3.3.2 Властивості нафтопродуктів і основні вимоги до них

Бензин – суміш вуглеводневих компонентів, які отримуються в результаті первинних і вторинних технологічних процесів переробки нафти.

Основні якісні показники бензинів: тиск насичених парів вуглеводнів, антидетонаційні властивості, фракційний склад і хімічна стабільність.

Фракційний склад характеризує повноту випаровування бензинів, що дуже важливо для нормальної роботи двигунів. Бензин має згоряти в двигуні за 0,002...0,004 с. Це відбудеться в тому випадку, якщо він повністю випаровується і перемішується з повітрям у певній відповідності.

За наявності в робочій суміші вуглеводнів з високою темпратурою, випаровування згоряння затримується, двигун перегрівається, і його потужність та економність зменшуються. Для бензину нормується температура википання певних кількостей проміжних фракцій: 10, 50, 90 %, а для авіаційного бензину 97,5 %.

Температура початку кипіння авіаційного бензину має бути не нижча ніж 40 °С, автомобільного бензину – не нижча ніж 35 °С. Температура википання 10 %-ної фракції для авіаційного бензину має бути в межах 75...82 °С, а для автомобільного бензину – в межах 70...75 °С.

Кінець википання 97,5 %-ної фракції авіаційного бензину має бути не більше ніж 180 °С; кінець википання автомобільного бензину – не більше 195 °С.

Пружність парів бензину, як і його фракційний склад, характеризує випаровуваність палива та впливає на пуск двигуна, утворення газових пробок у системі живлення двигуна. Вища пружність парів, спричиняє вищу випаровуваність бензину, а це означає, що пробки утворюються, коли пружність парів бензину дорівнює зовнішньому тиску, або перевищує його.

Найважливішим показником якості бензинів як моторного палива є його детонаційна здатність.

За нормального згоряння робочої суміші в циліндрі двигуна полум’я розповсюджується із швидкістю 15...35 м/с і поршень виштовхується плавно, без ривків. Якщо за певних умов стиснена суміш бензину з повітрям, загорається до досягнення поршнем верхньої точки ходу, то вона згорає подібно вибуху, полум’я розповсюджується із швидкістю 1500...2300 м/с і поршень різко виштовхується, що перешкоджає руху колінвала. Це явище називається детонацією. Детонація в двигуні проявляється різкими стуками в циліндрах, трясінням мотора і неповним згорянням палива (викиданням полум’я, сажі і диму з двигуна). Двигун перевантажується, потужність його знижується, передчасно зношуються і руйнуються його деталі, збільшується витрата палива.

Високоякісне, недетонуюче паливо витримує високий ступінь стиснення і, навпаки, чим нижче детонаційна стійкість палива, тим до меншого об’єму можна стиснути суміш його з повітрям у циліндрі двигуна. Водночас встановлено, що із збільшенням ступеня стиснення збільшується економність двигуна, підвищується його потужність і зменшується витрата палива. Отже, збільшення ступеня стиснення, потребує палива з вищими анти-детонаційними властивостями; чим більший ступінь стиснення двигуна, тим вищою має бути детонаційна стійкість палива.

Детонаційні властивості моторного палива характеризуються октановим числом. Октанове число визначають шляхом порівняння випробовуваного бензину з еталонним паливом, за їх здатністю спричиняти детонацію на одноциліндровому двигуні внутрішнього згоряння, із змінним ступенем стиснення за стандартних умов. Октанове число - процентна доля ізооктану в суміші з н-гептаном, що детонує при тому ж ступені стиснення, що і досліджуваний бензин.

Еталонне паливо складається з двох хімічно чистих вуглеводнів парафінового ряду – н-гептану та ізооктану. Н-гептан – вуглеводень, який детонує при низькому значенні ступеня стиснення, і його октанове число умовно прийнято за нуль; ізооктан, навпаки, згорає в двигуні без детонації, його октанове число прийняте за 100. (Є вуглеводні, октанове число яких більше за 100; авіаційні бензини, що містять ці вуглеводні, також можуть мати октанові числа, більші за 100).

