Ахметов С.А. Лекции по технологии глубокой переработки нефти в моторные топлива

Подождите немного. Документ загружается.

3. Применение таких альтернативных топлив, как:

— газообразные углев-дные топлива и в-д;

— топливо из углей, сланцев и других ненефт. горючих ис-

копаемых;

— кислородсодерж. топлива и их компоненты (спирты, эфи-

ры и др.).

Для решения достаточно сложных инженерно-техн.

и науч. задач по перечисленным выше направлениям воз-

никла и развивается новая самостоятельная отрасль науки,

получившая название химмотологии.

Химмотология — это наука о кач-ве и рациональном

применении в технике топлив, масел, смазок и спец. жид-

костей.

Химмотология опирается на такие науки, как хим. тех-

нология топлив и масел, физ. химия горения топлив, тепло-

техника, машиноведение, квалиметрия (наука о кач-ве про-

дукции), трибология (наука о трении и износе механизмов),

эконо мика и экология и т. д. Она явл. по существу связую-

щим и координирующим звеном в химмотологической сис-

теме ТСМ — ДВС-эксплуатация.

Под кач-вом ТСМ понимается совокупность св-в, обу-

словливающих их пригодность для ис пользования по назна-

чению.

Всю совокупность св-в, определяющих кач-во ТСМ,

можно подразделить на след. три группы:

1) физ.-хим.;

2) экспл.;

3) техн.

К физ.-хим. относятся св-ва, характеризующие состоя-

ние ТСМ и их состав (плотность, вязкость, теплоемкость,

элементный, фракционный и групповой углев-дный соста-

вы и т. д.). Эти методы позволяют косвенно судить о том или

ином эксплуатационном св-ве. Напр., по ФС судят о пуско-

вых св-вах бензинов, по плотн. РТ — о дальности полета

и т. д.

Экспл. св-ва ТСМ призваны обеспечить надежность

и экономичность экспл. двигателей, машин и ме ханизмов,

характеризуют полезный эффект от их использования по

назначению и определяют область их применения (испаряе-

мость, горючесть, воспламеняемость, ДС, прокачиваемость,

склонность к обр-ю отложений и т. д.).

Техн. (экологические) св-ва ТСМ проявл. в процессах

хране ния и транспортирования и длительной эксплуатации.

К ним относятся:

— физ. и хим. стабильность, биологическая стойкость;

— токсичность, пожаро-взрывоопасность, склонность

к элек тризации, коррозионная активность и т. д.

Необходимо отметить, что не все св-ва равноценны при

оценке кач-ва ТСМ. Принято наиб. важный показатель кач-

ва использовать при маркировке ТСМ. Напр., для АБ наиб.

важным экспл. показате лем кач-ва явл. ДС, поэтому она на-

шла отражение в марках бензинов в виде цифр, характери-

зующих ОЧ. Для ДТ определяющим св-вом явл. t

заст

, к-рую

и указывают при их маркировке (летние, зимние или аркти-

ческие топлива) и т. д.

Классификация и принципы работы тепловых дви-

гателей. Тепловые двигатели предназначены для преобр-я

тепловой энергии, выделяющейся при сгорании топли-

ва, в мех. Тепловые двигатели подразделяют на двигатели

с внешним сгоранием (паровые машины, паровые тур бины)

и ДВС.

Наиб. распространение среди тепловых двигателей по-

лучили ДВС. В этих двигателях осн. процессы — сжигание

топлива, вы деление теплоты и ее преобр-е в мех. работу —

происходят непос редственно внутри двигателя.

ДВС подразделяются на:

1) двигатели с периодическим сгоранием топлива (поршне-

вые);

2) двигатели с непрерывным сгоранием топлива.

Первая группа ДВС, в свою очередь, подразделяется на:

а) двигатели с принуди тельным воспламенением (БД);

б) двигатели с самовоспламенением — быс троходные и ти-

хоходные дизели.

Поршневые ДВС состоят (рис. 3.1) из камеры сгорания 1,

газораспределительных клапанов (впускных и выпускных)

2, цилиндра 3, поршня 4, шатуна 5, коленчатого вала 6,

картера 7, маховика и т. д. Для обеспечения рабочего цикла

ДВС имеют системы питания, зажигания, смазки и охлаж-

дения.

Рис. 3.1. Схема поршневого двигателя внутреннего сгорания

Вторая группа ДВС подразделяется на:

а) РД (ракетные и воздушно-реактивные);

б) газовые турбины (транспортные и стационарные).

Топливо в поршневых двигателях сгорает порциями. По-

точный цикл в них состоит из нескольких операций. Наиб.

