Бензины

К бензинам относятся жидкие нефтяные топлива, предназначенные для применения в поршневых двигателях внутреннего сгорания с принудительным воспламенением (от искры). В зависимости от назначения их разделяют на автомобильные и авиационные.

Автомобильные бензины являются самым массовым продуктом нефтехимической промышленности. Около 25% нефти, добываемой в мире, перерабатывается в бензин. Автомобильные бензины являются фракцией нефти, выкипающей в пределах температур 35-195 (205) 0С и представляют собой смесь различных компонентов, получаемых разными технологическими процессами нефтепереработки.

Бензины, как правило, состоят из базового бензина, высокооктанового компонента (ВОК), антидетонационных присадок и добавок и присадок, улучшающих другие эксплуатационные свойства.

Базовые компоненты бензинов получают прямой перегонкой нефти, каталитическим риформингом прямогонных бензиновых фракций, каталитическим крекингом и гидрокрекингом вакуумного газойля, а также термическими процессами переработки (термическим крекингом, термоконтактным крекингом и т.д.) вакуумного газойля, мазута, гудрона и другого тяжелого сырья.

Для повышения детонационной стойкости к базовым бензинам добавляют ВОК в количестве 5-40%. Наиболее эффективным и экономически выгодным способом улучшения антидетонационных свойств бензинов является добавление специальных присадок – антидетонаторов. Антидетонаторами называются вещества, которые при добавлении к бензину в относительно небольших количествах значительно повышают его детонационную стойкость.

Для стабилизации бензинов каталитического и термического крекинга в них вводят антиокислительные присадки, способные в малых концентрациях тормозить окислительные процессы.

Автомобильные бензины маркируются буквой «А» с цифровым индексом, характеризующим величину октанового числа по моторному методу, и буквами «АИ» с цифровым индексом, означающим величину октанового числа по исследовательскому методу.

 

Дизельное топливо

К дизельным топливам относятся топлива для двигателей с воспламенением топливо-воздушной смеси от сжатия.

Широкое распространение дизелей обусловлено их преимуществами перед бензиновыми двигателями: высокая экономичность (удельный расход топлива на 30-40% ниже), отсутствие системы зажигания, возможность использования более тяжелых видов топлива, меньшая пожарная опасность, более высокая приемистость.

Условия применения и требования к качеству дизельных топлив.

Условия применения дизельных топлив определяются особенностями рабочего процесса дизеля. Специфической особенностью дизельного двигателя является то, что смесеобразовние в нем происходит непосредственно в камере сгорания, а образовавшаяся рабочая смесь самовоспламеняется за счет энергии диабатически сжатого воздуха.

Условия испарения, смесеобразования и сгорания в дизеле значительно отличаются от условий, в которых протекают эти процессы в бензиновом двигателе.

Впрыск топлива производится в среду горячего (500-700 0С) и сильно сжатого воздуха (степень сжатия воздуха в дизеле достигает 14-18 выше). Для обеспечения хорошего распыла (средний диаметр капель 10-100 мкм) и смесеобразования топливо в цилиндр подается под давлением (до 150 Мпа и выше). Для этого используется специальная аппаратура, включающая насосы высокого давления и форсунки или насоса-форсунки. Вследствие этого, топливная система дизеля гораздо сложнее, чем у бензинового двигателя.

Топливо в дизельном двигателе выполняет не только роль горючего, но и используется в качестве смазочного материала трущихся деталей топливной аппаратуры.

Процесс смесеобразования включает: распыливание вводимой порции топлива, распределение капель в камере сгорания, испарение и диффузию паров топлива.

В быстроходных дизелях смесеобразование осуществляется весьма короткие промежутки времени (за 0,003-0,006 с). К началу воспламенения (период задержки воспламенения составляет 0,0016-0,003 с) процессы смесеобразования не успевают завершаться во всем объеме камеры сгорания, продолжают развиваться одновременно с процессом горения топливо-воздушного заряда. При этом вследствие температуры скорость процессов физико-химической подготовки, еще не участвующего в горении топлива, значительно увеличивается. Однако, в дальнейшем условия воспламенения и горения топлива, особенно поступающего в конце впрыска, ухудшаются за счет недостаточного подвода кислорода в зону реакции и фракционирования при испарении капель топлива, так как в последнюю очередь испаряются и участвуют в горении высококипящие углеводороды с большой молекулярной массой. В этих условиях горение последних порций топлива замедляется и в условиях повышенных нагрузок является одной из причин дымления двигателя.