Якщо досліджуваний бензин за своїми детонаційними властивостями подібний до ізооктану, його октанове число рівне 100. У разі, коли цей бензин детонує як гептан, його октанове число рівне нулю.

З н-гептану та ізооктану готують у різних пропорціях суміші, які є еталонами для порівняння з випробовуваним паливом. Наприклад, якщо детонаційні властивості бензину подібні до властивостей суміші, яка складається з 60 % ізооктану і 40 % н-гептану, то октанове число бензину рівне 60. Для підвищення детонаційної стійкості до бензинів додають невелику кількість антидетонаційних присадок.

Хімічну стабільність бензину характеризує постійність його складу при зберіганні і експлуатації. У бензині небажані сполуки, які окислюються і полімеризуються під впливом різних чинників (температури, дії кисню повітря тощо) з утворенням смолянистих речовин і кислот. Наявність в авіаційному бензині вищевказаних сполук не має перевищувати 5...10 г на 100 г бензину. Хімічна стабільність автомобільного бензину контролюється визначенням індукційного періоду – часу, за котрий у певних умовах бензин не поглинає кисню (індукційний період автомобільного бензину має бути не меншим ніж 360 хвилин). До якості бензину вису-ваються такі вимоги:

- фракційний склад має забезпечувати легкість і швидкість пуску двигунів за низьких температур; швидкий і плавний перехід з невеликої частоти обертання вала до більшої частоти; повноту випаровування палива у вхідній системі;

- тиск насичених парів має бути не вищий за певну граничну величину, щоб не допустити вміст у них летучих вуглеводнів (для попередження утворення парових пробок); за дуже низького тиску утруднюється пуск двигуна;

- при згорянні в двигуні бензин не має викликати детонацію;

- для попередження несправностей в роботі двигуна в бензині не мають міститися сполуки, які окислюються, а для попередження корозії сірчаних з’єднань має бути мінімальна кількість.

Дизельне паливо. Основна перевага дизельних двигунів – висока економічність, менші питомі витрати палива порівняно з бензиновими двигунами (на 30…40 %), більша надійність у роботі. Дизельне паливо дешевше порівняно з бензином, що зумовлено технологією отримання, та менш пожежонебезпечне. Але дизельне паливо має значний недолік: набагато обмеженіша сировинна база.

Дизельні палива - це горюча рідина, яку одержують, в основному, атмосферною перегонкою та каталітичним крекінгом, після чого проводять гідроочищення і депарафінізацію.

Дизельне паливо - це складна суміш парафінових нафтенових і ароматичних вуглеводнів, які википають у межах 180…370 °С.

Щоб забезпечити нормальну роботу двигуна, дизельне паливо повинно відповідати таким вимогам:

- безперебійна робота паливного насоса високого тиску;

- тонке розпилювання палива, легкий пуск і повнота згоряння;

- оптимальна в’язкість для надійного змащування деталей системи живлення

- відсутність утворення відкладів, нагарів і лаків;

- відсутність корозії резервуарів, баків, паливної системи і деталей двигуна;

- необхідний ступінь чистоти;

- мала витрата оливи і низька токсичність сполук у відпрацьованих газах.

Для забезпечення цих вимог дизельні палива повинні володіти певними фізико-хімічними та експлуатаційними властивостями, які умовно можна поділити на такі, що впливають на роботу системи живлення двигуна і ті, які впливають на випаровування та згоряння палива.

До перших відносяться: кінематична в’язкість, низькотемпературні властивості, вміст механічних домішок, води; до других - фракційний склад, температура самозаймання, період затримки самозаймання, здатність до нагароутворення, корозійні властивості.

Основна відмінність у роботі дизельного і карбюраторного двигунів полягає у сумішоутворенні, і запалюванні робочої суміші. У циліндрі дизельного двигуна повітря стискається до 30…70 МПа. Завдяки високому тиску температура повітря підвищується до 500…800 °С. У стиснене повітря, під високим тиском (до 15 МПа) через форсунку впорскується паливо, яке випаровується, нагрівається, самозаймається і згоряє. Всі ці процеси відбуваються за тисячні частки секунди.

Період, від моменту впорскування палива до його спалаху, носить назву індукційного періоду. Він характеризується цетановим числом, визначуваним за тією ж методикою, що і октанове число для бензинів.

