Изучение составов бензинов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Бензины (франц. benzine, от араб. любан джави - яванское благовоние), смеси различных углеводородов, выкипающие в пределах 30-205 °С. В состав бензинов, кроме углеводородов (парафиновых, олефиновых, нафтеновых и ароматических), могут входить примеси - серо-, азот- и кислородсодержащие соединения. Бензины готовят смешением компонентов, получаемых в основном переработкой нефти - прямой перегонкой (т.наз. прямогонный бензины), а также крекингом. риформингом, коксованием и др. Применяют главным образом в кач-ве горючего для двигателей внутр. сгорания с принудительным воспламенением (карбюраторных и с непосредственным впрыском). Небольшие количества бензинов используют как растворители и промывочные жидкости.

Температура замерзания бензинов ниже -60 °С, т. всп. ниже 0°С. При концентрации паров бензины в воздухе 74-123 г/м3 образуются взрывчатые смеси. (низшая) 41-44 МДж/кг; Ср 2,0-2,1 кДж/(кг*К); 0,50-0,65 мм2/с (20°С); плотн. 0,700-0,780 г/см3 (20 °С); среднее значение коэф. диффузии для паров бензинов при атмосферном давлении и 20 °С 9,1 мм2/с. Осн. эксплуатац. характеристики бензины, применяемых как горючее, - испаряемость, горючесть. воспламеняемость, хим. стабильность, склонность к образованию отложений, коррозионная активность.

Испаряемость в наибольшей мере определяется фракционным составом и давлением насыщ. паров. По этим показателям бензины могут существенно различаться, тогда как показатели, влияющие на испаряемость (например, коэф. диффузии паров, вязкость, поверхностное натяжение, теплоемкость. плотность), как правило, для всех бензинов очень близки. От фракционного состава и давления насыщ. паров бензинов зависят скорость прогрева двигателя, износ его деталей, расход горючего, а также такие эксплуатац. характеристики, как возможность пуска двигателя при низких температурах, склонность к образованию паровых пробок в системе питания, приемистость. Применение бензины с большим содержанием низкокипящих фракций облегчает пуск двигателя, но вызывает образование паровых пробок: при работе двигателя в летнее время года бензины может нагреться до температуры, при которой образуется настолько много паров низкокипящих углеводородов, что массовая производительность бензонасоса снизится, бензовоздушная смесь резко обеднится и потеряет способность воспламеняться от искры зажигания. Кроме того, использование очень "легких" бензинов приводит к обледенению карбюратора при низких температурах, увеличению потерь горючего от испарения при хранении и транспортировке.

В СССР производятся автомобильные бензины зимнего и летнего видов, различающиеся по содержанию низкокипящих фракций, и авиационные бензины Последние предназначены для поршневых двигателей самолетов и содержат относительно мало низкокипящих углеводородов, чтобы исключить возможность образования паровых пробок при полете на разной высоте (см. табл.).

Таблица:

Экономичность работы двигателя и износ его деталей зависят от температуры, при которой перегоняется 90% бензинов, и температуры конца кипения. При высоких значениях этих температур тяжелые фракции бензины не испаряются во впускном трубопроводе двигателя и поступают в цилиндры в жидком виде. Жидкая часть испаряется в камере сгорания не полностью и через замки поршневых колец и зазоры протекает в картер двигателя. При этом часть бензины не сгорает, что снижает экономичность двигателя. Кроме того, тяжелые фракции смывают со стенок цилиндра масло, увеличивая трение и приводя к износу трущихся деталей. Снижение указанных температур улучшает эксплуатац. свойства бензины, но приводит к значит. перерасходу горючего.

Сгорание бензовоздушных смесей в двигателях - сложная совокупность процессов, развивающихся в условиях быстро изменяющихся температур, давлений и концентраций реагирующих веществ. Скорость распространения фронта пламени при нормальном сгорании от 15 до 60 м/с. Осн. причина нарушения процесса - появление детонации, возможность которой определяется способностью углеводородов бензины окисляться в паровой фазе с образованием пероксидов. При повышении концентрации последних выше некоторого критич. значения происходит взрывной распад с послед. самовоспламенением. При этом появляется детонационная волна (скорость 2000-2500 м/с), в результате чего двигатель перегревается, быстрее изнашивается, дымность отработанных газов увеличивается.

Мера детонационной стойкости бензинов, т.е. способности нормально сгорать в двигателе при разл. условиях, -октановое число, равное содержанию (в % по объему) изооктана в его смеси с н-гептаном, при котором эта смесь эквивалентна по детонационной способности испытуемому топливу в стандартных условиях испытаний. Для авиац. бензинов используют также такой показатель, как сортность, который характеризует возможное увеличение мощности (в %) стандартного одноцилиндрового двигателя при переводе его с технич. изооктана на данный бензины при той же степени сжатия в отсутствие детонации. Равномерность распределения октановых чисел по фракциям имеет большое значение, особенно при переменных режимах работы двигателя, в частности при разгоне автомобиля. Если низкокипящие фракции бензины менее стойки к детонации, чем высококипящие, то при каждом изменении режима работы двигателя в течение какого-то времени в камерах сгорания наблюдается детонация.

