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

фракций, они практически не содержат алкенов, имеют низкие иодные числа (не выше 3,5 г I2/100 мл) и характеризуются достаточно высокой химической стабильностью. В условиях хранения окислительные процессы в таких топливах идут очень медленно. Гидроочищенные реактивные топлива, хотя в них удалены гетеросоединения, тем не менее легче окисляются кислородом воздуха ввиду удаления природных антиокислителей и образуют смолоподобные продукты нейтрального

икислотного характера. Для повышения химической стабильности гидроочищенных топлив добавляют антиокислительные присадки (типа ионола). Химическая стабильность реактивных топлив оценивается по иодным числам и содержанию фактических смол.

Термоокислительнаястабильностьхарактеризует склонность реак-

тивных топлив к окислению при повышенных температурах с образованием осадков и смолистых отложений. В условиях авиационных полетов имеет место повышение температуры топлива в топливных системахвплотьдо200°Сивыше,например,всверхзвуковыхсамолетах. Окисление топлив при повышенных температурах значительно ускоряется за счет каталитического действия материала деталей топливных систем.Длясниженияинтенсивностиокислительныхпроцессовнаиболее эффективно введение в реактивное топливо присадок, пассивирующих каталитическое действие металлов. Оценку термоокислительной стабильности реактивных топлив проводят в специальных приборах в статических и динамических условиях. Статический метод оценки заключается в окислении образца топлива при 150°С в изолированном объеме с последующим определением массы образовавшегося осадка (вмг/100мл)втечение4или5ч.Стабильностьвдинамическихусловиях оценивают по величине перепада давления в фильтре при прокачке нагретого до 150…180°С топлива в течение 5 ч или по образованию осадков в нагревателе (в баллах).

Повышение термоокислительной стабильности реактивных топлив обеспечивают технологическими методами (гидроочисткой) и введением специальных присадок (антиокислительных, диспергирующих или полифункциональных).

Коррозионнаяактивностьреактивныхтоплив.Онаоценивается,как

идля топлив поршневых ДВС, следующими показателями: содержаниемобщейсеры,вт.ч.сероводорода и меркаптановой серы, содержанием водорастворимых кислот и щелочей, кислотностью и испытанием на меднойпластинке.Топливадолжнывыдерживатьиспытаниенамедной пластинке (при 100°С в течение 3 ч), а также в них должны отсутствовать сероводород, водорастворимые кислоты и щелочи.

61

Марки реактивных топлив. Отечественными стандартами предусматривается возможность производства реактивных топлив четырех марок для дозвуковой авиации (Т-1, ТС-1, Т-2 и РТ) и две марки для сверхзвуковых самолетов – Т-6 (табл. 1.10). Топливо Т-1 – это прямогонная керосиновая фракция (150…280°С) малосернистых нефтей. Выпускают его в очень малых количествах. Т-2 – топливо широкого фракционного состава (60…280°С) – признано резервным и в настоящее время не вырабатывается. Наиболее массовыми топливами для дозвуковой авиации являются ТС-1 и РТ. Топливо ТС-1 – прямогонная фракция 150…250°С сернистых нефтей. Отличается от Т-1 более легким фракционным составом. Топливо РТ разработано взамен Т-1 и ТС-1. В процессе его производства прямогонные дистилляты (135…280°С) подвергают гидроочистке. Для улучшения эксплуатационных свойств в топливо РТ вводятся присадки противоизносные маркиП(0,002…0,004% мас.),антиокислительная (ионол0,003…0,004% мас.), антистатические и антиводокристаллизирующие типа тетрагидрофурфуролового спирта (ТГФ).

