Газ как моторное топливо

Современный мир характеризуется резким ростом числа автомобилей. Возросла потребность в значительном увеличении объемов выработки бензина. Ученые и инженеры во всем мире стали активно искать ему замену.

Специалисты разных стран обращают внимание прежде всего на те ресурсы, которые имеются на их Родине с избытком. Так, в Германии убеждены, что наилучшей заменой бензину является метанол (метиловый спирт) и прогноз таков: в будущем каждый четвёртый автомобиль в мире будет работать на нем. Российские специалисты остановили свой выбор на природном газе. Объясняется это следующим:

1. ресурсы газа значительно превосходят ресурсов нефти, поэтому есть время разрабатывать сгорание и даже новые типы двигателей;

2. в выхлопах газового двигателя нет сернистого газа (так как в природном газе серы, как правило, нет), а концентрация окиси углерода в несколько раз меньше (благодаря большей полноте сгорания газа);

3. среднее октановое число природного газа равно 105, что выше, чем у лучших марок бензина. Октановое число – условная количественная характеристика стойкости к детонации моторных топлив. Октановое число численно равно процентному содержанию изооктана (марки автобензинов – с 76 до 98, авиабензинов – выше 95);

4. двигатели на газовом топливе работают в 1,5…2 раза дольше, чем на бензине, так как при сгорании газа образуется меньше твердых частиц и золы, вызывающих абразивный износ цилиндров и поршней двигателя; кроме того, газ не смывает масляную пленку с поверхности цилиндров, как бензин, и не вызывает коррозию металла.

Для заправки автомобилей газ может применяться в двух видах: газообразном (используется природный газ, который сжимают до 20–25 МПа) и жидком (используется пропан-бутановая смесь, которую охлаждают до –162 ⁰С и хранят под давлением 1,6 МПа).

Экономически целесообразней использование сжатого газа, так как затраты на сжигание в 2…3 раза больше, чем на сжатие.

Итак, основными продуктами переработки нефти являются: бензин, керосин и мазут.

Познакомимся с остальными продуктами переработки нефти.

• Базовый бензин – наибольшая составная часть промышленных бензинов без высокооктановых компонентов.

• Присадки – вещества, добавляемые в незначительных количествах к топливам, маслам и смазкам для улучшения их природных свойств или придания новых.

• Тетраэтилсвинец – (C₂H₅)₄ Pb – присадка, летучая, тяжелая, маслянистая жидкость, нерастворимая в воде, легко растворимая в спиртах и эфирах, легко горит и воспламеняется, высокотоксична, отличный антидетонатор, добавляется в бензин для повышения октанового числа (процесс называют этилированием, а бензины – этилированными).

• Бензины газовые – смесь углеродов (от пентана до октана), полученная компрессионным или абсорбционным способом, применяется в качестве пускового топлива или как присадки.

• Бензины-растворители – узкие фракции прямой перегонки с температурой кипения 70–120 ^оС, применяются чаще в резиновой и лакокрасочной промышленности.

• Эфир – легкий бензин, выкипающий в пределах 65–95 ^оС, получаемый отгонкой легкой фракции из бензинов прямой перегонки при повышенных температуре и давлении в присутствии катализаторов. Применение – как растворитель и в медицине.

• Автомобильный бензин – предназначен для карбюраторных двигателей, состоит из легких фракций, выкипающих при температуре 40–205 ^оС.

В марке бензина указано октановое число – показатель интенсивности детонации. Чем выше октановое число бензинов, тем более «мягкую» работу двигателя можно обеспечить.

• Авиационный бензин – нефтепродукт с температурой кипения 50–105 ^оС, является топливом самолетов и вертолетов.

• Реактивное топливо – керосиновая фракция первичной перегонки с температурой начала кипения 150–195 ^оС, характеризуется высокой теплотой сгорания, химической стабильностью, малой плотностью и низким содержанием серы.

• Лигроин – фракция, выкипает при температуре 120–240 ^оС.

• Керосин осветительный – фракции, выкипающие в интервале 200–250 ^оС, используется как растворитель, осветительное топливо, удобен для промывки металлических деталей.

• Газойль – фракция с температурой кипения 230–360 ^оС, занимает промежуточное положение между керосином и маслом. Применяют как дизельное топливо и сырьё для каталитического крекинга.

• Дизельное топливо – смесь, содержащая бензиновую, лигроиновую, керосиновую фракцию.

• Базовое масло (автол) – масляная фракция, применялась для смазки автомобильных и тракторных двигателей, в настоящее время является основным составляющим масел совместно с присадками.

