Ахметов и др. Технология и оборудование процессов переработки нефти и газа (2006)

Таблица 1.7 – Требования к качеству авиационных бензинов

по ГОСТ 1012–72

Показатель	Б-95/130	Б-91/115
Детонационная стойкость, ОЧММ, не менее	95	91
Сортность, не менее	130	115
Содержание ТЭС, г/кг, не более	3,1	2,5
Удельная низшая теплота сгорания:
кДж/кг, не менее
	42947	42947
ккал/кг, не менее
	10250	10250
Фракционный состав, температура, °С:
начало кипения, не ниже
	40	40
10 %, не выше
	82	82
50 %, не выше
	105	105
90 %, не выше
	145	145
97,5 %, не выше
	180	180
Остаток, %, не более	1,5	1,5
Давление насыщенных паров, кПа (мм рт. ст.)
не менее
	33,3 (250)	29,3 (220)
не более
	45,4 (340)	48 (360)
Кислотность, мг КОН/100 мл, не более	0,3	0,3
Температура начала кристаллизации, °С, не выше	–60	–60
Иодное число, г, I2/100 г, не более	6	2
Содержание фактических смол, мг/100 мл, не более	4	3
Содержание, %, не более:
серы
	0,03	0,03
аренов
	35	35
Период стабильности, ч, не менее	12	12
Цвет	Желтый	Зеленый

1.3.2. Дизельные топлива

По частоте вращения коленчатого вала различают быстроходные (с числом оборотов коленчатого вала более 1000 мин–1) и тихоходные дизели. Степень быстроходности в значительной мере определяет требованияккачествутоплива.Значительнаячастьгрузовыхавтомобилей и сельскохозяйственной техники в настоящее время оснащены быстроходными дизелями, а суда речного и морского флота, а также стационарные силовые установки – преимущественно тихоходными.

51

По сравнению с бензиновыми дизельные двигатели имеют следующие преимущества:

–на 30…35% меньше расходуют более дешевое топливо;

–средняя температура рабочего цикла в дизеле ниже, что облегчает его охлаждение;

–применениевдизелях более тяжелогопосравнению сбензиномтоплива обеспечивает пожарную безопасность, облегчает его транспортирование и хранение;

–допускают большие перегрузки и отличаются большей устойчивостью в работе;

–выхлопные газы менее токсичны;

–за счет значительно меньшего времени контакта топлива с воздухом (топливо в дизеле впрыскивается только к концу такта сжатия) полностью устраняется опасность возникновения детонационного сгорания;

–практически неограниченная возможность обеднения горючей смеси, что позволяет изменять мощность дизеля только путем регулирования подачи топлива при постоянном расходе воздуха;

–возможность использования топлив с различной испаряемостью: среднедистиллятных, утяжеленных, а при определенных условиях и легких, типа бензина и керосина.

Кнедостаткамдизелейследуетотнестиихбольшуюудельнуюмассу, меньшую быстроходность и большую затрудненность в зимних условиях запуска.

Кнаиболееважнымпоказателямкачестватопливдлябыстроходных дизелей относятся: воспламеняемость, испаряемость, вязкость, коррозионная активность, низкотемпературные и экологические свойства.

Воспламеняемостьхарактеризуетспособностьдизельноготоплива

ксамовоспламенению в среде разогретого от адиабатического сжатия в цилиндре двигателя воздуха.

Было установлено, что конструктивные и эксплуатационные факторы, которые способствуют повышению температуры и давления воздуха, быстрому и интенсивному перемешиванию его с топливом в цилиндре двигателя, улучшают воспламеняемость и тем самым процесс сгорания топлива и делают работу дизеля мягкой и экономичной. Положительное влияние на работу дизеля оказывают:

– повышение степени сжатия;

– увеличение числа оборотов коленчатого вала;

– применение для изготовления блока цилиндров материала с низкой теплопроводностью, например чугуна;

– применение топлив с оптимальной воспламеняемостью.

52

Работу дизеля ухудшают повышение влажности воздуха и низкие температуры окружающего воздуха.

Определениевоспламеняемостидизельныхтопливпроизводитсяна специальной установке со стандартным одноцилиндровым двигателем ИТ9-3 и заключается в сравнении испытуемого топлива с эталонными топливами. Мерой воспламеняемости дизельных топлив принято считать цетановое число (ЦЧ). В качестве эталонных топлив применяют цетан (н-гексадекан С16Н34), имеющий малый период задержки самовоспламенения (ПЗВ), и его воспламеняемость принята за 100 единиц ЦЧ, и α-метилнафталин, имеющий большой ПЗВ, и его воспламеняемость принята за 0.

