Лаврик А.Н. Топливо для ДВС

Подождите немного. Документ загружается.

УДК 6S2.7(07)

Даврик А.Н. Топливо для ДВС: Уч. поо. по курсам "Топливо для ДВО",

"Автомобильные эксплуетацноннзе материалы". - Челябинск:ЧПИ, 1983;;-926

Рее оно граны вопросч проивводства я ясподьзованяя ррадичЕмх топ-

лм в двигателях внутреннего сгорания. Поообяе ере дна значено для

студентов специальностей 0523,

0534 ,

05 Г

, 1609 я специалистов, за-

яямаюцихея применением различна* тошиш в ДВО.

8а. - 37, табл. - 13, лшт. - 17 неим.

Рецензенте: В.Н.Попов, Б.Д.Арав.

(с) Челябинский политехаический институт

йменй Ленинского комсомола, 1983.

ввзздвш

Сегодня и в ближайшие 15...20 лет

осяоьят

потребителем одного

из важнейших минеральных ресурсов - нефти - является двигатель внут-

реннего сгорания СДВО). В ДВС ежегодно сжигается более двух милли-

ардов тони топлив нефтяного происхождения. На б л вдается тенденция

использования в качестве исходного сырья для получения топлив газо-

вого конденсата, природного и промышленного газа, угля, сланцев,

биомассы. Это объясняется ограниченным ресурсом не^уи и увеличением .

суммарной мощности ДВС. Уке сегодня на долю поршневых двигателей

приходится более 85% вырабатываемой энергии в мире.

Большие объемы производства топлив вое острее ставят задачу раци-

онального использования топлив и походного минерального сырья. Ус-

пешное решение задачи возможно при научно обоснованной техни-

ческой политике а области двигателестроения, в области производства

топлив и эксплуатации.

В области двигателестроения задача равдональногс использования

сырья и тоглив решается экономически обссногэнным соотношением ди-

зельных и карбюраторных двигателей, уменьшением колЕчества топлива,

необходимого для получения единицы мощности, и снижением чувотвитель-.

ности дизельных двигателей к виду применяемого топлива за с

,т

ет ши-

рокого внедрения в кародноо хозяйство многотогашзкых двигателей. В

области производства томив - технико-экономическим обоснованием

ассортимента, технологии получения и показателей качества топлив,

увеличением выхода топлив из нэфти. "В области эксплуатации - обеспе-

чением требуемого технического состояния двигателей и транспортных

средотв, улучшением условий их эксплуатации, разработкой обоснован-

ных критериев на сроки смены масел и смазок.

Форсирование двигателей по скоростному и нагрузочному режиму, при-

менение наддува, увеличение моторесурса, снижение токсичности вых-

лопных газов, улучшение вибро-акустических характеристик, облегче-

ние пуска двигателей при низких температурах предъявляют повышенные

требования к качеству эксплуатационных материалов.

Большой крут проблем, возникающих в единой системе "двигатель -

топливо - смазывающие материалы - эксплуатация" диктует необходимость

изучения студентами автотракторных специальностей физико-химических

свойств топлив, способов их получения, процессов, протекающих в топ-

ливе х при работе двигателей, закономерностей взаимосвязи

качества тошшв и двигателей, вопросов рационального использования

то пли» в народней хозяйстве,. •

I. СЫРЬЕВЫЕ РЕСУРСЫ ДНЯ ПРОИЗВОДСТВА ТОШШВ

I.I. Структура минеральных сырьевых ресурсов

5 топливно-энергетическом балансе mm (на 1980 г Л нефть и га-

зовый конденсат составляют 45, газ 19, уголь 25, гидроэнергия 7,

ядерная энергия 3 ж другие виды знергин 1%.

Основным минеральным сырьем для производства топжв является

нефть. Это- традиционный вид сырья. К нетрадиционным видам сырья от-

носятся црнродрчй газ, газовый конденсат, уголь, торф, горючие слан-

цы, биомасса. Доля нетрадиционных видов сырья в производстве тошгав

ежегодно будет возрастать из-за ограниченности запасов нефти.

