т. е. его способность быть устойчивым к самовоспламенению
в двигателе внутреннего сгорания, является октановое число.
Октановое число (04) — условный показатель, характеризующий
детонационную стойкость топлива и численно равный объемной про-
центной концентрации изооктана (2,2,4-триметилпентана) в его смеси с н-гептаном, которая в условиях стандартных испытаний проявляет такую же детонационную стойкость как и испытуемый нефтепродукт. Определение 0Ч проводят на типовой установке, представляющей собой одноцилиндровый
двигатель внутреннего сгорания, в двух режимах: жестком (частота
вращения коленчатого вала 900 об/мин) и мягком (600 об/мин). Соот-
ветственно получают октановое число по моторному методу (МОИ) и
октановое число по исследовательскому методу (ИОЧ). Считают, что
ИОЧ лучше характеризует бензины при езде в городских условиях, а
МОЧ — в условиях высоких нагрузок и скоростей.
Разность между ИОЧ и МОЧ называется чувствительностью бензи-
на и характеризует степень пригодности бензина к различным условиям
работы двигателя.
В США для характеристики антидетонационных свойств бензина
используется дорожное октановое число — среднее арифметическое ис-
следовательского и моторного октанового числа.
В Европе и России маркировка бензинов производится по иссле-
довательскому октановому числу. АИ-92 или Регуляр-92, ЭКТО-92,
Евро-92 — все это значит, что данные сорт бензина имеет ИОЧ не
менее 92 пунктов.
Выделяют также октановое число смешения (ОЧС), которое отлича-
ется от действительных октановых чисел индивидуальных компонентов
топлива.
Итак, н-гептан имеет октановое число 0 пунктов. Это отражает об-
щую тенденцию: линейные парафины характеризуются наименьшими
октановые числа. Причем, ноль — это не предельное значение. Нор-
мальный октан имеет октановое число — (минус) 20 пунктов. Общее
правило: с ростом длины углеродной цепочки октановое число углево-
дородов падает.
У изопарафинов октановые числа выше. И они тем выше, чем раз-
ветвленнее углеродная цепочка углеводорода. У изооктана октановое
число равно 100 пунктам, как по исследовательскому, так и по мо-
торному методу. Для изопарафинов вообще характерно, что значения
ИОЧ и МОЧ близки. Олефины (алкены) имеют высокие октановые
числа по исследовательскому методу, а по моторному намного ниже.
Также существенной, хотя и не такой высокой чувствительностью к
методу определения октанового числа характеризуются ароматические
углеводороды и циклоалканы (нафтены).
В табл. 3.2 приведены октановые числа наиболее распространенных
углеводородов бензиновой фракции и кислородсодержащих веществ,
так называемых оксигенатов, которые часто применяются как высоко-
октановые добавки к автомобильным бензинам. Данные по октановым
числам индивидуальных веществ из разных литературных источников
значительно различаются. Поэтому в таблице для них приведены диа-
пазоны октановых чисел.
Цетановое число — условный показатель, характеризующий дли-
тельность периода задержки воспламенения топлива, при впрыске в ци-
линдр дизельного двигателя. При длительном периоде задержки вос-
пламенения (низкой воспламеняемости) топливо успевает испариться,
хорошо перемешаться с воздухом, частично окислиться и потому про-
| Вещество | ИОЧ | МОЧ |
| Алканы | ||
| изооктан (2,2,4-триметилпентан) | ||
| бутан | 89-92 | |
| изобутан | 97-99 | |
| пентан | 61,7-61,9 | |
| изопентан (2-метилбутан) | 92-93 | 90-90,3 |
| гексан | 24,8-26 | |
| 2,2-диметилбутан | ||
| 2,3-диметилбутан | 101,7-102 | 94,3-95 |
| 2-метилпентан | 73,5 | |
| гептан | ||
| 2-метилгексан | 42,4 | 46,4 |
| 3-метилгексан | ||
| 2,2,3-триметилбутан | ||
| октан | -19 | -20 - -17 |
| Арены | ||
| толуол | 112-120 | 101-103 |
| бензол | 113-115 | |
| этилбензол | ||
| о-ксилол | ||
| м-ксилол | ||
| п-ксилол | 100-109,6 | 103-116,4 |
| кумол (изопропилбензол) | ||
| Алкены | ||
| 2-пентен | ||
| 2-гексен | ||
| 2-метил-2-гексен | ||
| 2,4,4-триметил-1-пентен | ||
| 2-октен | ||
| Циклоалканы | ||
| циклопентан | ||
| метилциклопентан | 91-91,3 | 80-81 |
| этилциклопентан | 67-67,2 | 61-61,2 |
| циклогексан | 77-77,2 | |
| метилциклогексан | 74,8-75 | 71,1-72 |
| Оксигенаты | ||
| метанол | ||
| этанол | ||
| изопропанол | ||
| метил-третбутиловый эфир (МТБЭ) |
цесс его сгорания идет слишком интенсивно, что приводит к резко-
му нарастанию давления в цилиндре и появлению характерных сту-
ков. Такую работу двигателя называют жесткой, она приводит к преж-
девременному износу и поломке отдельных частей двигателя. Поэто-
му нижняя граница цетанового числа всегда указывается в стандартах
на дизельное топливо. Слишком высокая воспламеняемость дизельного
топлива также имеет свои недостатки, так как в этом случае смесь вос-
пламеняется преждевременно, топливо не успевает должным образом
испариться и сгорает не полностью, увеличивается его расход, понижа-
ется мощность двигателя. Однако, верхняя граница цетанового числа в
стандартах на дизельное топливо не упоминается, поскольку в реаль-
ных условиях производства достичь- его слишком высоких значений,
когда на работу двигателя уже бы оказывалось негативное влияние,
невозможно.
Цетановым числом называют объемную концентрацию цетана (н-гек-
садекана, углеводорода нормального строения с 16 атомами углерода)
в эталонной смеси цетана и а-метилнафталина, воспламеняемость ко-
торой при данной степени сжатия соответствует вос-
пламеняемости испытуемого топлива. Определение
цетанового числа проводят на специальной лабора-
торной установке с одноцилиндровым двигателем.
Наибольшим цетановым числом обладают алка-
ны и олефины нормального строения (у цетана це-
тановое число 100 пунктов), наименьшим — арены
(эталонный углеводород а-метилнафталин обладает нулевым цетано-
вым числом). В России и в Европе норма цетанового числа в зави-
симости от климатического класса дизельного топлива установлена на
уровне не менее 45-51 пунктов. В США установленное цетановое число
намного ниже — не менее 40 п. Отчасти это объясняется необходи-
мость вовлечения в приготовление дизельного топлива больших коли-
чест<