Цетановое число – показатель воспламеняемости дизельного топлива, численно равный процентному содержанию цетана в смеси с α-метилнафталином, которая по самовоспламеняемости в стандартном двигателе эквивалентна испытуемому топливу.

Кдизельнымтопливамнепредъявляютсястольвысокиетребования по детонационной стойкости в сравнении с автобензинами. Товарные дизельные топлива должны иметь ЦЧ в определенных оптимальных пределах.ПрименениетопливсЦЧменее40приводиткжесткойработе дизеля и ухудшению пусковых свойств топлива. Повышение ЦЧ выше 50 также нецелесообразно, так как возрастает удельный расход топлива в результате уменьшения полноты сгорания. Цетановое число дизельного топлива существенно зависит от его фракционного и химического состава. Алканы нормального строения и олефины имеют самые высокие ЦЧ, а ароматические углеводороды – наоборот, самые низкие ЦЧ. Цетановые числа высококипящих фракций нефти, как правило, выше ЦЧ низкокипящих.

ВГОСТахмногихстранмира,вт.ч.бывшегоСССР,цетановыечисла дизельных топлив нормируются в пределах 40…55. При необходимости повышения ЦЧ товарных дизельных топлив, на практике применяют специальные присадки, улучшающие воспламеняемость топлив, такие, как алкилнитраты (изопропил-, амилили циклогексилнитраты и их смеси). Их добавляют к топливу не более 1% мас., преимущественно к зимним и арктическим сортам, а также топливам низкоцетановым, получаемым, например, на базе газойлей каталитического крекинга. Кроме повышения ЦЧ (на 10…12 единиц), присадка позволяет улучшить пусковые характеристики при низкой температуре и уменьшить нагарообразование. Добавление 1,5…2% мас. циклогексилнитрата, например,кэтилированномуавтобензинупозволяетиспользоватьегокак топливо для быстроходных дизелей.

53

Испаряемостьдизельныхтоплив.Характерпроцессасгоранияди-

зельных топлив определяется кроме их воспламеняемости и полнотой испарения. Она зависит от температуры и турбулентности движения воздуха в цилиндре, качества распыливания и испаряемости топлива. С улучшением качества распыливания и повышением температуры нагрева воздуха скорость испарения впрыскиваемого топлива возрастает (однако степень распыливания не должна быть чрезмерно высокой, чтобы обеспечить необходимую дальнобойность струи). Время, которое отводится на испарение, в дизелях примерно в 10…15 раз меньше, чем в бензиновых двигателях, и составляет 0,6…2,0 мс. Тем не менее вдизеляхиспользуютболеетяжелыетопливасхудшейиспаряемостью, посколькуиспарениеосуществляетсяпривысокойтемпературевконце такта сжатия воздуха.

Испаряемость дизельных топлив оценивается их фракционным составом. Если пусковые свойства автобензинов определялись tН.К. и t10%, то для дизельных топлив они оцениваются t50%. Чем ниже эта температура, тем легче запуск дизеля. Считается, что tН.К. дизельных топлив должнасоставить 180…200°С, поскольку наличиебензиновыхфракций ухудшаетихвоспламеняемостьитемсамымпусковыесвойства,атакже повышает пожароопасность. Нормируемая температура t96% в пределах 330…360°С свидетельствует о присутствии в топливе высококипящих фракций, которые могут ухудшить смесеобразование и увеличить дымность отработавших газов.

Вязкость дизельных топлив. Топливо в системе питания дизельного двигателя выполняет одновременно и роль смазочного материала. При недостаточной вязкости топлива повышается износ плунжерных пар насоса высокого давления и игл форсунок, а также растет утечка топлива между плунжером и гильзой насоса. Топливо слишком вязкое будет плохо прокачиваться по системе питания, недостаточно тонко распыливаться и неполностью сгорать. Поэтому ограничивают как нижний, так и верхний допустимые пределы кинематической вязкости при 20°С (в пределах от 1,5 до 6,0 сСт.).

