Моторные и эксплуатационные свойства нефтепродуктов

Астраханский Государственный Технический Университет

Институт Нефти и Газа

Химическая технология переработки нефти и газа

 

 

 

Контрольная работа по предмету «Химия и первичная переработка нефти и газа»

 на тему: «Моторные  и эксплуатационные свойства  нефтепродуктов».

 

 

 

Выполнил: ст. гр. ДНХТ-31/1б Рычагова Е.С.

Проверил: д.т.н., проф. Тараканов Г.В.

 

 

 

 

 

Астрахань

2014

 

Нефтепродукт - Готовый продукт, полученный при переработке нефти,  газоконденсатного, углеводородного и химического сырья.

Физико-химическое свойство нефтепродукта - Составная часть эксплуатационного свойства нефтепродукта, характеризующая совокупность однородных явлений, определяемая в лабораторных условиях. [1]

Моторные и эксплуатационные свойства [2]

Под моторными свойствами нефтяных топлив понимают физические величины, характеризующие особенности их горения внутри соответствующего типа двигателя внутреннего сгорания. В связи с тем, что моторные свойства неразрывно связаны с типом двигателей внутреннего сгорания, необходимо предварительно ознакомиться с некоторыми принципиальными моментами их работы, определяющими характер горения топлива:

Рис.1. Принцип работы карбюраторных 4-тактных ДВС:

I – распыление топлива в карбюраторе (К) и образование ТВС; II – засасывание ТВС в цилиндр поршнем;  III – сжатие ТВС поршнем до 0,7 – 1,0 Мпа; IV – зажигание свечей сжатой ТВС и ее горение;  V – расширение продуктов горения (рабочий ход поршня); VI – выхлоп обработанных продуктов горения в атмосферу; О и З – открытое и закрытое положение всасывающего и выхлопного клапанов.

Рис.2. Принцип работы дизельного ДВС (ДНВД – дозировочный топливный насос высокого давления; I – всасывание воздуха в цилиндр поршнем; II – сжатие воздуха поршнем до 6-80 Мпа; III – впрыск порции топлива с помощью ДНВД и образование ТВС и ее воспламенение;  IV – расширение продуктов горения (рабочий ход поршня);  V – выхлоп отработанных продуктов горения в атмосферу).

Рис.3.Принцип работы турбокомпрессорного воздушно-реактивного двигателя:

I –всасывания воздуха в компрессор; II – сжатие воздуха осевым компрессором до 0,9-1,2 Мпа;    III – непрерывное распыление топлива в потом сжатого воздуха и его горение в камере сгорания; IV – вращение газовой турбины энергией газов; V – окончательное расширение продуктов горения и создание реактивной тяги; 1 - обтекатель; 2 – осевой компрессор; 3 – вал; 4 – газовая турбина; 5 – камера сгорания; 6 – топливные форсунки; 7 – топливный насос.

Работу описанных ДВС с циклической подачей топлива характеризуют следующие параметры:

• Качество ТВС, характеризуемое коэффициентом избытка воздуха: α = L/L0 , где L0 – теоретическое количество воздуха, необходимое для полного сгорания данного количества топлива, кг/кг; L – фактическое количество воздуха в ТВС, смешанное с данным количеством топлива, кг/кг. При α > 1 ТВС называют бедной (топливом), а при α < 1 – богатой. Значения α при скорости горения, близкой к нулю, называют концентрационными пределами воспламенения ТВС.
• Степень сжатия – это отношение объема цилиндра над поршнем в крайнем нижнем положении (НМТ) последнего к объему цилиндра над поршнем в его крайнем верхнем положении (ВМТ). Для карбюраторных ДВС эта величина обычно 8-12, а для дизельных – 40-60, причем чем выше степень сжатия, тем экономичнее ДВС. Ограничение степени сжатия у карбюраторных двигателей связано с тем, что сжатию подвергается горючая смесь, разогревающаяся в процессе сжатия, и степень ее разогрева определяет возможность самовозгорания. У дизельных двигателей сжимается только воздух и степень сжатия ограничивается прочностью стенок цилиндра. По этой причине дизельные ДВС значительно экономичнее.
• Угол опережения зажигания – это угол между осью цилиндра и кривошипом в момент подачи искры свечой. Смесь в цилиндре зажигается не тогда, когда поршень находится в крайнем верхнем положении, а несколько раньше, с тем чтобы начало активного горения ТВС пришлось на верхнее положение поршня. Этот угол определяется качеством ТВС, числом оборотов вала двигателя и др. и является важным параметром в установлении экономичного режима работы ДВС.