распространены 4-тактные двигатели, в к-рых осуществля-

ется последовательно впуск воздуха или воздухо-топливной

смеси в камеру сгорания, ее сжатие, затем сгорание (рабочий

такт) и выхлоп отработавших газов. 4-тактные двигатели

наиб. экономичны и имеют лучшие по ср. с 2-тактными эко-

логические характеристики.

Двигатели с принудительным воспламенением (БД).

В двигателях этого типа воспламенение смеси топлива и воз-

духа осуществляется от внешнего источника — электричес-

кой искры (свечи).

По способу смесеобр-я двигатели, работающие на бен-

зине, подразделяются на карбюраторные (старые) и с впрыс-

ком топлива. Последние явл. более экономичными и эко-

логически чистыми и активно вытесняют карбюраторные

двигатели.

В последние годы (с середины XX в.) были разработаны

и внедряются РПД, работающие также на бензине.

В БД горючая смесь подвергается сжатию (до ε=7–9),

при этом топливо полностью испаряется, перемешивается

и нагревается. В конце такта сжатия в камеру сгорания по-

дается от свечи электри ческая искра, от к-рой смесь вос-

пламеняется и сгорает. В рез-те резко повышаются t и давл.

над поршнем. Под действием давл. поршень перемещается

в цилиндре (рабочий ход) и совершает полезную работу. За-

тем поршень выталкивает продукты сгорания в атмосферу

(выпуск). Рабочие такты двигателя регулируются с помощью

впускных и выпускных клапанов.

В ДВС рабочий такт совершается за счет энергии сгора-

ния топлива. Остальные такты рабочего цикла совер шаются

за счет энергии маховика, укрепленного на коленчатом валу.

Для обеспечения равномерной работы ДВС в одном блоке

распо лагают несколько цилиндров, поршни к-рых через ша-

туны при водят во вращение коленчатый вал. Сгорание и ра-

бочие циклы в цилиндрах происходят поочередно, что обес-

печивает стабильную и равномерную работу двигателя.

Роторно-топливные двигатели. Разработаны в 1954 г.

немецким изобретателем Ф. Ванкелем. Двигатель Ванкеля

имеет ряд преимуществ по ср. с традиционными поршне-

выми: менее чувствителен к ОЧ бензина, имеет меньшие

массу и габариты, благодаря отсутствию подвижных дета-

лей (только ротор и вал) меньше шумит и меньше подвержен

вибрациям; отсутствие деталей, совершающих возвратно-

поступательные движения, облегчает форсирование двига-

теля по оборотам (поэтому они получили распространение

на гоночных автомобилях).

В двигателях Ванкеля цилиндрический поршень заме-

нен на ротор треугольного сечения, вращающийся в полости

овальной формы. Система из эксцентрикового вала и шесте-

рен обеспечивает планетарное вращательное движение ро-

тора. При этом все три вершины ротора постоянно касаются

поверхности корпуса, разделяя его на 3 камеры. В корпусе

двигателя проделаны впускные и выпускные окна. Каждая

из камер последовательно друг за другом претерпевает впуск

и сжатие горючей смеси, рабочий ход и выхлоп (см. рис. 3.2).

Рис. 3.2. Принципиальное устр-во и схема работы двигателя Ванкеля:

1— корпус; 2 — полость циклоидной формы; 3 — ротор; 4 — планетарная пере-

дача с эксцентриковым валом; 5 — впускное окно; 6 — выпускное окно;

7 — свеча сжигания. Фазы работы (по заштрихованной камере, вращение ро-

тора осуществляется по часовой стрелке): а — впуск горючей смеси; б — сжа-

тие; в — воспламенение сжатой смеси; г — рабочий ход; д — выпуск

Двигатели с самовоспламенением (дизели). Особеннос-

тью рабочего цикла ДД явл. самовоспламенение горючей

смеси без какого-либо внешнего источника воспламенения.

В отличие от БД в такте впуска дизеля в цилиндр по-

сту пает не горючая смесь, а только воздух. Воздух затем

подвергается сильному сжатию (ε =16–20) и нагревается до

500–600 °С. В конце такта сжатия в цилиндр под большим

давл. впрыскивается топливо через форсунку. При этом топ-

ливо мелко распыливается, нагревается, испаряется и пе-

ремешивается с воз духом, образуя горючую смесь, к-рая

при высокой t самовоспламеняется. Все остальные стадии

рабочего цикла проис ходят так же, как и в карбюраторном

двигателе. Более высокая степ. сжатия в дизеле обеспечи-

вает более высокий КПД двигателя. Однако высокое давл.

требует применения более прочных толстостенных деталей,

что повышает мат-лоемкость (массу) дизеля.

Двигатели с непрерывным сгоранием топлива. Осн.

элемент таких двигателей — камера сгорания постоянного

объема. В нее непрерывно подаются горючее и окислитель.