Низкотемпературные свойства. В отличие от бензинов в состав дизельных топлив входят высокомолекулярные парафиновые углеводороды нормального строения, имеющие довольно высокие температуры плавления. При понижении температуры эти углеводороды выпадают из топлива в виде кристаллов различной формы, и топливо мутнеет. Возникает опасность забивки топливных фильтров кристаллами парафинов. Принято считать, что температура помутнения характеризует нижний температурный предел возможного примене-

54

ния дизельных топлив. При дальнейшем охлаждении помутневшего топлива кристаллы парафинов сращиваются между собой, образуют пространственную решетку, и топливо теряет текучесть. Температура застывания–величинаусловнаяииспользуетсядляориентировочного определения возможных условий применения топлива. Этот показатель принят для маркировки дизельных топлив на следующие 3 марки: летнее (tзаст менее –10°С), зимнее (tзаст менее –35…45°С) и арктическое (tзаст менее –55°С). Применимы для улучшения низкотемпературных свойств дизельных топлив следующие 3 способа:

1)адсорбционная (цеолитная) или карбамидная депарафинизация;

2)облегчение фракционного состава путем снижения температуры конца кипения топлива;

3)добавление к топливам депрессорных присадок, которые эффективно снижают их температуры застывания. В качестве депрессоров промышленноеприменениеполучилисополимерыэтиленасвинил-

ацетатом.Посколькуонипрактическиневлияютнатемпературупомутнения топлив, большинство исследователей считает, что депрессор,адсорбируясьнаповерхностиобразующихсякристалловпарафинов,препятствуетихагрегациисформированиемобъемногокаркаса. Коррозионная активность характеризует способность топлива

вызывать коррозию деталей двигателя, топливной аппаратуры, топливопроводов, резервуаров и т.д. Она зависит, как и у бензинов, от содержания в топливе коррозионно-агрессивных кислородных и сероорганических соединений: нафтеновых кислот, серы, сероводорода

имеркаптанов. Коррозионная активность дизельных топлив оценивается содержанием общей серы (менее 0,2 и 0,4…0,5% мас. для I и II вида соответственно),меркаптановойсеры(менее 0,01% мас.),сероводорода (отсутствие),водорастворимых кислоти щелочей(отсутствие), а также кислотностью (менее 5 мг/КОН/460 мл) и испытанием на медной пластинке(выдерживает).Дляборьбыскоррозионнымиизносамидеталей дизеля выпускают малосернистые топлива и добавляют к ним различные присадки (антикоррозионные, защитные, противоизносные и др.).

Экологические свойства. По сравнению с автобензинами, дизельныетопливахарактеризуютсязначительноменьшейпожароопасностью. Это достоинство является решающим при выборе типа двигателя для установки на том или ином виде техники. Например, из-за меньшей пожароопасности топлива дизели используют на судах речного и морского флота, комбайнах,подводныхлодках,на танках,бронетранспортерах

ит.д. Пожароопасность дизельных топлив оценивают по температуре вспышки в закрытом тигле. Для всех марок быстроходных дизельных

55

топлив она нормируется не ниже 30…35°С. Для топлив, предназначенных к применению на кораблях, температура вспышки должна быть не ниже61°С,авособоопасныхусловиях,напримервподводныхлодках,– не ниже 90°С.

ВзависимостиотусловийприменениявсоответствиисГОСТ305–82 установлены следующие марки топлив (табл. 1.8) для быстроходных дизелей:

Л – (летнее), З – (зимнее)

А– (арктическое)

Встандарт введена следующая форма условного обозначения топлив: к марке Л добавляют цифры, соответствующие содержанию серы и температуре вспышки, например, Л-0,2-40; к марке З – содержание серы и температуры застывания, например, З-0,2 минус 35. В условное обозначение марки топлива А входит только содержание серы, напри-

мер, А-0,4.

По техническим условиям выпускаются дизельные топлива:

– экспортные ДЛЭ, ДЗЭ;

– с депрессорными присадками ДЗП, ДАП;

– экологически чистые и с улучшенными экологическими свойствами (с содержанием серы 0,01 и 0,005%) ДЭК-Л, ДЭК-З, ДЛЭЧ, ДЗЭЧ и др.

Взападно-европейских странах и США начато производство экологичных дизельных топлив со сверхнизким содержанием серы (менее

0,05%).

