Бензины. Марки бензинов

Тема Бензины. Марки бензинов

Содержание темы по рабочей программе. Физико-химические основы материаловедения: топливо, бензины. виды и свойства бензинов Классификация, марки, применение Требования к качеству бензинов. Методы измерения параметров и свойств бензинов: детонационной стойкости.

Нефть как сырье для производства топлива и масел

Сырая нефть  природная легко воспламеняющаяся маслянистая жидкость, со специфическим запахом, состоящая из смеси углеводородов с различной молекулярной массой и другими химическими соединениями. Запах зависит от количества серных соединений и ароматических углеводородов. Нефть используют для производства различных видов топлива и масел, а также в качестве источника сырья для бытовой химии, косметики и иной продукции. Цвет нефти черный, коричневый, вишневый, зеленый, желтый и даже бесцветный (прозрачный). Нефть относительно просто добывать, транспортировать и перерабатывать.

Нефть состоит из углерода — 83...87%, водорода — 12...14%, серы — 3...4%, остальное — азот и кислород. По структуре углеводороды: парафиновые, нафтеновые и ароматические.

Парафиновые углеводороды (алканы) — общая формула С_nН_2n+2. Если углеводороды содержат от 1 до 4 атомов углерода — это газы (метан, этан, пропан, бутан, изобутан), от 5 до 15 атомов — жидкие вещества, свыше 15 атомов — твердые.

Нафтеновые углеводороды (циклоалканы) — общая формула С_nН_2n (в основном циклопентан С₅Н₁₀ и циклогексан С₆Н₁₂). Нафтеновые углеводороды выделяют меньше теплоты при сгорании по сравнению с алканами и имеют высокую детонационную стойкость, т. е. являются желательными компонентами в топливах для карбюраторных двигателей и зимних сортах дизельных топлив, в смазочных материалах, что увеличивает вязкость и маслянистость.

Ароматические углеводороды (арены) — общая формула С_nН_2n-6 (в виде бензола С₆Н₆ и его гомологов). Они имеют высокое октановое число и высокую нагарообразующую способность, поэтому содержание аренов в бензинах составляет 40... 45 %, а в дизельных топливах их присутствие нежелательно.

Непредельные углеводороды (олефины) — формула С_nН_2n. Они не содержатся в нефти, а образуются в процессе ее переработки и являются важнейшим сырьем при получении топлива методом нефтехимического синтеза.

Сернистые соединения содержатся в нефти из всех месторождений, но в соответствии со стандартами присутствие активных сернистых соединений в нефтепродуктах не допускается. Кроме того, использование сернистых топлив наносит большой вред окружающей среде.

Кислородные соединения в нефти представлены кислотами (R—СООН, где R — углеводородный радикал), фенолами, эфирами и другими компонентами. Они вызывают сильную коррозию некоторых цветных металлов (свинец, цинк и др.), поэтому их количество в топливах и маслах строго ограничено ГОСТами.

Смолисто-асфальтовые соединения — высокомолекулярные углеводороды. Это неустойчивые, легко изменяющиеся и плохо испаряющиеся вещества.

Азотистые соединения имеются в нефти в крайне малых количествах и поэтому не оказывают заметного влияния на свойства топлив и смазочных материалов.

Методы переработки нефти

При первичной переработке нефти ее разделяют на отдельные фракции (дистилляты), которые являются менее сложными смесями и имеют определенные интервалы температур кипения. Этот процесс называется фракционированием (ректификацией). Он осуществляется с помощью специальных установок - атмосферно-вакуумных трубчаток (сри.55). Первичная переработка включает две стадии: атмосферная перегонка и дистилляция под вакуумом. При атмосферной перегонке получают так называемые светлые дистилляты - фракции, выкипающие при температуре до 350 ⁰С. Тяжелые фракции нефти, поступая в колонну в жидкой фазе, уже в нижней ее части отделяются от паров и отводятся из нее в виде мазута. Средний выход бензиновых фракций, зависящий от свойств добываемой нефти, колеблется от 15 до 25 %, остальные топлива  20...30 %.

Продукты, получаемые способом прямой перегонки, обладают высокой химической стабильностью, так как в них отсутствуют непредельные углеводороды. Свойства и облвсть применения фракций представлены в таблице 24

Таблица 24 Фракции, полученные в результате прямой перегонки нефти

Фракция	Температу-ра кипения, °С	Число атомов углерода в молекуле	Содержа-ние в нефти, %	плотность, г/см3	Применение
Газы		1-4	3	0,51-0,65	сжиженное топливо
Бензин	40-100	4-8	7	0,71	топливо для ДВС
Лигроин (нафта)	80-180	5-12	7	0,78 - 0,79	горючее для тракторов, растворитель, сырье для получения высокооктановых бензинов
Керосин	180-260	10-16	13	0,78 – 0,85	дизельное и реактивное топливо, сырье для нефтехимического синтеза, растворитель
Газойль	260-350	16-60		0.82 –0,86	дизельное топливо и сырье для каталитического крекинга
Мазут	350	70	25	0,89 – 1	котельное топливо или сырьё для установок гидроочистки и термического крекинга перегонки: масла, парафины
Асфаль-тены	580	80	25	0,95 – 1,03	дорожный гудрон, получение кокса, входит в состав некоторых котельных топлив

Использование для переработки нефти крекинг-процессов позволяет увеличить выход бензиновых фракций. Крекинг — процесс переработки нефти и ее фракций, основанный на разложении (расщеплении) молекул сложных углеводородов в определенных условиях.