Таблица 1.10 – Требования к качеству реактивных топлив

Показатель	ТС-1	РТ	Т-6		Т-8В
Плотность при 20 °С, кг/м3, не менее	780	775	840		800
Фракционный состав, температура, °С:
начало кипения, не выше			–		–
	150	155
начало кипения, не ниже	–
		135	195		165
10 % , не выше
	165	175	220		185
50 % , не выше					–
	195	225	255
90 %, не выше					–
	230	270	290
98 % , не выше
	250	280	315		280
Вязкость кинематическая, мм2 /с:
при 20 °С, не менее	1,25	1,25	4,5		>1,5
при –40 °С, не более
	8	16	60		16
Теплота сгорания низшая, кДж/кг, не менее	43100	43100	42900		42900
Высота некоптящего пламени, мм, не менее	25	25	20		20
Кислотность, мг КОН/100 мл, не более	0,7	0,7	0,1		–
Температура начала кристаллизации, °С, не выше	–60	–55	–60		–50
Иодное число, г I2/100 мл, не более	3,5	0,5	0,8		0,9

62

Продолжение таблицы 1.10

	Показатель	ТС-1	РТ	Т-6	Т-8В
	Содержание:
	аренов, % , не более
		22	22	10	22
	фактических смол, мг/100 мл, не более
		3	4	4	4
	общей серы, % , не более
		0,2	0,1	0,05	0,1
	меркаптановой серы, % , не более
		0,003	0,001	0	0,001
	сероводорода, %, не более		отсутствие
	Испытание на медной пластинке		выдерживает
	Содержание водорастворимых кислот, щелочей,		отсутствие
	мех. примесей и воды
	Зольность, %, не более	0,003	0,003	0,003
	Содержание мыл нафтеновых кислот		отсутствие
	Содержание нафталиновых углеводородов, %,	1,5	1	1
	не более
	Термическая стабильность в статических услови-
	ях при 150 °С, мг/100 мл, не более:
	в течение 4 ч	18	–	–	–
	в течение 5 ч	–	–
				6	6
	Термическая стабильность
	в динамических условиях при 150...180 °С:
	перепад давления на фильтре за 5 ч, МПа,	0,083	0,01	0,01	0,01
	не более
	отложения на подогревателе, баллы, не более	2	2	0	–
	Люминометрическое число, не менее	55	55	45	45
	Температура вспышки в закрытом тигле, °С,	28	28	62	45
	не менее

Реактивное топливо для сверхзвуковой авиации Т-6 представляет собой глубокогидроочищенную утяжеленную керосино-газойлевую фракцию (195…315°С) прямой перегонки нефти. У топлива низкое содержание серы, смол, ароматических углеводородов (до 10% мас., а фактическое – 3…7% мас.), высокая термическая стабильность, хорошо прокачивается, малокоррозийно и используется на самолетах, имеющих скорости полета до 3,5 М.

Топливо для сверхзвуковой авиации Т-8В представляет собой гидроочищенную керосиновую фракцию 165…180°С сернистых нефтей.

Отечественные реактивные топлива по качеству не уступают зарубежным маркам топлив, например ДЖЕТА (А-1) и УР-5, а по некоторым показателям превосходят их.

63

1.3.4. Газотурбинные топлива

Газотурбинные двигатели (ГТД) обладают рядом преимуществ перед поршневыми:малыегабаритыименьшаямассанаединицумощности,быстрый запуск и простота управления, малая потребность в охлаждающей воде, высокая надежность, возможность работать на дешевых нефтяных топливах, а также на топливах любого вида (газообразном, жидком и даже пылевидном твердом). Эти достоинства ГТД обусловили достаточно широкое их использование в различных отраслях народного хозяйства, преимущественно в энергетике (на стационарных и передвижных электрических, газо- и нефтеперекачивающих станциях) и некоторых видах транспорта (речных и морских судах, железнодорожных локомотивах). Главный недостаток ГТД – сравнительно низкий КПД: 24…27% против 40% у дизеля. КПД стационарных ГТД можно повысить, если использовать отработавшие их газы для отопления или горячего водоснабжения.

Газотурбинные установки, как правило, работают на жидком углеводородном топливе утяжеленного фракционного состава, полученном при различных процессах переработки нефти. Применение таких дешевых топлив позволяет снизить стоимость энергии, получаемой на ГТД, даже при повышенном расходе топлива.