Топлива для тихоходных дизелей. Дизели с небольшой частотой вращения коленчатого вала (менее 1000 об/мин) наиболее широко используют в стационарных установках, что позволяет предварительно провести подогрев, отстой и фильтрацию топлива, тем самым снижает требования к его эксплуатационным свойствам. Вязкость топлива для тихоходных дизелей значительно выше, чем для быстроходных, поэтому ее нормируют при 50°С. Тихоходные дизели обычно работают в закрытых помещениях, поэтому топливо должно иметь более высокую температуру вспышки. Для тихоходных дизелей выпускается 2 марки топлива: ДТ и ДМ (табл. 1.9). Марка ДТ представляет собой смесьдистиллятныхиостаточныхпродуктов.Егоиспользуютвсреднеоборотных и малооборотных дизелях, не оборудованных средствами предварительной подготовки топлива. Марка ДМ (мазут) рекомендуется для тихоходных судовых дизелей, установленных в помещениях, оборудованных системой подготовки топлива.

56

Таблица 1.8 – Требования к качеству топлив

для быстроходных дизелей по ГОСТ 305–82

Показатель	Л		3		А
Цетановое число, не менее	45		45		45
Фракционный состав, температура, °С:
50%, не выше					255
	280		280
96 %, не выше					330
	360		340
Кинематическая вязкость при 20°С, мм2/с	3,0...6,0		1,8...5,0	1,5...4,0
Температура застывания,°С, не выше:
для умеренной климатической зоны	–10		–35		–
для холодной климатической зоны	–		–45		–50
Температура помутнения,°С, не выше:
для умеренной климатической зоны	–5		–25		–
для холодной климатической зоны	–		–35		–
Температура вспышки в закрытом тигле,°С, не ниже:
для дизелей общего пользования					30
	40		35
для тепловозных, судовых дизелей и газовых турбин					35
	61		40
Содержание, % мас., не более:
серы в топливе вида I					0,2
	0,2		0,2
серы в топливе вида II					0,4
	0,5		0,5
меркаптановой серы					0,01
	0,01		0,01
сероводорода		отсутствие
Испытание на медной пластинке	выдерживает
Содержание фактических смол, мг/100 мл, не более	40		30		30
Содержание водорастворимых кислот, щелочей,		отсутствие
мех. примесей и воды
Кислотность, мг КОН/100 мл, не более	5		5		5
Иодное число, г. I2/100 г., не более	6		6		6
Зольность, %, не более	0,01		0,01		0,01
Коксуемость 10% остатка, % не более	0,3		0,3		0,3
Коэффициент фильтруемости, не более	3		3		3
Плотность при 20°С, кг/м3, не более	860		840		830

57

Таблица 1.9 –	Требования к качеству топлив
	для средне- и малооборотных двигателей
	Показатель	ДТ	ДМ
Плотность при 20°С, кг/м3, не более		930	970
Фракционный состав; до 250°С перегоняется, % об., не более		15	10
Вязкость при 50°С, не более:
кинематическая, мм2 /с
		36	150
условная, °ВУ		5	20
Коксуемость, %, не более		3	9
Зольность, %, не более		0,04	0,06
Содержание, %, не более:
серы
		1,5	2.9
мех. примесей
		0,05	0,1
воды
		0,5	0,5
ванадия
		0,5	0,5
Температура вспышки в закрытом тигле, °С, не ниже		65	85
Температура застывания, °С, не выше		–5	10

1.3.3. Реактивные топлива

В современной гражданской и военной авиации широкое применение получили воздушно-реактивные двигатели (ВРД), работающие на жидком углеводородном топливе. Это обусловлено достаточно широкими ресурсами нефтяных углеводородных топлив, их сравнительно невысокой стоимостью, высокими энергетическими показателями и рядом других достоинств.

Применение ВРД, являющегося одновременно движителем самолета без сложных механических передаточных и ходовых устройств, позволяет при относительно небольшой массе создать большую тягу, причем в отличие от поршневых двигателей с пропеллером сила тяги ВРД не только не снижается с увеличением высоты и скорости полета, наоборот, даже возрастает.

Совершенствование ВРД и реактивных самолетов всегда было направленонадальнейшееувеличениевысотыискоростейполета,повышениемоторесурса,надежностииэкономичностидвигателей,обеспечение безопасности полетов. В зависимости от развиваемых скорости и высоты полета принято классифицировать ВРД и соответственно топлива на два типа: для дозвуковых и сверхзвуковых реактивных самолетов.

58

Среди моторных топлив повышенные требования предъявляются к качеству реактивных – технологию как при производстве, так и транспортировке, хранении и применении подвергают более тщательному контролю.