Детонационная стойкость

Детонационная стойкость – способность топлива сгорать в цилиндре двигателя с принудительным зажиганием без детонации. Явление детонации – следствие аномального горения ТВС в цилиндре. Характер горения топлива, пары которого сжаты в смеси с воздухом, определяют три группы факторов: химический состав топлива (бензина), т.е. соотношение в нем различных групп УВ; испаряемость бензины, т.е. его фракционный состав по точкам выкипания 50% (об.) и 90% (об.); качество ТВС по величине α. Нормальным считается горение, когда от точки зажигания (свечи) фронт пламени в цилиндре распространяется по радиусам сферы во все стороны со скоростью порядка 20-50 м/с.

Аномальное горение – это горение, когда одновременно с фронтом нормального горения, распространяющимся от свечи, в объеме ТВС, отдаленном от этого фронта, возникают множественные очаги самовозгорания (микровзрывы), от которых ударная волна распространяется со сверхзвуковой скоростью (до 330 м/с) во все стороны по несгоревшей части ТВС и многократно отражается от стенок цилиндра. Ударное действие этих волн проявляется в виде слышимого металлического стука.

Наиболее детонационно стойкими являются ароматические УВ, причем с увеличением длины боковых алкильных цепей у них снижается детонационная стойкость. К ароматическим по детонационной стойкости приближаются изоалканы, причем чем выше у них степень разветвленности, тем выше эта стойкость. Нафтеновые УВ занимают промежуточное положение, и для них, как и для ароматических, увеличение длины алкильных цепей уменьшает детонационную стойкость, а рост разветвленности этих цепей – увеличивает. Олефины по детонационной стойкости близки к нафтенам. Наименьшей детонационной стойкостью обладают нормальные алканы, причем увеличение длины цепи ее снижает.

Мерой детонационной стойкости топлива является октановое число (ОЧ) по условно принятой шкале. В этой шкале за 100 единиц принята детонационная стойкость  изооктана C8H18 , а за нуль принята детонационная стойкость н-гептана C7H16.

Октановым числом испытуемого бензина называют количество изооктана (в %об.) в его смеси с н-гептаном (эталонная смесь), при котором детонационная стойкость такой смеси эквивалентна детонационной стойкости испытуемого бензина в стандартных условиях испытания.

Октановое число бензинов зависит от соотношения в них групп УВ, и изменением этого соотношения подбирают нужное октановое число. С другой стороны, октановое число бензина находится в прямой зависимости от параметров двигателя, определяющих условия, благоприятствующие детонации, - степени сжатия, диаметра цилиндра и угла опережения зажигания.

Воспламеняемость

Свойством воспламеняться от контакта с горячим воздухом характеризуются дизельные топлива. В момент начала распыления дозы топлива в цилиндр двигателя протекают следующие процессы: испарения мельчайших капелек топлива в атмосфере разогретого до 500-600°С воздуха, образования смеси паров топлива с воздухом, интенсивное окисление УВ и, наконец, воспламенение смеси. Чем короче во времени все процессы до воспламенения (задержка воспламенения, или индукционный период), тем лучше моторное свойство дизельного топлива – воспламеняемость. Воспламеняемость, как и детонационную стойкость, оценивают по условной шкале цетановым числом. По этой шкале за эталон воспламеняемости (100 пунктов) принят н-гексадекан – C16H34 (цетан), а за нуль принята воспламеняемость α-метилнафталина - C11H10. Цетановое число (ЦЧ) зависит от соотношения H : C в молекуле УВ (чем оно выше, тем выше ЦЧ) и строения молекул УВ. Наибольшее значение ЦЧ у алканов, причем с ростос длины их цепи оно растет. Такая же зависимость наблюдается у олефинов и изоалканов, но наличие разветвлений в структуре молекулы снижает ЦЧ. Для моноциклических ароматических УВ зависимость подобна зависимости для алканов, а у бициклических ЦЧ близко к нулю.

Влияние ЦЧ на работу дизельного двигателя проявляется в следующем. Чем ниже ЦЧ топлива, тем больше задержка его воспламенения, причем эта задержка определяется также температурным уровнем в цилиндре, зависящим от температуры охлаждающей цилиндры воды. Т.о., при низком ЦЧ возникает большая задержка воспламенения, к моменту воспламенения в цилиндр поступает почти вся доза топлива и ТВС образуется почти по всему объему сжатого воздуха. В результате этого сокращается время на процесс сгорания ТВС, что обуславливает неполное сгорание топлива. Наибольшее влияние на снижение задержки воспламенения оказывает ЦЧ в пределах 45-50, и поэтому в нормах на товарное дизельное топливо ЦЧ нормируется не ниже 45.

