§ 2. Свойства нефтепродуктов и основные требования, предъявляемые к ним

Бензины. Авиационные и автомобильные бензины — смесь углеводородных компонентов, получаемых в результате различных технологических процессов переработки нефти.

Основные качественные показатели бензинов: фракционный состав, антидетонационные свойства, химическая стабильность и давление насыщенных паров.

Фракционный состав характеризует полноту испарения бензинов, что весьма важно для нормальной работы двигателей. Бензин должен сгорать в двигателе в течение 0,002— 0,004 с. Это произойдет в том случае, если он полностью испарится и смешается с воздухом в определенном соответствии.

При наличии в рабочей смеси неиспаренного бензина сгорание задерживается, двигатель перегревается и его мощность и экономичность уменьшаются.

В бензинах нормируются температуры выкипания определенных количеств промежуточных-фракций: 10, 50, 90%, а для авиационных бензинов 97,5%.

Температура начала кипения авиационных бензинов должна быть не ниже 40° С, автомобильных бензинов — не ниже 35° С.

Температура выкипания 10%-ной фракции для авиационных бензинов должна быть в пределах 75—82° С, а для автомобильных — в пределах 70—79° С.

Конец выкипания 97,5%-ной фракции авиационного бензина должен быть не выше 180° С; конец выкипания автомобильного бензина — не выше 195° С (для бензина А-66 — 205° С).

Упругость паров бензина, как и его фракционный состав, характеризует испаряемость топлива и возможность образования газовых пробок в системе питания двигателя. Чем выше упругость паров, тем выше испаряемость бензина, тем больше возможность образования газовых пробок. Последние образуются, когда упругость паров бензина равна внешнему давлению или превышает его.

Важнейшим показателем качества бензинов как моторного топлива является его детонационная способность.

При нормальном сгорании рабочей смеси в цилиндре двигателя пламя- распространяется со скоростью 20—30 м/с и поршень выталкивается плавно, без рывков. При определенных условиях смесь бензина с воздухом, подвергнутая сжатию, воспламеняется раньше срока, сгорает взрывоподобно, пламя распространяется со скоростью 2000—2500 м/с и поршень резко выталкивается. Это явление называется детонацией. Детонация в двигателе проявляется резкими стуками в цилиндрах, тряской мотора и недогоранием топлива (выбрасыванием пламени, сажи и дыма из двигателя). Двигатель перегружается, мощность его снижается, преждевременно изнашиваются и разрушаются его детали, увеличивается расход топлива.

Детонацию вызывают углеводороды, которые при сжатии рабочей смеси в цилиндре двигателя в условиях высоких температур и давлений становятся неустойчивыми и значительно быстрее, чем основная масса топлива, окисляются с кислородом воздуха, образуя легковзрывающиеся соединения. При накоплении их происходит преждевременный взрыв, когда сжатие рабочей смеси еще не достигло требуемой величины.

Высококачественное, недетонирующее топливо выдерживает высокую степень сжатия и, наоборот, чем ниже детонационная стойкость топлива, тем до меньшего объема можно сжать смесь его с воздухом в цилиндре двигателя. В то же время установлено, что с увеличением степени сжатия увеличивается экономичность двигателя, повышается его мощность и уменьшается расход горючего. Следовательно, увеличение степени сжатия требует топлива с более высокими антидетонационными свойствами; чем больше степень сжатия двигателя, тем выше должна быть детонационная стойкость топлива.

Детонационные свойства моторных топлив характеризуются октановым числом. Чем оно выше, тем меньшую детонацию вызывает топливо в двигателе. Октановое число определяют путем сравнения испытуемого бензина с эталонными топливами по их способности вызывать детонацию на одноцилиндровом двигателе внутреннего сгорания с переменной степенью сжатия в строго стандартных условиях.

В качестве исходных эталонных топлив приняты два химически чистых углеводорода парафинового ряда — гептан и изооктан. Гептан — в высшей степени детонирующий углеводород и его октановое число условно принято за нуль; наоборот, изооктан сгорает в двигателе без детонации, его октановое число принято за 100. (Есть углеводороды, октановое число которых выше 100; авиационные бензины, содержащие эти углеводороды, могут иметь октановые числа больше 100).