Впервые крекинг был предложен русским ученым А. А. Летним в 1875 г., а разработан — В.Г.Шуховым в 1891 г., но первая промышленная установка была построена в США.

Существуют следующие виды крекинга: термический, каталитический, гидрокрекинг и каталитический риформинг.

Термический крекинг используют для получения бензина из мазута, керосина и дизельного топлива.

Каталитический крекинг — процесс получения бензина, основанный на расщеплении углеводородов и изменении их структуры под действием высокой температуры и катализатора. Каталитический крекинг на заводской установке был впервые осуществлен в России в 1919 г. Н.Д.Зелинским. В качестве сырья при каталитическом крекинге используют газойлевую и соляровую фракции, получаемые при прямой перегонке нефти, которые нагревают до температуры 450...525°С под давлением 0,15 МПа в присутствии алюмоселикатного катализатора, что ускоряет процесс расщепления молекул углеводородов и изомеризует продукты распада, превращая их в изопарафиновые и ароматические углеводороды.

Гидрокрекинг — процесс переработки нефти, сочетающий в себе крекингование и гидрирование сырья (газойлей, нефтяных остатков и др.) под давлением водорода 15...20 МПа при температуре 370...450°С в присутствии алюмокобальтомолибденового или алюмоникельмолибденового катализаторов.

Каталитический риформинг используют для получения высокооктановых бензинов. Проводят его при температуре 480... 540°С и давлении 2... 4 МПа в присутствии молибденового или платинового катализатора.

Из мазута получают дистиллятные и остаточные масла.

При получении дистиллятных масел мазут нагревают до 420...430°С, в вакуумной колонне создают разрежение в 50 мм рт. ст. Выход дистиллятных масел из мазута составляет около 50 %, остальное — гудрон.

Остаточные масла — это очищенные гудроны. Для их получения мазут или полугудрон смешивают с сжиженным пропаном при температуре 40...60 °С. Таким образом получают авиационные масла МК-22, МС-20 и трансмиссионное масло МТ-16. МК-22.

Бензины. Марки бензинов

Автомобильные бензины — горючая смесь лёгких углеводородов с температурой кипения от +33 до +205°C, плотностью около 0,71 г/см³, теплотворной способностью примерно 10200 ккал/кг (46 МДж/литр, 32,7 МДж/кг), температурой замерзания −60°C. Бензины используются в качестве моторного топлива ДВС и сырья в органическом синтезе. В России автомобильные бензины выпускаются по ГОСТ 2084-77, ГОСТ Р 51105-97 и ГОСТ Р 51866-2002, а также по ТУ 0251-001-12150839-2015.

В соответствии с ГОСТ Р 54283-2010, автомобильные бензины маркируются тремя группами знаков, разделёнными дефисом:

«АИ-92-4»
«АИ»	«ХХ»	«Х»
автомобильные бензины с октановым числом по исследовательскому методу	октановое число, определённое исследовательским методом (80, 92, 95 или 98)	номер экологического стандарта серии «Евро»

Решение о возможности использования нефтепродукта по назначению принимается на основании его паспорта. Показатели топлива, приведенные в паспорте, позволяют сделать заключение о соответствии его стандарту и оценить возможность применения в различных условиях эксплуатации автомобилей. Одновременно данные паспорта позволяют предвидеть возможные отклонения в работе двигателя от нормального режима при использовании этого топлива.

Основными показателями качества бензинов являются детонационная стойкость, фракционный состав, давление насыщенных паров и химическая стабильность.

Детонационная стойкость  способность топлива противостоять самовоспламенению при сжатии. Эта количественная характеристика топлива более известна под названием «октановое число». Оно определяет сортность бензина и его применимость. По составу бензин это смесь изооктана и гептана с их разной способностью к детонации. Октановое число изооктана принято за «100» пунктов, а н-гептана - за «0». При этом, если в смеси преобладает изооктан – возрастает детонация, если гептан – детонация падает до нуля, но возрастает температура горения. Детонационное сгорание бензина приводит к:

• к повышению удельного расхода топлива;

• уменьшению мощности и перегреву двигателя;

• прогару поршней и выхлопных клапанов;

• к быстрому выводу двигателя из строя.