Газовый поток продуктов сгорания за счет высокой t приоб-

ретает большую кинетическую энергию, к-рая преобразуется

в т. н. реактивную силу тяги двигателя или энергию враще-

ния ротора газовой турбины. Реактивная сила тяги, возникаю-

щая при истечении газов из сопла, не зависит от скорости

движения реактивной установки и от плотн. окружающей

среды, как у винтовых транспортных средств, и может обес-

печивать движение летательных аппаратов в безвоздушном

межпланетном простран стве. Эта особенность реактивного

движения легла в основу созда ния ракет.

Подавляющее бол-во совр. самолетов оборудовано ВРД.

Обычно в ВРД между камерой сгорания и реактивным со-

плом устанавливают газовую турбину. Часть кинетической

энергии газового потока преобразуется во вращательное

движение турбины. На одном валу с турбиной обычно ус-

танавливают компрессор, к-рый сжимает воздух и подает

его в камеру сгорания, а также генератор, масляный и топ-

ливный насосы и т. д. После турбины продукты сгорания

поступают в реактивное сопло, где осн. часть кинетической

энергии газов преобразуется в реактивную силу тяги. По-

добные двигатели называют турбо-компрессорными воз-

душно-реактив ными двигателями. Они получили широкое

распростране ние в совр. авиации. Турбо-компрессорными

воздушно-реактив ные двигатели относятся к двигателям

с непрерывно-протекающим рабочим процессом. Топливо

подается в камеру сгорания непрерывно, и процесс горения

протекает посто янно. Внешнее зажигание необходимо толь-

ко в начальный момент пуска двигателя.

Поскольку при сгорании топлива в камере развивается

высокая t (1500–1800 °С), а мат-лы камеры, лопаток газовой

турбины и реактивного сопла не выдерживают столь вы-

соких t, горячие газы разбавляют вторичным воздухом не-

посредственно после зоны горения топлива. При смешении

газового потока с вторичным воздухом t смеси снижается до

850–900 °С. В зоне горения топлива необходимо создавать

условия для обеспечения ста бильности процесса горения без

срывов пламени. Скорость распрос транения фронта пламени

составляет ок. 40 м/с. Для снижения скорости газовоздушно-

го потока до величин менее скорости распрос транения фрон-

та пламени в камерах сгорания устанавливают разл. завихри-

тели, стабилизаторы, обтекатели, экраны и т. д. Эти устр-ва,

кроме того, повышают турбулентность движения горючей

смеси и тем самым увеличивают скорость ее сгорания.

ГТД по принципу работы почти аналогичны турбо-комп-

рессорным воздушно-реактив ным двигателям, в них отсутст-

вует только реактивное сопло. В ГТД вся кинетическая энер-

гия продуктов сгорания топлива пре образуется полностью во

вращательное движение вала газовой турбины и соотв. либо

в мех., либо электрическую энергию.

Лекция 6. Химмотологические требования к качеству

и марки авто- и авиабензинов

ДС явл. осн. показателем кач-ва авиа- и АБ. Она характе-

ризует способность бензина сгорать в ДВС с воспламенени-

ем от искры без детонации. Детонацией называется особый

ненормальный режим сгорания бензина в двигателе, при этом

только часть рабочей смеси после воспламенения от искры

сгорает нормально с обычной скоростью. Последняя порция

несгоревшей рабочей смеси, находящаяся перед фронтом

пламени, мгновенно самовоспламеняется, в рез-те ско рость

распространения пламени возрастает до 1500–2000 м/с,

а давл. нарастает не плавно, а резкими скачками. Этот рез-

кий перепад давл. создает ударную детонационную волну,

распрос траняющуюся со сверхзвуковой скоростью. Удар та-

кой волны о стенки цилиндра и ее многократное отражение

от них приводит к вибрации и вызывает характерный звон-

кий метал. стук высоких тонов. При детонационном сгорании

двигатель перегревается, появл. повышенные износы цилин-

дро-поршневой группы, увеличивается дымность отработав-

ших газов. При длительной работе на режиме интенсивной

детонации возможны и аварийные последствия. Особен но

опасна детонация в авиационных двигателях. На характер

сгорания бензина и вероятность возникновения детонации

в БД оказывают влияние как конструктивные особенности

двигателя (степ. сжатия, диаметр цилиндра, форма камеры

сгорания, расположение свечей, мат-л, из к-рого изго товлены

поршни, цилиндры и головка блока цилиндра, число обо-

ротов коленчатого вала, угол опережения зажигания, коэф.

избытка и влажность воздуха, нагарообразование, тепловой

режим в блоке цилиндров и др.), так и кач-во применяемого

топлива.