Из углеводородов, входящих в состав бензинов, наименьшая детонационная стойкость у нормальных парафинов. Октановое число у парафинов и олефинов возрастает с уменьшением длины цепи и увеличением степени разветвленности. Лучшие детонационные свойства у тех олефинов, у которых двойная связь располагается ближе к центру углеродной цепи. Среди диенов более высокая детонационная стойкость у углеводородов с сопряженными двойными связями. Стойкость нафтенов выше, чем у нормальных парафинов, но ниже, чем у ароматич. углеводородов с тем же числом углеродных атомов в молекуле. Уменьшение длины боковой цепи, увеличение ее разветвленности приводит к повышению октановых чисел нафтенов. Ароматические углеводороды обладают высокой детонационной стойкостью, которая увеличивается с уменьшением длины боковой цепи, повышением ее разветвленности, увеличением числа двойных связей и симметрично расположенных алкильных групп.

Бензиновые фракции прямой перегонки сернистых нефтей с концом кипения 180-200°С содержат 60-80% парафиновых слабо разветвленных углеводородов и имеют октановые числа в пределах 40-50 (редко - ок. 70). бензины термического крекинга характеризуются большей детонационной стойкостью (октановые числа 65-70) благодаря высокому содержанию непредельных углеводородов; их добавляют только в автомобильные бензины. Еще более высокие октановые числа имеют бензины каталитического крекинга, что связано главным образом с повышенным содержанием в них ароматических и изопарафиновых углеводородов. Такие бензины часто используют в качестве базовых для приготовления товарных высокооктановых бензинов. Высокая детонационная стойкость бензины каталитич. риформинга (октановые числа 77-86 по моторному методу и 83-96 по исследовательскому) объясняется большим содержанием ароматических углеводородов и парафинов и олефинов разветвленного строения. У бензинов платформинга, содержащих до 70% ароматич. углеводородов, детонационная стойкость велика, но распределена по фракциям неравномерно.

Для улучшения детонационной стойкости базовых бензинов применяют высокооктановые компоненты (алкилат, алкилбензол и др.). Перспективно применение метил-трет-бутилового эфира - нетоксичной жидкости с октановым числом 117, не влияющей на др. эксплуатац. характеристики бензинов при содержании менее 11%. наиболее эффективный способ повышения детонационной стойкости - добавление антидетонаторов моторных топлив. Смесь свинцового антидетонатора с т. наз. выносителями продуктов сгорания - галогензамещенными углеводородами - называют этиловой жидкостью. Этилированные бензины токсичны, их обязательно окрашивают.

Эффективность этиловой жидкости в повышении октановых чисел зависит от хим. состава бензина. Свойство бензинов в той или иной мере повышать свою детонационную стойкость при добавлении антидетонаторов принято называть приемистостью.

Наибольшая приемистость к свинцовым антидетонаторам у прямогонного бензины. Как правило, чем ниже детонационная стойкость бензины, тем выше его приемистость. Первые порции свинцовых антидетонаторов более эффективны, чем последующие. Допустимое содержание алкилсвинцовых антидетонаторов в авиац. бензинах в 3-4 раза больше, чем в автомобильных.

При сгорании рабочей смеси в двигателе может произойти самопроизвольное воспламенение независимо от времени подачи искры свечей зажигания. Это явление, вызывающее нарушение норм. сгорания, наз. поверхностным воспламенением, или калильным зажиганием. Источниками его м. бензины перегретые выпускные клапаны, свечи, кромки прокладок, тлеющие частички нагара и т.д. Калильное зажигание делает сгорание неуправляемым, приводит к снижению мощности и экономичности двигателя.

Калильная стойкость бензины повышается с увеличением октановых чисел. Для оценки склонности бензины к калильному зажиганию приняты т. наз. смеси ТИБ - смеси изооктана с бензолом, содержащие тетраэтилсвинец. В этих смесях изооктан принят за эталон, имеющий 100 условных единиц, а бензол - за эталон, имеющий 0 единиц. За число ТИБ принимают состав такой эталонной смеси, применение которой устраняет калильное зажигание в стандартных условиях испытаний.