Известные присадки следующих типов: вязкостные, антиокислительные, термоокислительные, антикоррозионные, противоизносные, противозадирные, противопенные, многофункциональные, антиобледенительные и другие – отсюда и такое многообразие выпускаемых масел.

• Смазки – нефтепродукты, обладающие пластичными свойствами (консистентностью). Получают путем загущения минеральных масел (или на синтетических жирных кислотах).

Назначение разнообразное: смазывание подшипников, узлов трения, для шариков, газовых кранов, для герметизации и консервации, смазывание тросов. Представитель – солидолы.

• Добавки – твердые вещества (добавленные к смазкам), наиболее распространенные из них: графит, слюда, асбест, порошок свинца, меди и т.д.

• Мазут – остаточная фракция после атмосферной перегонки нефти, составляющая около 50 % нефти. Все ещё используется как топливо в энергетике, металлургии, быту.

• Гудрон – черная смолистая масса, остающаяся после отгонки, составляет обычно от 10 до 30 % от нефти.

• Битумы – твердые или жидкие водорастворимые органические материалы, смесь углеводородов с остатками от перегонки нефти. Использование битумов: например, асфальт – смесь битумов с минеральными материалами.

• Парафин – смесь твердых углеводородов метанового ряда C₁₈H₃₈-C₃₅H₇₂, белого цвета, без запаха, кристаллического строения, с температурой плавления 40–60 ^оС, используется для получения вазелина, смазок, в медицине, в кожевенной, бумажной, парфюмерной промышленности.

• Кокс – пористая твердая масса высокомолекулярных тугоплавких и высокоароматизированных углеводородов, образуется при нагревании, например, масла или гудрона до высоких температур (900–1100 ^оС) без доступа воздуха. Используется для получения электродов.

• Ацетон – (CH₃COCH₃) – бесцветная легковоспламеняющаяся жидкость, смешивается со спиртом в любых пропорциях, хорошо растворима с эфиром и водой, растворяет смолы и лаки, образует с воздухом взрывоопасные смеси.

• Спирты (алкоголи) – производные углеводородов, содержащие гидроксильную группу насыщенного атома углерода. По числу OH-групп различают: одноатомные (алкоголи), двухатомные (гликоли), трехатомные (глицерина) и многоатомные.

• Глицерин (C₃H₅/OH/₃) – сиропообразная бесцветная жидкость сладкого вкуса, хорошо растворима в воде, применяется в парфюмерии, медицине, для производства взрывчатых веществ.

• Метиловый спирт (метанол) – СH₃OH – прозрачная жидкость с характерным алкогольным запахом. Был открыт в 1661 г. Является сильным ядром. Внешне невозможно отличить от этилового (винного) спирта (C₂H₂OH).

Все нефтепродукты получают из нефти при её переработке, которую называют перегонкой. Суть всех способов так называемой прямой гонки следующая. Любой жидкий углеводород нефти имеет температуру кипения, выше которой он испаряется (по мере увеличения числа атомов углеводорода в молекуле температура кипения увеличивается). Например, бензол C₆H₆ кипит при 80 ^оС, а толуол C₇H₈ – при 111 ^оС.

И наоборот, если пары бензола охладить ниже температуры кипения, он снова превратится в жидкость. Рассмотрим одну из перегонок. При перегонке типичной нефти можно получить: 3 % бензина (углероды С₄–С₁₀), 10 % керосина (С₁₁–С₁₂), 15 % дизельного топлива (С₁₃–С₂₀), 20 % смазочных масел (С₂₁–С₄₀), 24 % остатка мазута (С₄₀ и выше). Таким образом, из сложной многокомпонентной нефти получаются новые вещества (фракции), близкие между собой по углеродному составу и, следовательно, по свойствам. Из этих фракций, иначе называемых базовыми нефтепродуктами, можно получить продукты с заданными качествами. Автомобильные бензины А-76, А-92, АИ-93, А-95 имеют практически один и тот же фракционный состав, но существенно отличаются по значению октанового числа, характеризующего устойчивость топлива к детонации. Авиационные бензины отличаются от автомобильных повышенным содержанием легкоиспаряющихся углеводородов (которые являются низкокипящими). По преимущественному содержанию в природной нефти тех или иных фракций нефть можно классифицировать как бензиновую, керосиновую или масляную.

Фракции, получаемые путем перегонки или ректификации, характеризуются температурными пределами: температурой начала кипения и температурой окончания кипения.

На рис. 1 представлена схема использования нефти и процессов в нефтепереработке.

Рис. 1. Схема использования нефти