Если исследуемый бензин по своим детонационным свойствам подобен изооктану, его октановое число равно 100. В случае, когда этот бензин детонирует как гептан, его октановое число равно нулю.

Из гептана и изооктана готовят в различных пропорциях смеси, которые являются эталонами для сравнения с испытываемым топливом. Например, если детонационные свойства бензина подобны свойствам смеси, состоящей из 60% изооктана и 40% гептана, то октановое число бензина равно 60.

Для повышения детонационной стойкости к бензинам добавляют небольшое количество антидетонаторов, например тетра-этилсвинец (ТЭС), который применяют в виде этиловой жидкости, представляющей собой смесь тетраэтилсвинца с другими органическими веществами.

Бензины, содержащие этиловую жидкость, называются этилированными. Содержание этиловой жидкости в авиационных бензинах не должно превышать 4 мл на 1 кг бензина, а в автомобильных бензинах — 1,5 мл на 1 кг бензана. Этиловая жидкость ядовита, поэтому работа с этилированными бензинами требует особых мер предосторожности.

Химическая стабильность характеризует постоянство состава бензина при хранении и эксплуатации. Бензин не должен содержать соединений, окисляющихся и полимеризующихся под влиянием различных факторов (температуры, воздействия кислорода воздуха и др.) с образованием смолистых веществ и кислот. О наличии в авиационном бензине подобных соединений судят по величине его йодного числа, которое не должно превышать 10—12 г на 100 г бензина. Химическая стабильность автомобильного бензина контролируется определением индукционного периода — времени, в течение которого в определенных условиях бензин не поглощает кислорода (индукционный период автомобильных бензинов должен быть не менее 360 мин). К бензинам предъявляются следующие требования.

1. Фракционный состав бензинов должен обеспечивать легкость и быстроту запуска двигателей при низких температурах; быстрый и плавный переход с небольшой частоты вращения его вала к большому; полноту испарения топлива во всасывающей системе.

2. Давление насыщенных паров бензинов должно быть не выше определенного предела, чтобы не допустить содержание в них летучих углеводородов (с целью предупреждения образования паровых пробок); при очень низком давлении затрудняется запуск двигателя.

3. При сгорании в двигателе бензины не должны вызывать детонацию.

4. С целью предупреждения неполадок в работе двигателя в бензинах не должны содержаться окисляющиеся соединения, а с целью предупреждения коррозии сернистых соединений должно быть в минимальном количестве.

Дизельное топливо. Для дизелей в качестве топлива применяют в основном керосино-газойлевые фракции прямой перегонки нефти, выкипающие в пределах 200—350° С. В зависимости от содержания серы в нефти дизельные топлива получаются малосернистые и сернистые. Для повышения моторесурса двигателей почти все топлива из сернистых нефтей очищают на установках гидроочистки до остаточного содержания серы 0,2—0,5%.

Нефтеперерабатывающая промышленность выпускает дизельные топлива двух видов: легкие маловязкие для быстроходных двигателей с частотой вращения вала 800—1000 об/мин и более тяжелые высоковязкие для тихоходных двигателей с частотой вращения вала до 600—800 об/мин (моторное топливо).

Дизельные топлива должны отвечать следующим требованиям:

1) иметь фракционный состав и вязкость, обеспечивающие легкость запуска двигателя при любых температурах окружающего воздуха;

2) застывать при низких температурах и не выделять при температурах эксплуатации кристаллов твердых углеводородов (парафины);

3) быстро самовоспламеняться и плавно гореть в двигателе;

4) не вызывать коррозии деталей двигателя;

5) не образовывать нагаров и отложений при эксплуатации.

Для обеспечения всех указанных требований в действующих стандартах предусмотрены определенная воспламеняемость, оцениваемая цетановым числом, фракционный состав топлива, вязкость, температура застывания и помутнения, содержание серы и пр.

После впрыскивания в сжатый воздух топлива оно должно воспламеняться мгновенно; задержка воспламенения приводит к жесткой работе двигателя, которая характеризуется, стуками.

Период от момента впрыскивания топлива до его воспламенения носит название индукционного периода. Он характеризуется цетановым числом, определяемым по той же методике, что и октановое число для бензинов.