Цетанове число дизельного палива рівне процентному вмісту цетану (С₁₆Н₃₄) в стандартній суміші його з метилнафталіном, який має однакове самозаймання з випробовуваним паливом. Якщо самозаймання дизельного палива таке, як самозаймання суміші з 40 % цетану і 60 % метилнафталіну, то його цетанове число дорівнює 40.

Нормальний пуск і плавна робота дизелів досягаються в літній період на паливі з цетановим числом 40...45 одиниць, а в зимовий період – 50...55 одиниць. Використовувати паливо з великим цетановим числом небажано, оскільки це призводить до сповільнення їх згоряння і збільшення задимленості вихлопу.

Фракційний склад дизельного палива впливає на його розпилювання, повноту згоряння (задимленість вихлопу), відкладення нагару і розрідження оливи картера. При високому вмісті легких фракцій збільшується тиск згоряння, тобто двигун працює жорсткіше. Обважнене паливо гірше розпилюється, в результаті зменшується швидкість утворення робочої суміші, погіршується її однорідність, а це призводить до підвищеного задимлення і зниження економічності двигуна.

У дизельному паливі мають міститися легкі, середні і важкі фракції нафти в оптимальних співвідношеннях.

В’язкість палива має забезпечувати хороше розпилювання і сумішоутворення, а також надійну роботу апаратури.

Температури помутніння і застигання палива мають забезпечувати пуск двигуна без підігріву, тобто мають бути на декілька градусів нижчі за температуру, за якої експлуатується двигун. Температура застигання, залежно від марки палива, змінюється від – 10 до – 55 °С.

Для зниження температури застигання дизельних палив застосовують технології депарафінізації та додавання спеціальних депресорних присадок.

Реактивне паливо (авіаційний гас) – це лігроїногасова фракція нафти, яка википає за температури 120...240 °С. Існують дві групи реактивного палива: для літальних апаратів з дозвуковою і надзвуковою швидкостями. До першої групи належать палива марок Т-1, ТС-1, Т-2, які отримуються шляхом прямої перегонки нафти.

Паливо, для реактивних двигунів з надзвуковою швидкістю, має значну теплоту згоряння, для забезпечення необхідної потужності двигуна (це газойлеві фракції, отримані при прямій перегонці нафти, з подальшим їх гідроочищеням).

Нафтове котельне паливо містить вуглеводні прямої перегонки нафти, легкий та важкий газойлі коксування, які отримують у процесі крекінгу. Для отримання котельних палив малої в’язкості, з низькою температурою застигання, до залишкових продуктів додають 20...25 % дизельних фракцій.

Широке впровадження рідкого котельного палива (топкового мазуту), замість твердого зумовлене зручністю його використання; це паливо має високу калорійність (близько 9500 ккал/кг), всі товаротранспортні операції здійснюються механічними засобами, для складування потрібно менше площ.

Одним із показників, які визначають якість котельних палив, є температура застигання та в’язкість, які характеризують його транспортабельність і здатність до ефективного розпилювання у форсунках. З підвищенням температури в’язкість мазуту знижується, перекачування його полегшується і поліпшується розпилювання. Температура самозаймання визначає пожежну безпеку палива в місцях його зберігання.

Вміст сірки в мазуті зумовлюється природою нафти, з якої їх отримують. Рідкі котельні палива, в основному, виробляються з сірчаної нафти, тому в промисловості застосовують сірчаний і високосірчаний мазут із вмістом сірки понад 1 %.

Малосірчаний мазут, із вмістом сірки до 0,5 %, використовують як паливо, переважно в технологічних нагрівальних установках (мартенівські печі, нагрівальні печі трубопрокатних і сталепрокатних заводів тощо).

За чинними стандартами випускають декілька марок котельного палива, які розрізняються в’язкістю, – мазут топковий марок 40, 100, 200; малосірчаний мазут для мартенівських печей – МП; мазут флотський для використання в суднових котельних установках.

Нафтові оливи – основний вид мастильних матеріалів, призначених для зниження тертя і зменшення зносу поверхонь, які труться, запобігання їх задирці в різних вузлах устаткування.