Ценность сырья для производства топлив характеризуется рядом по-

казателей: наличием запасов, удобством технологической переработки,

выходом товарного продукта, содержанием балласта и вредных примесей,

степенью сложности добычи. Этим требованиям в наибольшей степени

удовлетворяют нефть, газовый конденсат, каменный уголь и природный

газ.

Современная оценка мировых сырьевых ресурсов, по данным IX Миро-

вой энергетической конференции (МИРЭК), следующая:

уголь - 7000... 10000 млрд.т (из них 25$ извлекаемые);

нефть - 90...100 млрд,т (50$ извлекаемые);

природный газ - 40...50 тыс.км

(80$ извлекаемые).

2 среднем, по наиболее достоверным оценкам, з мировых запасах

ископаемых энергоресурсов уголь занимает 80...85$, нефть - около 10$,

природный газ - свыше Ъ$, торф я горючие сланцы по 1%, Потенциально

извлекаемые запасы газовых конденсатов составляют примерно 105? запа-

сов нефти.

• Приведенные данные показывают, что запаон нетрадиционного сырья

зяачцтельно превосходят традиционные, что в скором будущем должно

привести к коренным изменениям в технологии производства топлив.

1.2. Потребление минеральных сырьевых ресурсов

В настоящее время ископаемые минеральные топлива практически пол-

ностью обеспечивают энергетические потребности человечества. Более

40? аз них удовлетворяются за счет нефти. На нужды всех видов тран-

спорте расходуется около 30$

игровой

добычи нефти, примерно половина

которой нспользуетая автомобильным транспортом.

Во всех технически развитых странах до 70$ электроэнергии произ-

водит ая на базе нефти и газа. По данным IX МИРЭК 1974 г., при шро-

ВОЯ потребления топлива на уронив 1970 v. (7 шрд.т условного топ-

лива) запасов нефти хватит на 38 лет, а природного газа - на 20 лег.

Прогнозное потребление минеральных гомго к 2000 году составит 20...

25 мл^Д.т условного топлива"и обеспеченность запасов енязится втрое.

Потребление анергии в мире удягшвзется через хяздве 20 лет, в на-

шей стране - через 15 лет. ^

Спрос не нефть уже не удовлетворяется г? 1980 г. В ближайший пери-

од дефицит нефти будет компенсироваться зя счет перевода отдельных

потребителей нефти на газ, угадь, слагай, spa увеличении доли нефти,

вдуией на производство автотракторных тсиянв. В настоящее время огром-

ная доля нзфтя (более 40$) сжигается- в тле котелыгсго тошгизз, что

экономически не-целесообразно.

В перспективе возможно рэоаырекяв онрьвшй банк дль. автотрактор-

них тошшв путем использования каменного угля, потенциальных запасов

которого, даже при повышением нотреблеиет, хватит на 200...250 яет.'

Из одной тонна угля можно получить 650 литров похожей на нефть жадно

он, из которой можно вырабэтгвать топлива Для ДВС.

Нефть газ является ценным хкжческлк сырьем, и юс взпасы незо-

зобновляемы. Поэтому использование этих ввдов сырья должно рассмат-

риваться как вынужденное и временное мероприятие. Кардинальное я

долгосрочное решение проблемы энергообеспечения транспорта должно

основываться на практическом использовании нетрадиционных невоаобно-

ваяемых и возобновляемых эиергетичеокях ресурсов.

1.3. Нефть и ее свойства

Нефть представляет собой горючую жидкость, состоящу® из химичес-

ких соединений различных физико-химических свойств (ФХС). Проиохо*-'

дение нефти до настоящего времени спорно. Наибольшая признание:.! поль-

зуется теория органического проясхоаденая, согласно которой нефть об-

разовалась из остатков.растений и животных. Эту теорию вьдаккул ака-

демик И.М.Губкин. Д.И.Менделеев считал, что нефть образовалась не ив

органических веществ, а при взаимодействии карбида хелеаа о водяным

паром. Схематически этот процесс можно описать уравнением*.

2 FeC + 3 %<} a Fe

+ ~

%. "

Современная теория утверадсет, что вефть и газ являются продукте-

ми процесса преобразования органических ввшазта.