Работа дизеля при некоторых условиях может быть мягкой или жесткой. Мягкая и жесткая работа двигателя определяется скоростью нарастания давления в камере сгорания на градус поворота коленчатого вала и зависит, главным образом, от периода задержки воспламенения (ПЗВ) топлива. Средняя величина жесткости работы современных быстроходных дизелей находится в пределах 0,4-0,5 МПа/град.п.к.в. (в зависимости от степени сжатия). При больших скоростях нарастания давления наблюдается жесткая работа двигателя. ПЗВ топлива оказывает решающее влияние на скорость нарастания давления в камере и зависит при прочих равных условиях от строения и химической активности углеводородов, входящих в состав дизельного топлива. Наибольшим ПЗВ обладают ароматические углеводороды, далее идут изоалканы, нафтены и неопределенные углеводороды. Наименьшим ПЗВ обладают алканы нормального строения. ПЗВ уменьшается для углеводородов одинакового строения по мере увеличения их молекулярной массы.

При больших ПЗВ к началу воспламенения в камере сгорания накапливается большое количество смеси, подготовленной к сгоранию, в результате происходит воспламенение больших количеств горючей смеси и чрезмерно быстрое нарастание давления, что приводит к жесткой работе дизеля. Наоборот, при слишком малом ПЗВ топливо, впрыскиваемое в камеру сгорания начинает воспламенятся и сгорать не по всему объему, а в непосредственной близости от форсунки. В результате следующие порции топлива будут поступать в атмосферу горячего воздуха, смешанного с продуктами сгорания, что неизбежно приводит к неполному сгоранию, дымлению и потере мощности двигателя за счет неравномерного смесеобразования в объеме камеры сгорания.

На ПЗВ и характер процесса сгорания топлива в дизеле существенное влияние оказывают конструктивные и эксплуатационные факторы. Действие этих факторов проявляется через изменение режима работы, который в свою очередь влияет на мощность, экономичность, и надежность работы дизеля. Увеличение температуры в конце такта сжатия топлива улучшает характеристики воспламенения и горения. Повышение давления также увеличивает скорость химических превращений. Однако положительное влияние температуры и давления будет оказываться только при условии соблюдения оптимальных параметров распыливания, распределения топлива в камере сгорания и турбулентности среды.

Исходя из особенностей рабочего процесса и условий применения в двигателях, дизельные топлива должны отвечать следующим требованиям:

  • обладать хорошей прокачиваемостью в широком диапазоне температур и обеспечивать надежную, бесперебойную подачу в камеру сгорания в соответствии с заданными характеристиками;
  • иметь оптимальные воспламеняемость и испаряемость, необходимые для легкого запуска и плавной работы двигателя на различных эксплуатационных режимах;
  • не образовывать отложений в системе питания и камере сгорания;
  • быть устойчивыми к окислению в условиях хранения и транспортирования;
  • не вызывать коррозии деталей двигателя, средств хранения, транспортирования и заправки не только соединениями, входящими в состав топлив, но и в состав продуктов сгорания;
  • не быть токсичными и не вызывать загрязнение окружающей среды;
  • иметь широкую сырьевую базу и отработанные технологии производства, а также быть дешевыми.

Марки, состав и применение дизельных топлив.

Дизельное топливо – это нефтяная фракция, выкипающая в пределах 175-350 0С, по внешнему виду, представляющая собой прозрачную жидкость от желтого до светло-коричневого цвета.

Дизельные топлива вырабатывают из продуктов прямой перегонки нефти, подвергнутых гидроочистке и депарафинизации, а также смешиванием этих продуктов с газойлем каталитического крекинга (до 20% в составе смеси). К топливу допускается добавление присадок.

 

Топливо для реактивных двигателей

К топливам для реактивных двигателей (авиационным керосинам) относятся жидкие нефтяные топлива для применения в авиационных газотурбинных двигателях.

Создание и применение авиационных газотурбинных двигателей (АГТД) стало необходимым условием развития авиации, так как поршневые двигатели не могли обеспечить требуемых скоростей и потолка летательных аппаратов.

Работа АГТД основывается на создании внутри двигателя мощного газовоздушного потока, способного вращать с высокими скоростями турбину двигателя и создать на выходе из него реактивную тягу, обеспечивающую полет самолетов с высокими скоростями.

Широкое распространение АГТД объясняется следующими преимуществами их перед поршневыми:

  • высокий коэффициент полезного действия;
  • повышение силы тяги и тяговой мощности двигателя с увеличением скорости полета, что позволяет осуществить сверхзвуковые скорости полета летательных аппаратов;
  • простота конструкции – отсутствие сложного и тяжелого кривошипно-шатунного механизма;
  • сравнительно небольшая удельная масса двигателя по отношению к общей полетной массе летательного аппарата;
  • возможность применения более дешевых групп топлива с меньшей пожароопасностью по сравнению с высокооктановыми авиационными бензинами.