Основними показниками, які визначають характе-ристику олив, є в’язкість і її зміна із зміною температури, рухливість за низьких температур, стійкість проти окис-лення киснем повітря (хімічна стабільність); змащувальна здатність, захист металів від корозійної дії зовнішнього середовища.

Моторні оливи, як вже наголошувалося, призначені для змащування вузлів тертя двигунів різних систем. Частка цих олив у загальному обсязі виробництва оливи становить приблизно 60 %.

Основні вимоги до якості нафтової оливи:

- стабільність до окислення, під впливом кисню повітря і високої температури;

- зміна в’язкості за різних температур має бути такою, щоб забезпечити легкість пуску двигуна, і належне змащування його вузлів при роботі;

- низька температура застигання при мінусових температурах;

- добрі антикорозійні властивості.

Частка індустріальної оливи, в загальному обсязі виробництва оливи, становить близько 30 %. Індустріальна олива має зберігати рухливість за різних температур, не містити кислоти і лугу, і мати антизадирні та антикорозійні властивості.

Циліндрові оливи характеризуються малою випаровуваністю, високою в’язкістю, невеликою величиною утворення нагару.

Турбінні оливи мають бути стабільні до окислення, добре відділятися від води (у разі потрапляння її в систему змащування), відповідну в’язкість, і температуру застигання не більше – 10...15 °С.

Основна вимога, яка пред’являється до компресорних олив, – стабільність до окислення і низька температура застигання. В’язкість нормується залежно від типу компресора або холодильної машини.

Трансмісійні оливи повинні мати високі антизношувальні і антизадирні властивості та відповідну в’язкість.

Електроізоляційні оливи характеризуються високими діелектричними властивостями, високою хімічною стабільністю, низькою температурою застигання, хорошими антикорозійними властивостями. Ці оливи не повинні містити асфальтосмолистих сполук.

Оливи гідравлічних систем повинні мати властивості антифрикційної рідини, низьку температуру застигання, високу стабільність проти окислення і антикорозійні властивості.

Таким чином, найважливішими експлуатаційними властивостями олив є: стійкість їх до окислення, в’язкість і її зміна з температурою та рухливість за низьких температур. Всі ці властивості залежать від хімічного складу олив, вмісту в них певної структури вуглеводнів, ретельності підбору сировини, оптимального хімічного складу і процесу очищення олив.

У процесі роботи оливи змінюють свої властивості. У результаті їх окислення отримують продукти конденсації, які збільшують в’язкість олив і їх схильність до коксування. На поверхнях змащування утворюється нагар. Інші продукти окислення (органічні кислоти) викликають корозію металів. Крім того, в результаті окислення на гарячих деталях утворюються липкі відкладення, які згодом дають лакоподібні речовини, що призводить до передчасного зношування циліндропоршневої пари двигуна.

Використання олив за низьких температур можливе за умови, не підвищення їх в’язкості. З підвищенням в’язкості олив збільшується зношування вузлів тертя двигуна. Для поліпшення експлуатаційних властивостей нафтових олив, до них додають присадки.

Присадки за дією на змащувальні оливи можна поділити на такі групи:

- в’язкісні – які підвищують в’язкість олив і поліпшують їх в’язкісно-температурні властивості, – це високомолекулярні сполуки – полібутилени, полімета-крилати;

- депресорні – які знижують температуру застигання олив (алкілнафталіни, похідні алкілфенолів, а також поліметакрилати);

- миючі (детергенти) – які не допускають утворення на вузлах тертя двигунів нагару, лаків і осадів (феноляти, сульфонати);

- антиокислювальні – які підвищують стабільність олив (сірчані, азотисті, фосфорні, алкілфенольні сполуки);

- антикорозійні – які знижують корозійну агресивність олив (органічні сполуки, які містять сірку, фосфор або обидва ці елементи);

- протизношувальні і протизадирні – які поліпшують мастильні властивості олив і захищають деталі двигунів та механізмів, від задирання на поверхнях тертя;

- антипінні – які запобігають спінюванню олив при циркуляції їх у системах змащування машин;

- багатофункціональні – спроможні одночасно поліпшувати декілька якостей олив.