Первая нефтяная еяважша й мире была пробурена в Еаку русским ин-

женером Семеновым. По гведавчу виду ив§-Ъ - маслянистая жидкость ча-

ше темного tteeia

(

реле ояетяочШхяа шт бесцветная, с характерная

запахом. Плотность нефтя находятся в пределах 0,73...1,0 кг/м

, Цр

сгорании I кг нефти выделяется 43125...45635 кДк теплоту.

Для нефти и топ-лв различают элементарный, индивидуальный и груп-

повой химический состав (ХС).

Элементарным 1С называют массовое содержание в тошшве различных

химических элементов независимо от того, в состав каких соединений

они входят.

Индивидуальным ХС называют массовое содержание в топливе индиви-

дуальных химичепких соединений.

Групповым ХС топлива называют процентное по массе содержание в

в топливе тех ш иных групп (рядов) химических соединений.

Элементарный ХС нефти колеблется в небольших пределах: углерод

С - 84...86$; водород Н - 12,..145?; кислород 0 - 0,1...!,^; азот

А/ - 0,02...0,7%; сера S - 0,01...4,5%.

Из приведенных данных следует, что нефть в основном состоит из

углерода п водорода.

Групповой состав нефти определяют следующие углеводороды:

метановые углероводо^оды, или алканы,

нафтеновые углеводороды, или цикланы,

ароматические углеводороды, или бензольные.

Метановые углеводороды образуют одну из основных групп. Углеводо-

роды получили название от первого представителя ряда - метана СН

Атомы углерода метановых углеводородов соединены простыми валентными

связями и образуют открытые, незамкнутые цепи о общей формулой

Известны углеводороды, в молекулу которых входит до 70 атомов уг-

лерода. Физические свойства метановых углеводородов зависят от коли-

чества атомов углерода в молекуле. Углеводороды Cj.,.С

- газы,

Cg,,.Cjg - жидкости, Cjg и более - твердые вещества, растворенные в

нефта, которые называются парафинами.

Метановые углеводороды до предела насыщены атомами водорода, поэ-

тому оаа при нормальных условиях не способна присоединять другие

элементы. Их называют наоыщеннымн, или предельными, и относят к хи~

шгееоки стойким веществам. Химические свойства зависят от структуры

молекулы, от степени -ее компактности.

Различают нормальные алканн с неразветаленнш.ш цепями атомов уг-

лерода s изомерные им углеводороды - озоалканы, которые имеют развет-

здгвшше цепи, Изовлканы имеют более низкую температуру кипения и бо-

лее ввоокув детонационную стойкость по сравнению о нормальными угле-

водородами. ~ -

6 -

бутан

fin

! i I 1

н н н и

_ с— с—Ь— с—i—i

i * •

Шадутан Ottf/o

ИНН

ffz/тан Cs На

Н И Н Н Н И Н И

Н-С-С—С-Н

i I I

Н [.

-с

I I

с-н

н и н н н н н и

Цимопркшан СэНб Цш/ютятанСеНю

stt

О—С

Вен&ол

Се Не

н-

S ч

-с с

I ft

с с-н-

\ /

и к /Н

\л /

с с

н н н

Ta/i«o/i^ СтНг

Н-С-Н

^ N

н-с с-н

н-с

>с'

Рис. I. Строение молекул метановых (а), нафтеновых (б) и

^ароматических (в) углеводородов

Нафтеновые углеводороды являются второй основной группой, содер-

жащейся в нефтя я нефтепродуктах (рис. I). Нафтеновыми называют такие

насшеннве углеводорода, в которых атомн углерода в молекуле образуй

замкнутый цикл с просташ валентными связям». Общая формула моно- •

циклических нафтенавшс углеводородов - СдЯ^н* бициклетеских -

Hgjj_2. Нафтеновые углеводорода с числом атомов углерода 5 га 6

я цикле являются основной частью нефтяных омазочных масел.

Ароматические углеводорода (рис. 1> получили название из-за харак-

терного запаха. Проотейвий представитель ряда - бензол CgHg. Общая

;

формупа моиоиикличеокюс ароматических углеводородов - су^н-б'

ияюпгаеоктс - СцН^^- Особенностью арокатачеопих углеводородов

является наличке к&гьцевой углеродной, структуры о шести членным яд-

ром и тремя двойными связями...