Из существующих типов АГТД наибольшее распространение получили турбореактивные и турбовинтовые двигатели. Область использования различных типов ТРД в авиации в первую очередь определяется зависимостью тяги и удельного расхода топлива от требуемой скорости и высоты полета самолета.

 

Котельные топлива

В качестве топлив в топках судовых и стационарных котельных установок, а также для промышленных печей (мартеновских и других) применяется жидкое котельное топливо, представляющее собой остаточные продукты различных процессов переработки нефти или их смеси с тяжелыми дистиллятами. Кроме того, для этих целей используют продукты термической переработки каменных углей и горючих сланцев.

Исходя из условий применения, котельные топлива должны удовлетворять следующим требованиям:

  • иметь достаточную прокачиваемость, обеспечивающую надежную подачу к форсункам котлов, а также слив-налив и перекачку ее на складах;
  • иметь высокую теплоту сгорания и хорошую воспламеняемость;
  • обладать незначительной коррозионностью;
  • не образовывать больших количеств нагара и зольных отложений на деталях топок котлов;
  • не расслаиваться и не окисляться при хранении;
  • не содержать большого количества механических примесей и воды.

Требования, предъявляемые к качеству котельных топлив устанавливающие условия их применения, определяются такими показателями качества, как вязкость, содержание серы, теплота сгорания, температура застывания и вспышки, зольности, содержание примесей и воды.

Наиболее распространенными видами жидкого котельного топлива является мазут и продукты термической переработки каменных углей и горючих сланцев, рассматриваемые как заменители мазутов нефтяного происхождения. В качестве заменителей могут применяться различные смолы и масла, получаемые при переработке твердых, жидких и газообразных топлив.

Мазуты подразделяются:
по содержанию серы – на малосернистые, сернистые и высокосернистые; по областям применения – для СЭУ флотские, топочные и для мартеновских печей.

Топочные мазута предназначены для сжигания в котельных и технологических установках.

В зависимости от назначения, содержания серы и зольности устанавливаются следующие марки мазута: Топочный 40 – следующих видов: малозольный, зольный I, II, III, IV, V, VI, VII. Топочный 100 – следующих видов: малозольный, зольный I, II, III, IV, V, VI, VII.

Пример обозначения:
Топочный мазут 100, IV вида, малозольный, с температурой застывания 25 0С.
Топочные мазуты марок 40 и 100 изготавливают из остатков переработки нефти. В топочный мазут марки 40 для снижения температуры застывания до 10 0С вводят 8-15 % среднедистиллятных фракций.

 

Битумы

Битумные вяжущие представляют собой сложные смеси высокомолекулярных углеводородов и их неметаллических производных (соединений углеводородов с серой, кислородом, азотом). Различают природные и искусственные нефтяные битумы. Природные битумы извлекают из асфальтовых горных пород органическими растворителями или вываривают их в горячей воде. Искусственные битумы представляют собой остатки, получаемые при переработке нефти. При нормальной температуре битумы встречаются как в твердом, так и в вязкожидком состоянии. При нагревании они размягчаются (разжижаются), а при охлаждении вновь возвращаются в первоначальное состояние. Обладая аморфным строением, битумы в отличие от кристаллических тел не имеют определенной температуры плавления. Существует некоторый температурный интервал размягчения, т.е. постепенный переход от твердого состояния в вязкожидкое.

Битумы гидрофобны (не смачиваются водой), водостойки, имеют плотное строение, их пористость практически равна нулю, поэтому они водонепроницаемы и морозостойки. Эти свойства позволяют широко использовать битумы для устройства кровель и гидроизоляции. Битумы стойки к водным растворам многих кислот, щелочей, солей и большинству агрессивных газов, но растворяются частично или полностью в различных органических растворителях (хлороформе, этиловом спирте, бензине, бензоле, ксилоле, скипидаре, ацетоне и др.). Поэтому их можно применять для приготовления некоторых мастик, лаков и красок. Расплавленные битумы при остывании сохраняют некоторую пластичность и лишь при сравнительно низкой температуре становятся хрупкими.

Применение битума как одного из наиболее известных инженерно-строительных материалов основано на его адгезионных и гидрофобных свойствах. Область применения битума достаточно широка: он применяется при производстве кровельных и гидроизоляционных материалов, в резиновой промышленности, в лакокрасочной и кабельной промышленности, при строительстве зданий и сооружений и т.д. Кровельные битумы применяют для производства кровельных материалов. Их разделяют на пропиточные и покровные (соответственно для пропитки основы и получения покровного слоя). Изоляционные битумы используют для изоляции трубопроводов с целью защиты их от коррозии.