Цетановое число дизельного топлива равно процентному содержанию цетана (Ci₆H₃4) в стандартной смеси его с ме-тилнафталином, имеющей одинаковую воспламеняемость с испытуемым топливом. Если самовоспламеняемость дизельного топлива равна самовоспламеняемости смеси из 40% цетана и 60% метилнафталина, то его цетановое число равно 40.

Нормальный запуск и плавная работа дизелей в летний период осуществимы на топливе с цетановым числом 40—45 единиц, а в зимний период — 50—55 единиц. Использовать топлива с большим цетановым числом нежелательно, так как это приводит к замедлению их сгорания и увеличению дымности выхлопа.

Фракционный состав дизельного топлива оказывает влияние на его распыливание, полноту сгорания, дымность выхлопа, нагароотложение и разжижение картерного масла. При высоком содержании легких фракций увеличивается давление сгорания, т. е. двигатель работает более жестко. Утяжеленное топливо хуже распыливается, в результате уменьшается скорость образования рабочей смеси, ухудшается ее однородность, а это приводит к повышенному дымлению и снижению экономичности двигателя.

В дизельном топливе должны содержаться легкие, средние и тяжелые фракции нефти в оптимальных соотношениях.

Вязкость топлива должна обеспечивать хорошее распыление и смесеобразование, а также надежную работу аппаратуры.

Температуры застывания и помутнения топлив должны обеспечивать запуск двигателя без подогрева, т. е. должны быть на несколько градусов ниже температуры, при которой эксплуатируется двигатель. Температура застывания в зависимости от марки топлива изменяется от —10 до —60° С.

Реактивные топлива (авиационные керосины).

Реактивные топлива представляют собой лигроино-кероси-новые фракции нефтей, выкипающие при температурад 120— 240° С. Их подразделяют на две группы: топлива для летательных аппаратов с дозвуковой скоростью и топлива для летательных аппаратов со сверхзвуковой скоростью. К первой группе относятся топлива марок Т-1, ТС-1, Т-2, получаемые путем прямой перегонки нефтей.

Топлива для реактивных двигателей со сверхзвуковой скоростью должны иметь повышенную плотность и высокую теплоту сгорания для обеспечения высокой мощности двигателя и дальности полета. Этим требованиям удовлетворяют газой-левые фракции, полученные при прямой перегонке нафтеновых нефтей с последующей гидроочисткой.

Нефтяное котельное топливо содержит остаточные продукты прямой перегонки нефти (мазут), тяжелые остатки, получаемые в процессе крекинга (крекинг-мазут), остатки масляного производства (гудрон), ловушечные продукты. Для получения маловязких котельных топлив с низкой температурой застывания к остаточным продуктам добавляют 20— 25% дизельных фракций.

Широкое внедрение жидкого котельного топлива (топочного мазута) вместо твердого обусловлено удобством его использования; это топливо имеет высокую калорийность (около 9500 ккал/кг), все товаротранспортные операции осуществляются механическими средствами, для складирования требуется меньше площадей.

Одним из показателей, определяющих качество котельных топлив, является вязкость, характеризующая его транспортабельность и необходимую степень нагрева для эффективного распыления в форсунках. С повышением температуры вязкость мазута снижается, перекачка его облегчается и улучшается распыливание. Температура вспышки определяет пожарную безопасность топлива в местах его хранения.

Содержание серы в мазутах обусловливается природой нефтей, из которых их получают. Жидкие котельные топлива в основном вырабатываются из сернистых нефтей, поэтому в промышленности применяют сернистые и высокосернистые мазуты с содержанием серы свыше 1%.

Малосернистые мазуты с содержанием серы до 0,5% используют преимущественно в технологических нагревательных установках (мартеновские печи, нагревательные печи трубопрокатных и сталепрокатных заводов и др.).

По существующим стандартам выпускается несколько марок котельного топлива, отличающихся между собой по вязкости, — мазуты топочные марок 40, 100, 200; малосернистый мазут для мартеновских печей — МП; мазуты флотские для использования в судовых котельных установках.

Нефтяные масла — основной вид смазочных материалов, предназначенных для снижения трения и износа трущихся поверхностей, предотвращения их задира.