В БД наиб. благоприятны для бездетонационного го-

рения такие значения параметров, к-рые обеспечивают min

время сгорания, низкие t и наилучшие условия гомогениза-

ции рабочей смеси в камере сгорания. Из этого принципа

следует, что при конструировании БД следует стремиться

к уменьшению диаметра цилиндров, увеличению их числа

и числа оборотов коленчатого вала, к обеспечению интен-

сивного теплообмена в системе охлаждения, использовать

для изготовления блока цилиндров металлы с высокой теп-

лопроводностью, напр., алюминий; следует отдать предпоч-

тение таким формам камеры сгорания, к-рые обес печивают

наилучшие условия для перемешивания и одновр. отвода

тепла рабочей смеси и т. д. С повышением степ. сжатия

уменьшается время сгорания рабочей смеси и существен-

но улучша ются технико-экон. показатели двигателя, однако

при этом в рез-те повышения t в камере сгорания возрастает

вероятность возникновения детонации, а также неконтроли-

руемого самовоспламенения топлива.

Вероятность возникновения детонации при работе на

данном двигателе существенно зависит и от ХС применяе-

мого АБ: наиб. стойки к детонации арены и изо-алканы

и склонны к детонации н-алканы бензина, к-рые легко окис-

ляются кислородом воздуха.

Оценка ДС бензинов проводится на стандартном одно-

цилиндровом двигателе с переменной степ. сжатия (УИТ-65).

Определение ДС сводится к подбору смеси эталонных углев-

дов, к-рая при данной степ. сжатия стандартного двигателя

сгорает с такой же интенсивностью детонации, как и испытуе-

мый бензин. В кач-ве эталонных углев-дов приняты изооктан

(2,2,4-триметилпентан) и н-гептан, а за меру ДС принято ОЧ.

ОЧ изооктана принято равным 100, а гептана — нулю.

ОЧ бензинов — показатель ДС, численно равный про-

центному содерж-ю изооктана в эталонной смеси с н-геп-

таном, к-рая по ДС эквивалентна испытуемому бензину

в условиях стандартного одноцилиндрового двигателя.

ОЧ бен зинов выше 100 ед. определяют сравнением их ДС

с изооктаном, в к-рый добавлена антидетонационная при-

садка — тетраэтилсвинец (ТЭС). Определение ОЧ на уста-

новке УИТ-65 ведут при 2 режимах: в жестком режиме

с частотой вращения коленчатого вала двигателя 900 об/мин

(метод принято называть моторным) и в мягком режиме

с частотой вращения коленчатого вала двигателя 600 об/мин

(исследо вательский метод). ОЧ бензина, найденное по ис-

следовательскому методу (ОЧИМ), как правило, выше ОЧ,

определенного моторным методом (ОЧММ). Разницу между

ОЧИМ и ОЧММ назы вают «чувствительностью». Последняя

зависит от ХС бензина: наиб. у алкенов, несколько меньше

у аренов, затем идут циклановые и самая низкая чувстви-

тельность у алканов.

Осн. зако номерности влияния хим. строения углев-дов

и бензиновых компонентов на их ДС приведены в табл. 3.1:

1. Наим. ДС обладают н-алканы, наивысшей — арены. ДС

цикланов выше, чем у алканов*, но ниже, чем у аренов

с тем же числом атомов углерода в молекуле.

2. ДС у н-алканов резко снижается с увеличением их ММ.

3. ДС изо-алканов знач. выше, чем у н-алканов. Увеличение

степ. разветвленности молекулы, компактное и симмет-

ричное расположение метильных групп и приближение

их к центру молекулы способствует повышению ДС изо-

алканов.

4. Алкены обладают более высокой ДС по ср. с алканами

с тем же числом атомов углерода. Влияние строения ал-

кенов на их ДС подчиняется тем же закономерностям, что

и у изо-алканов. Повышению ДС алкена способствует

расположение двойной связи в его молекуле ближе к цен-

тру. Среди диалкенов более высокие ДС имеют углев-ды

с сопряженным располо жением двойных связей.

5. Наличие и удлинение боковых цепей нормального строе-

ния у цикланов приводит к снижению их ДС. Разветвле-

ние боковых цепей и увеличение их числа повышают ДС

цикланов.

6. ДС аренов, в отличие от др. классов углев-дов, не пони-

жается, а наоборот, несколько повышается с увеличением

числа углеродных атомов. Их ДС улучшается при умень-

шении степени разветвленности и симметричности рас-

положения алкильных групп, а также наличии двойных

связей в алкильных группах.

Лучшими компонентами высокооктановых авиа- и АБ

явл. изо-алканы и до определенного предела — арены (чрез-

мерно высокое содерж-е аренов приводит к ухудшению др.

показателей кач-ва бензинов, таких как токсичность, нага-

рообр-е и др.).

* Н-алканы — исторически сложившееся тривиальное название

алканов линейной структуры.