Фильтруемость

Все топлива современных ДВС перед тем, как поступают в топливную аппаратуру, подвергаются тщательной фильтрации, и стабильная нормальная работа двигателя зависит от того, насколько долго работает фильтрующий элемент фильтра до забивки. Фильтр забивается примесями, имеющимися в топливах. Для оценки качества топлива по этому свойству стандартным методом (ГОСТ 19006-73) определяют коэффициент его фильтруемости. Коэффициент фильтруемости обычно лежит в пределах 1,5 - 3,5, а нормой для большинства ДТ является Кф < 3.

Высота некоптящего пламени

Этот показатель нормируется и определяется для авиационных и осветительных керосинов, для которых возникновение нагароотложений имеет существенное потребительское значение. Полное сгорание нефтепродукта без копоти зависит от многих факторов, но один из основных – его химический состав. Чем больше в топливе ароматических УВ, склонных больше других к нагарообразованию при горении, тем хуже горение.

Высоту некоптящего пламени (ВНП) указанных выше керосинов определяют по ГОСТ 4338-74 с помощью стандартной фитильной лампы, против пламени которой помещена градуированная в миллиметрах шкала. Контрольные измерения проводят на смеси толуол – изооктан, зависимость для которой известна (рис.4).

Рис.4. Зависимость ВНП от содержания толуола в смеси с изооктаном.

Для испытуемого топлива ВНП определяют трижды, среднее значение принимают за искомую величину. ВНП для керосинов обычно составляет от 20 до 35 мм.

Коксуемость

Это важное свойство характеризует коксообразующие (коксогенные) свойства НП (обычно тяжелых газойлей, мазутов и гудронов) в процессе их нагревания без доступа воздуха при высоких температурах (500 – 520°С). Коксуемость – технологическая характеристика, по которой оценивают возможное коксообразование в процессах термодеструктивных превращений нефтяных продуктов (термокрекинг, коксование) или коксоотложение на катализаторах.

Определяют коксуемость (по Конрадсону) прокаливанием навески (1-10 г) НП в стандартном тигле с закрытой крышкой, в муфельной печи при 520°С (ГОСТ 8852-74 или ГОСТ 19932-74). Образующиеся при этом пары выходят из-под крышки и сгорают, а остаток выдерживается при указанной температуре 30 мин. Количество образовавшегося кокса определяют по разности масс тигля с коксом и исходного тигля до заполнения его навеской, а коксуемость находят как отношение количества кокса к массе исходной навески (в % масс.). Коксуемость составляет от 0,2-0,5% (газойли) до 15-20% (гудроны).

Для оценки значения коксуемости нефтяной фракции, не прибегая к лабораторному анализу, можно использовать эмпирическое уравнение, полученное как результат обобщения экспериментальных данных по коксуемости более 50 различных по составу образцов НП:

CK = A exp (Bρ204),

где CK – коксуемость по Конрадсону, %; А и В – эмпирические коэффициенты (А=0,0058, В=7,8499).

Термическая стабильность

При нагреве топлив до высоких температур 100-150°С за счет окисления и образования при этом смолистых веществ они склонны к образованию твердых нерастворимых осадков. Эти вещества, осаждаясь в фильтрах топливной системы, могут их быстро забить и вывести тем самым ДВС из режима нормальной работы.

Для оценки склонности топлив к образованию таких веществ существуют методы оценки термостабильности топлив в статических (ГОСТ 9144-79) и динамических (ГОСТ 17751-72) условиях.

Коррозионная активность

Этим свойством обычно характеризуют взаимодействие топлива с цветным металлом (проба на медную пластинку) и на основании этого косвенно судят о наличии в топливе коррозионно-активных веществ (органических кислот и щелочей).

Стандарт предусматривает 4 класса степени коррозионной активности – легкое, умеренное и сильное потускнение и коррозия. В каждом из этих классов цвет пластинки оценивается от 2 до 5 баллов.

Кислотность

Это прямой показатель содержания органических кислот в НП, выраженный количеством щелочи, пошедшей на их нейтрализацию.

Методика определения (ГОСТ 5985-79) предусматривает определение кислотности (в мг КОН на 100 мл) для светлых НП и кислотного числа (в мг КОН на 1 г) – для масел и смазок. Содержание органических кислот определяют их титрованием, раствором гидроксида калия в присутствии цветного индикатора.

Кислотность и кислотное число нормируются, как правило, для всех видов товарных топлив и масел, поскольку определяют их коррозионных свойства при хранении, перекачке и в топливоподающих системах ДВС.

 

Список литературы:

1. ГОСТ 26098-84 «Нефтепродукты. Термины и определения»
2. Мановян А.К. «Технология переработки нефти и газа», с. 173-192, 2001г.