Октановое число  условный показатель, характеризующий стойкость бензинов к детонации и численно соответствующий детонационной стойкости модельной смеси изооктана и н-гептана. В большинстве случаев октановое число совпадает с процентом содержания в бензине изооктана. С точки зрения физико-химических свойств бензины с более высокими октановыми числами выдерживают более высокую степень сжатия без детонации. Это значит, что повышение октанового числа делает бензин пригодным для более эффективных и производительных силовых агрегатов.

Октановое число определяется на специальных установках путем сравнения характеристик горения испытуемого топлива и эталонных смесей изооктана с н-гептаном. Существует два типа октановых чисел:

• ОЧИ  исследовательское октановое число определяется на низких и средних нагрузках (600 об/мин, температурах 52°С, угол опережения зажигания 13°.).

• ОЧМ  моторное октановое число определяется при жестких режимах (900 об/мин, температурах более 149°С, переменный угол опережения зажигания);

Для повышения ОЧ бензинов используют также специальные антидетонационные присадки и высокооктановые компоненты (этиловую жидкость, органические соединения марганца, железа, ароматические амины, метил-третбутиловый эфир). Разница между этими двумя оценками называется чувствительностью топлива и характеризует, насколько бензин устойчив к смене режимов работы двигателя.

В России применяется исследовательское октановое число, что обозначает буква «И» в названии марки. В соответствии с ГОСТ Р 51105-97 в России осуществляется производство следующих марок автомобильных бензинов (табл.25)

Таблица 25 Марки бензтнов и их октановые числа:

Марка	Октановое число (моторный метод)	Октановое число (исследовательский метод)
АИ-80	76	80	Нормаль-80
АИ-92	83	92	Регуляр-92
АИ-95	87	95	Премиум-95
АИ-95+	87	95 с присадками	Супер-95+
АИ-98	89	98	Экстра-98
АИ-100	90	100	ЭКТО-100

Фракционный состав бензинов характеризует испаряемость топлива, от которой зависит запуск двигателя, распределение топлива по цилиндрам двигателя, полнота сгорания, экономичность двигателя. Испаряемость определяется температурой перегонки 10, 50 и 90% (об.) выкипания фракций бензина:

• температура выкипания 10 % (об.) бензина характеризует пусковые свойства;

• температура выкипания 50% (об.) бензина характеризует скорость перехода двигателя с одного режима работы на другой и равномерность распределения бензиновых фракций по цилиндрам;

• температура выкипания 90% (об.) фракций и конца кипения, влияет на полноту сгорания топлива, его расход, нагарообразование в камере сгорания.

Давление насыщенных паров дает представление об испаряемости бензина, а также о возможности образования газовых пробок в системе питания двигателя. Химическая стабильность определяет возможные изменения в химическом составе бензина, обусловленные реакциями окисления и полимеризации в процессе хранения, транспортированияя. Окисление приводит к понижению октанового числа бензина и повышению его склонности к нагарообразованию. Для оценки химической стабильности бензинов используют показатели содержания фактических смол, индукционного периода окисления. Высокой химической стабильностью обладают компоненты, не содержащие алкенов, - прямогонные бензины, бензины каталитического риформинга, алкилаты и изомеризаты. В бензинах коксования, термического и каталитического крекинга, напротив, содержатся в достаточном количестве алкены, которые легко окисляются с образованием смол.

Коррозийное воздействие бензинов на металлы.

Активные сернистые соединения, содержащиеся в бензинах вызывают сильную коррозию топливной системы и транспортных емкостей.Полнота очистки бензинов от этих веществ контролируется анализом на медной пластинке.

Неактивные сернистые соединения (тиофены, тетрагидротиофены, сульфиды, дисульфиды, высшие меркаптаны) коррозии не вызывают, однако при их сгорании образуются оксиды серы (SO₂, SO₃), под действием которых происходит быстрый коррозионный износ деталей двигателя, снижается мощность, ухудшается экологическая обстановка.

Наибольшую опасность для людей представляют ароматические углеводороды, особенно бензол и полициклические ароматические углеводороды. Токсическое действие бензола объясняется возможностью его окисления в организме. В связи с этим в последних нормативных документах ограничено допустимое содержание серы, бензола и ароматических соединений в бензинах.

Механические примеси и вода в бензине

Согласно стандартам бензины не должны содержать механических примесей (почвенной пыли и грязи; продуктов коррозии заводской аппаратуры, резервуаров и трубопроводов; продуктов износа перекачивающих средств и т.д.). Попадая в двигатель, примеси увеличивают износ поршневых колец и стенок цилиндров, а также отложения нагара. Чистота бензинов является важным фактором повышения надежности работы и долговечности двигателей.

Содержание воды в автомобильных бензинах также недопустимо. Наличие воды опасно прежде всего при температуре ниже 0°С, так как замерзая, она образует кристаллы, которые могут преградить доступ бензина в цилиндры двигателя. Кроме того, вода способствует осмолению бензина, так как в ней растворяется ингибитор (антиокислительная присадка), а также является основным источником коррозии топливных баков, трубопроводов и других