При равном кояячйстве атомоз углероде в молекуле наиболее терми-

чески уптоЯчиг-ые ароматические, затем нафтеновые я метановые углево-

дороды, Под термической стабильность» понимают устойчивость молеку-

ла утлзводородп к воздействию тепла, вызыватецу ее распад на струк-

турные элементы (радикалы, водород и т.п.).

Содержание метановые, нафтеновых и ароматических углеводородов в

скрой исфта достигает 80%. В нефти содержится незначительное" количе-

ство слефинэзах и ацетиленовых углеводородов. Их называют иногда со-

отвегетвенио алкепы и_алкшя (рас. 2). Это непредельные углеводорода.,

Яервадг представителем ряда елкенов является этилен СЛ^, а алкииов «

Этшеа СгНч 2- метшпрален Cvfts

1 ? ? ч

~£ а с-с~с-н

f i ill

Н Я А I

и-с-н

faemamt CzHz f-Samuf/O/is J*

н н

Н-ОС-Н f н-с&с-с-с-н

I I

пн

Рве. 2. Строениз молекул олефиновнх (а) а ацетиленовых (б) __

углеводородов

ацетилен С^. Эти углеводороды образуются в основном при получе-

ния тЬплив деструктивными методами переработл» иефтя.

1.4. Газовнй конденсат

В нашей- стране открыты сотни газоконденоатчх месторождений. Наи-

более крупные из них находятся на Севере отдан». На эткх мастороада-

кЯЯХ(

в отличие от газовых, наряду с нрироднш газом добивается га-

зовый конденсат." Газокояденсатнзя залежь - это система, в которой

углеводороды находятся в газообразном состоянии, но при изотермиче-

ском снижении давления из газа в процессе его добычи выделяется жвд-

крч углеводородная фаза - газовый конденсат, т.е. газовкй iконденсат

являетой попутным продуктом газа на газоконденсатнкх месторождениях,

В I К

газа может содержаться от долей кубического сантиметра до

нескольких сотен кубических сантиметров газового конденсата. При со-

держаний в 1м -газа 200 см^ газового конденсата соотношение по

теплу конденсата к газу составляет около 25$. Например, запасы сухо-

го газа Вуктылского гз з ок окде не а тн ого местороадения составляют

500 млрд.м

, а конденсата - 188 млн.т. Это говорит о сущестрадной •

доли тазоваго конденсата в энергетическом балансе страны. Значи-

тельное количеезо газового конденсата добывается в отдаленных рай-

онах, куда завоь нефтепродуктов затруднен н обходится дорого. Поэто-

му рациональное использование газовых кондепоегов этих районов тлеет

особое значение.

По групповому составу газовые конденсаты представляют собой смесь

различных углеводородов, т основном метановых и нафтеновых. 3 га-

зовых конденсатах многих' месторождений содержится небольшое количе-

ство вредных примесей, что позволяет непосредственно на мастороаде-

ниях баз значительных капитальных затрат получать автомоторные

топлива.

Особенность газоконденоатннх залеяей состоит в том, что при их

разработке качественно меняется углеводородный состав, выделяется

вое большее количество легких углеводородов. Это необходимо учиты-

вать при разработке технологической схема переработки газового кон-

денсата.

1.5. Природный и попутный нефтяной газ

Природный газ -добывают на газовых и газоконденоатннх месторожде-

ниях. Это основной вид промышленного топлива. По данным журнала

" PAUxKOpani 'ЗмишсЫлп " (1974 г. ) Британского королевского, обте-

gTBa, геологические запасы природного газа в СССР составляют около

68% от мировых.

Горючая масса природного газа состоит из метана и его гомологов:

этана, пропана, бутана и пентаяа. В газе редко содержатся непредель-

квв углеводорода и сера. Однако имеются газа, содержащие до 5% газо-

вой серн. Свойства газа зависят от глубины залегания. При увеличе-

нии глубины увеличивается содержание в газе более тяжелых компонентов.