Большое значение имеет химическая стабильность бензинов Реакционно способные соед., содержащиеся в бензинах, подвергаются окислению О₂ воздуха с образованием смолистых веществ, нарушающих работу двигателя. Парафиновые, нафтеновые и ароматич. углеводороды в условиях хранения и транспортировки окисляются относительно медленно. наиболее склонны к окислению непредельные углеводороды. Наименее стабильны диены с сопряженными двойными связями и производные бензола с двойными связями в боковой цепи. Олефины с двойной связью в конце цепи окисляются труднее, чем со связью в середине цепи. Относительно легко окисляются циклоолефины и олефины с разветвленной цепью. На окисление бензины влияют примеси: серосодержащие соед. в больших концентрациях ускоряют процесс, некоторые кислородсодержащие соед. - замедляют. Окисление бензины имеет индукц. период; чем больше его длительность, тем бензины стабильнее.

Бензины термического крекинга и коксования содержат большое количество непредельных углеводородов и имеют низкую хим. стабильность. Более стабильные бензины получают с помощью каталитических процессов. Однако бензины одноступенчатого каталитического крекинга содержат много непредельных углеводородов имеют невысокий индукционный период окисления. Бензины каталитич. риформинга, а также продукты алкилирования, изомеризации, гидрирования прямогонного бензины почти не содержат непредельных углеводородов отличаются высокой стабильностью.

Наиболее эффективный и экономически выгодный способ повышения хим. стабильности бензинов - введение анти окислительных присадок, главным образом производных фенола, ароматич. аминов и аминофенолов. Эти соед. ингибируют цепное окисление и тем самым увеличивают длительность индукц. периода.

Смолистые вещества, образовавшиеся в результате окисления бензинов, при испарении углеводородов в карбюраторе оседают на стенках и превращаются в твердые, трудно удаляемые отложения, что мешает работе двигателя. Склонность бензинов к образованию смолистых отложений оценивают содержанием (в мг на 100 мл горючего) фактич. смол - продуктов, образующихся при выпаривании горючего в стандартных условиях испытаний. Содержание фактических смол в авиац. бензины не должно превышать 4 мг/100 мл, в автомобильных - 15.

Склонность к образованию нагаров (твердых углеродистых отложений) в камерах сгорания зависит от количества и хим. свойств содержащихся в них ароматических углеводородов и серосодержащих соед., а также от объема введенной этиловой жидкости.

Коррозионная активность бензинов обусловливается присутствием серо- и кислородсодержащих соед., водорастворимых кислот и щелочей. Все серосодержащие соед. в то-пливах по коррозионному воздействию на металлы принято делить на соед. "активной серы" и соед. "неактивной серы". К первой группе относят H₂S, элементную серу и тиолы (меркаптаны), т.е. вещества, которые могут взаимод. с металлами при обычных температурах. Показателями коррозионной активности бензинов служат обычно общее содержание серы (в %) и кислотность - количество мг КОН, необходимое для нейтрализации 100 мл топлива. Общее содержание серы в автомобильных бензины не должно превышать 0,15%, в авиационных -0,05%, кислотность не более - 3 и 1 мг КОН/100 мл соответственно. Бензины проникает в организм в основном через легкие. Опасность отравления существует на всех этапах его производства, транспортировки и особенно при его использовании. ПДК паров от 100 до 300 мг/м³. При остром отравлении парами появляются головная боль, неприятные ощущения в горле, кашель, раздражение слизистой оболочки глаз, носа, в тяжёлых случаях - головокружение, неустойчивая походка, психич. возбуждение, замедление пульса, иногда - потеря сознания. При хроническом отравлении обычны жалобы на головную боль, головокружение, расстройство сна, раздражительность, повышенную утомляемость, похудание, боли в области сердца и др.

При острых отравлениях необходимы свежий воздух, кислород, сердечные и успокоительные ср-ва. При попадании бензинов в желудок принимают внутрь растит. масло (30-50 г). Лица, страдающие функциональными заболеваниями нервной системы и эндокринных органов, к работе с бензины не допускаются.

Бензины предназначены для применения в поршневых двигателях внутреннего сгорания с принудительным воспламенением (от искры). В зависимости от назначения их разделяют на автомобильные и авиационные.

Несмотря на различия в условиях применения автомобильные и авиационные бензины характеризуются в основном общими показателями качества, определяющими их физико-химические и эксплуатационные свойства.

Современные автомобильные и авиационные бензины должны удовлетворять ряду требований, обеспечивающих экономичную и надежную работу двигателя, и требованиям эксплуатации: иметь хорошую испаряемость, позволяющую получить однородную топливовоздушную смесь оптимального состава при любых температурах; иметь групповой углеводородный состав, обеспечивающий устойчивый, бездетонационный процесс сгорания на всех режимах работы двигателя; не изменять своего состава и свойств при длительном хранении и не оказывать вредного влияния на детали топливной системы, резервуары, резинотехнические изделия и др. В последние годы экологические свойства топлива выдвигаются на первый план.

Ассортимент, качество и состав автомобильных бензинов.