Основными показателями, определяющими характеристику масел, являются вязкость и ее изменение с изменением температуры, подвижность при низких температурах, устойчивость против окисления кислородом воздуха (химическая стабильность) ; смазочная способность, защита металлов от коррозионного воздействия внешней среды.

Моторные масла, как уже отмечалось, предназначены для смазки двигателей различных систем. Доля этих масел в общем объеме масляного производства составляет примерно 60%.

Основными требованиями, предъявляемыми к качеству нефтяных масел, являются:

1) стабильность масел к окислению под воздействием кислорода воздуха и высоких температур;

2) изменение вязкости при различных температурах должно быть таким, чтобы обеспечить легкость запуска двигателя и надлежащую смазку его узлов при работе;

3) низкая температура застывания при использовании масел при минусовых температурах;

4) хорошие противокоррозионные свойства.

Доля индустриальных масел в общем объеме производства масел составляет около 30%.

Индустриальные масла должны сохранять подвижность при разных температурах, в них не содержать кислоты и щелочи и иметь противозадирные и противокоррозионные свойства.

Цилиндровые масла должны иметь малую испаряемость, высокую вязкость, небольшое образование нагаров.

Турбинные масла должны быть стабильны к окислению, хорошо отделяться от воды (в случае попадания ее в систему смазки), соответствующую вязкость и температуру застывания не выше— 10 -г- —15° С.

Основное требование, предъявляемое к компрессорным маслам,— стабильность к окислению и низкая температура застывания. Вязкость нормируется в зависимости от типа компрессора или холодильной машины.

Трансмиссионные масла должны обладать высокими проти-воизносными и противозадирными свойствами, соответствующей вязкостью.

Электроизоляционные масла должны иметь высокие диэлектрические свойства, высокую химическую стабильность, низкую температуру застывания, обладать хорошими противокоррозионными свойствами. Эти масла не должны содержать асфальтосмолистых соединений.

Масла для гидравлических систем, должны иметь свойства антифрикционной жидкости, низкую температуру застывания, высокую стабильность против окисления и противокоррозионные свойства.

Таким образом, важнейшими эксплуатационными свойствами масел являются устойчивость их к окислению, вязкость масел и ее изменение с температурой и подвижность при низких температурах. Все эти свойства зависят от химического состава масел, содержания в них определенной структуры углеводородов, тщательности подбора сырья, оптимального химического состава и процесса очистки масел.

В процессе работы масла изменяют свои свойства. В результате их окисления получают продукты конденсации, которые увеличивают вязкость масел и их коксуемость. На, смазываемых поверхностях образуется нагар. Другие продукты окисления (органические кислоты) вызывают коррозию металлов. Кроме того, в результате окисления на горячих деталях образуются липкие отложения, которые впоследствии дают лакооб-разные вещества, что приводит к преждевременному износу цилиндропоршневой части двигателя.

При использовании масел в условиях низких температур важно, чтобы вязкость их не повышалась резко, в противном случае масло может загустеть настолько, что практически становится неподвижным. С повышением вязкости увеличивается износ двигателя. С целью улучшения эксплуатационных свойств нефтяных масел к ним добавляют присадки.

Присадки по действию на смазочные масла можно разделить на следующие группы:

1) вязкостные — повышающие вязкость масел и улучшающие их вязкостно-температурные свойства, это высокомолекулярные соединения — полибутилены, полиметакрилаты;

2) депрессорные — понижающие температуру застывания масел (алкилнафталины, производные алкилфенолов, а также полиметакрилаты);

3) моющие (детергенты) —не допускающие образования на деталях двигателей нагаров, лаков и осадков (феноляты, суль-фонаты);

4) антиокислительные — повышающие стабильность масел (сернистые, азотистые, фосфорные, алкилфенольные соединения) ;

5) противокоррозионные — снижающие коррозионную агрессивность масел (органические соединения, содержащие серу, фосфор или оба эти элемента);

6) противоизносные и противозадирные — улучшающие смазочные свойства масел и предохраняющие трущиеся детали двигателей и механизмов от задира (фосфор-, серу- и хлорсодер-жащие соединения);

7) противопенные — предотвращающие вспенивание масел при циркуляции их в масляных системах машин;

8) многофункциональные — способные одновременно улучшать два или несколько эксплуатационных свойств масла.