Главным же потребителем битума является дорожное строительство (около 90%), в первую очередь, из-за того, что нефтяной битум является самым дешевым и наиболее универсальным материалом для применения в качестве вяжущего при устройстве дорожных покрытий. Использование битумов в дорожном строительстве позволяет покрытию дорог выдерживать повышенные статические и динамические нагрузки в широком интервале температур при сохранении длительной жизнеспособности и погодоустойчивости.

Вязкие битумы, применяемые в дорожном покрытии, используются как вяжущее между каменными материалами. Долговечность дорожного покрытия во многом зависит от марки применённого битума и его качества. При строительстве и ремонте дорог битум может быть разжижен растворителем (керосиновая фракция). Разжиженные битумы разделяются на быстро-, средне- и медленно затвердевающие марки. Для предварительной обработки поверхностей применяют битумные эмульсии, которые готовят с применением коллоидных мельниц, добавляя к битуму воду и эмульгаторы.

Более подробно рассмотрим битумы различного назначения.

Дорожный. Качество дорожного битума в основном определяет долговечность дорожных покрытий. Появление трещин на дорожном покрытии означает, что оно на 85% исчерпало срок службы. Установлено, что показатель «температура хрупкости» битума характеризует время до начала интенсивного трещинообразования дорожного полотна, так как его определение показывает наиболее опасное состояние дорожного покрытия при резких перепадах температур в зимнее время. Соотношение физико-химических показателей битумов БНД обеспечивает дорожному покрытию наибольшую сдвигоустойчивость, трещиностойкость, длительную водо- и морозостойкость.

Долговечность дорожного покрытия во многом зависит от марки применённого битума и его качества.

Строительный. Битумы строительных марок БН, применяемые для гидроизоляции фундаментов зданий, отличаются малой пенетрацией и дуктильностью и высокой температурой размягчения (от 37 до 105), т.е. они тугоплавкие и твёрдые. Кровельный. Примерно такие же показатели качества установлены и для кровельных битумов БНК, но для них нормируется ещё и температура хрупкости. Их используют как пропиточные (для получения толя и рубероида) и для покрытия крыш.

Изоляционный. Изоляционные битумы БНИ применяются для изоляции трубопроводов с целью предотвращения их от коррозии. При малой пенетрации и малой дуктильности они должны быть достаточно тукоплавкими (особенно для аккумуляторных мастик). Кроме того, для мастик нормируется растворимость в толуоле или в хлороформе (не менее 99,5%, т.е. почти полная растворимость). Доскональная информация по нормированию качества изоляционных битумов приведена в таблице ниже.

Хрупкие. Существуют две марки хрупких битумов, которые размягчаются при 100–110°С и 125–135°С, имеют мизерную пенетрацию и более жёсткие нормы по растворимости. Они используются в лакокрасочной, шинной и электротехнической промышленности.

Под гидроизоляционными работами подразумевается комплекс мероприятий по защите от воды и влаги основных элементов и узлов конструкции. Сегодня уже разработано и внедрено в производство множество способов защиты от воды. Дело в том, что вода является агрессивной средой для дома, возводимого из любого материала. В итоге, здание теряет свою прочность, оседает и может разрушиться. Чтобы этого не случилось, применяют современные материалы – гидроизоляторы.

На данный момент одним из самых продвинутых гидроизоляторов является битумная мастика. Основой ее является битум. Битум – это материал, производство которого основано на переработке нефтепродуктов. Этот материал уже много лет используется в строительном деле. Но сегодня, при современных технологиях, удалось синтезировать новые сорта битумной мастики, применение которой востребовано практически во всех отраслях строительного производства. Технические характеристики битума позволяют применять его как высококачественный гидроизолятор. Это все потому, что мастика из битума обладает отличной водоотталкивающей способностью, надежно заполняет все пустоты поверхности, не гниет под воздействием воды. Технология производства битумной мастики сегодня представляет собой практически полностью автоматизированный процесс. Для того чтобы получать на выходе только высококачественный материал, технология производства битумной мастики подразумевает применение только качественного сырья. Практически полная автоматизация производства позволяет производить автоматическую упаковку битума. Ведь сам битум достаточно агрессивен и при нежной упаковке может произойти ее разрыв. Также один из основных моментов – технология хранения битума. Чтобы битум при хранении не потерял свои свойства необходимо тщательно следовать технологии хранения битума. В большей степени это касается температурного режима. Вообще, химический состав дорожного битума достаточно сложный. Ведь дорожное строительство – это очень дорогое и ответственное мероприятие. Только самые лучшие материалы должны в нем применяться. Поэтому химический состав дорожного битума содержит в себе только апробированные в научно-производственных лабораториях компоненты.