Основную массу автомобильных бензинов в России вырабатывают по ГОСТ 2084-77 и ГОСТ Р51105-97 и ТУ 38.001165-97. В зависимости от октанового числа ГОСТ 2084-77 предусматривает пять марок автобензинов: А-72, А-76, АИ-91, АИ-93 и АИ-95. Для первых двух марок цифры указывают октановые числа, определяемые по моторному методу, для последних - по исследовательскому.

В связи с увеличением доли легкового транспорта в общем объеме автомобильного парка наблюдается заметная тенденция снижения потребности в низко октановых бензинах и увеличения потребления высокооктановых.

Бензин А-72 практически не вырабатывается ввиду отсутствия техники, эксплуатируемой на нем. Наибольшая потребность существует в бензине А-92, который вырабатывается по ТУ 38.001165-97, хотя доля бензина А-76 в общем объеме производства остается очень высокой. Указанные ТУ предусматривают также марки бензинов А-80 и А-96 с октановыми числами по исследовательскому методу соответственно 80 и 96.

Эти бензины предназначены в основном для поставки на экспорт. Бензин АИ-98 с октановым числом 98 по исследовательскому методу производится по ТУ 38.401-58-122-95 и ТУ 38.401-58-127-95. Бензины А-76, А-80, АИ-91, А-92 и А-96 допускается вырабатывать с использованием этиловой жидкости. Мало этилированный бензин АИ-91 с содержанием свинца 0,15 г/дм3 выпускается по отдельным техническим условиям (ТУ 38.401-58-86-94). При производстве бензинов АИ-95 и АИ-98 использование алкилсвинцовых антидетонаторов не допускается. Требования ГОСТ 2084-77 к качеству автомобильных бензинов приведены в таблице. Все бензины, вырабатываемые по ГОСТ 2084-77, в зависимости от показателей испаряемости делят на летние и зимние. Зимние бензины предназначены для применения в северных и северо-восточных районах в течение всех сезонов и в остальных районах с 1 октября до 1 апреля. Летние - для применения во всех районах кроме северных и северо-восточных в период с 1 апреля по 1 октября; в южных районах допускается применять летний бензин в течение всех сезонов. Параметры автомобильных бензинов, вырабатываемых по ГОСТ 2084-77, существенно отличаются от принятых международных норм, особенно в части экологических требований. В целях повышения конкурентоспособности российских бензинов и доведения их качества до уровня европейских стандартов разработан ГОСТ Р 51105-97 "Топлива для двигателей внутреннего сгорания. Неэтилированный бензин. Технические условия", который вводится в действие с 01.01.99 г. Этот стандарт не заменяет ГОСТ 2084-77, которым предусмотрен выпуск как этилированных, так и неэтилированных бензинов. В соответствии с ГОСТ Р 51105-97 будут вырабатываться только неэтилированные бензины (максимальное содержание свинца не более 0,01 г/дм3).

В зависимости от октанового числа по исследовательскому методу установлено четыре марки бензинов: "Нормаль-80", "Регуляр-91", "Премиум-95", "Супер-98". Бензин "Нормаль-80" предназначен для использования на грузовых автомобилях наряду с бензином А-76. Неэтилированный бензин "Регуляр-91" предназначен для эксплуатации автомобилей взамен этилированного А-93. Автомобильные бензины "Премиум-95" и "Супер-98" полностью отвечают европейским требованиям, конкурентоспособны на нефтяном рынке и предназначены в основном для зарубежных автомобилей, ввозимых в Россию.

С целью ускорения перехода на производство неэтилированных бензинов взамен этиловой жидкости допускается использование марганцевого антидетонатора в концентрации не более - 5 мг Мn/дм3 для марки "Нормаль-80" и не более 18 мг Мn/дм3 для марки "Регуляр-91". В соответствии с европейскими требованиями по ограничению содержания бензола введен показатель "объемная доля бензола" - не более 5 %. Установлена норма по показателю "плотность при 15 °С". Ужесточена норма на массовую долю серы - до 0,05 %. Для обеспечения нормальной эксплуатации автомобилей и рационального использования бензинов введено пять классов испаряемости для применения в различных климатических районах по ГОСТ 16350 - 80. Наряду с определением температуры перегонки бензина при заданном объеме предусмотрено определение объема испарившегося бензина при заданной температуре 70, 100 и 180 °С. Введен показатель "индекс испаряемости". В ГОСТ Р 51105-97 наряду с отечественными включены международные стандарты на методы испытаний (ISO, EN, ASTM).

Нормы и требования к качеству автомобильных бензинов и характеристики испаряемости по ГОСТ Р 51105-97 приведены в таблице.

Таблица - Нормы и требования к качеству автомобильных бензинов по ГОСТ Р 51105-97:

автомобильный бензин топливо

Таблица - Бензины автомобильные. Общие технические условия:

Размещено на Allbest.ru