К топливу для ВРД предъявляются следующие основные требования:

–оно должно полностью испаряться, легко воспламеняться и быстро сгоратьвдвигателебезсрываипроскокапламени,необразуяпаровых пробок в системе питания, нагара и других отложений в двигателе;

–объемная теплота сгорания его должна быть возможно высокой;

–оно должно легко прокачиваться по системе питания при любой

иэкстремальной температуре его эксплуатации;

–топливо и продукты его сгорания не должны вызывать коррозии деталей двигателя;

–онодолжнобытьстабильнымименеепожароопаснымприхранении

иприменении.

Испаряемость– одно из важнейших эксплуатационных свойств реактивных топлив. Она характеризует скорость образования горючей смеси топлива и воздуха и тем самым влияет на полноту и стабильность сгорания и связанные с этим особенности работы ВРД: легкость запуска, нагарообразование, дымление, теплонапряженность камеры сгорания, а также надежность работы топливной системы.

Испаряемость реактивных топлив, как и автобензинов, оценивают фракционным составом и давлением насыщенных паров. Для реактивных топлив нормируются температура начала кипения, 10-, 50-, 90-

и98%-го выкипания фракции. Температура конца кипения (точнее, 98% перегонки) регламентируется требованиями прежде всего к низкотемпературным свойствам, а начала кипения – пожарной опасностью

итребованием к упругости паров. Естественно, у реактивных топлив для сверхзвуковых самолетов температура начала кипения существенно выше, чем для дозвуковых. В ВРД нашли применение 3 типа различающихся по фракционному составу топлив. Первый тип реактивных топлив, который наиболее распространен, – это керосины с пределами выкипания 135…150 и 250…280°С (отечественные топлива Т-1, ТС-1

иРТ, зарубежное – JR-5). Второй тип – топливо широкого фракционного состава (60…280°С), являющееся смесью бензиновой и керосиновой фракций (отечественное топливо Т-2, зарубежное – JR-4). Третий тип – реактивное топливо для сверхзвуковых самолетов: утяжеленная керосино-газойлевая фракция с пределами выкипания 195…315°С (отечественные топлива Т-6, Т-8В и зарубежное JR-6).

59

Давление насыщенных паров реактивного топлива обусловливает потери топлива и избыточное давление в баках, необходимое для обеспечения бескавитационной работы топливных насосов. Оно определяется в приборе типа бомбы Рейда при температуре 38°С для топлива Т-2 и при 150°С для топлив, не содержащих бензиновой фракции.

Горючесть является весьма важным эксплуатационным свойством реактивных топлив. Она оценивается следующими показателями: удельной теплотой сгорания, плотностью, высотой некоптящего пламени,люминометрическимчисломисодержаниемароматическихуглеводородов (общим и отдельно бициклическим).

Удельнаямассоваятеплотасгоранияреактивноготопливаколеблетсявнебольшихпределах(10250…10300ккал/кг),аудельнаяобъемная– более существенно в зависимости от плотности топлива (которая изменяется в пределах от 755 для Т-2 до 840 кг/м3 для Т-6). Плотность топлива–весьмаважныйпоказатель,определяющийдальностьполета, поэтому предпринимаются попытки получения топлив с максимально высокой плотностью.

Высота некоптящего пламени – косвенный показатель склонности топлива к нагарообразованию. Она зависит от содержания ароматических углеводородов и фракционного состава.

Люминометрическое число характеризует интенсивность теплового излучения пламени при сгорании топлива, т.е. радиацию пламени, является также косвенным показателем склонности топлива к нагарообразованию. Оно определяется путем сравнения с яркостью пламени эталонных топлив – тетралина и изооктана.

Склонностьтопливакнагарообразованиювсильнойстепенизависит от содержания ароматических углеводородов.

Воспламеняемость реактивных топлив обычно характеризуется концентрационными и температурными пределами воспламенения, самовоспламенения и температурой вспышки в закрытом тигле и др. Прокачиваемость реактивных топлив оценивают следующими показателями: кинематической вязкостью, температурой начала кристаллизации, содержанием мыл нафтеновых кислот и содержанием воды и механических примесей.

Кинематическая вязкость топлив нормируется при двух темпера-

турах: при 20 и при 40°С.

Температура начала кристаллизации для всех отечественных реак-

тивных топлив нормируется не выше минус 60°С.

Химическая стабильность реактивных топлив. Поскольку топли-

ва для ВРД готовят преимущественно из дистиллятных прямогонных

60