Кгазотурбиннымтопливампредъявляютсязначительноменеежесткие требования к качеству по сравнению с реактивными топливами. Наиболее важное эксплуатационное требование к их качеству – низкое содержание в них ванадия, натрия и калия, вызывающих коррозию камер и лопаток газовых турбин. Исследованиями было установлено, что топлива с низким содержанием коррозионно-активных металлов получаются на базе дистиллятных фракций прямой перегонки глубокообессоленной нефти, термического и каталитического крекинга

икоксования с температурой конца кипения до 480°С.

Внашейстраневыпускается2марки газотурбинныхтоплив:А –для пиковых газотурбинных установок и Б – для судовых и энергетических установок (табл. 1.11).

Фракционныйсоставдлягазотурбинныхустановокненормируется, однако он косвенно регулируется требованием по вязкости и плотности. Условная вязкость при 50°С для топлива марки А нормируется не более 1,6°ВУ, а для Б – 3°ВУ. Плотность при 20°С должна быть не более 935 кг/м3. Содержание серы допускается до 2,5 и 1,8% для марок Б

иАсоответственно.Зольностьдлявсехмарокдолжнабытьниже0,01%. Содержаниеванадиянормируетсянеболее0,04и0,005%мас.длямарок соответственно Б и А. Для этих марок регламентируется температура вспышки не ниже 65°С и температура застывания не выше 5°С.

64

Таблица 1.11 – Требования к качеству газотурбинных

и котельных топлив

		Газотур-
	Показатель	бинные		Котельные топлива
		топлива
		Б	А	Ф–5	Ф–12	40	10
	Вязкость при 50 °С, не более:
	условная,°ВУ
		3	1.6	5	12	8*	16*
	кинематическая, м2/с	–	–
				36,2	89,0	59*	118*
	Теплота сгорания низшая, Дж/кг,	39 800	39 800	41 454	40 740	39 900	40 530
	не менее
	Зольность, %, не более	0,01	0,01	0,05	0,1	0,12	0,14
	Содержание, %, не более:
	мех. примесей
		0,03	0,02	0,1	0,12	0,8	1,5
	ванадия	0,0004	0,00005	–	–	–	–
	кальция	–		–	–	–	–
			0,0004
	суммы натрия и калия	–		–	–	–	–
			0,0002
	воды
		0,5	0,1	0,3	0,3	1,5	1,5
	серы
		2,5	1,8	2	0,6	3,5	3,5
	сероводорода			отсутствие
	водорастворимых кислот			отсутствие
	и щелочей
	Коксуемость, %, не более	0,5	0,2	6	6	–	–
	Плотность при 20°С, кг/м,	935	–	955	960	965	1015
	не более
	Температура, °С:
	вспышки в закрытом тигле,	61	65	80	90
	не ниже
	вспышки в открытом тигле,	–	–	–	–	90	110
	не ниже
	застывания, не выше	5	5	–5	–8	10	25
	Иодное число, г I2/100 г, не более	45	–	–	–	–	–
	* При 80 °С.

Удовлетворение требований по зольности и содержанию ванадия, калия и натрия достигается обычно обессоливанием исходной нефти и водной промывкой топлив. Эффективным средством борьбы с ванадиевой коррозией является и введение присадок на основе солей меди, цинка, магния, кобальта и т.д. Практическое применение получили присадки, содержащие магниевые соли синтетических жирных кислот

65

С19–С20 и окисленного петролатума. Они снижают интенсивность ванадиевой коррозии в 4…10 раз за счет перевода низкоплавкого оксида ванадия в высокоплавкий ванадат магния Mg3(VO4)2.

1.3.5. Котельные топлива

Внашей стране котельные топлива являются наиболее массовым нефтепродуктом. Однако в связи с интенсивной газификацией котельных установок или переводом их на твердые виды топлива производство котельных топлив будет непрерывно сокращаться.

Паротурбинные установки эксплуатируются в различных областях техники, на электростанциях, морских и речных судах, в железнодорожном транспорте, в насосных и т.д. Топлива для топок судовых

истационарных котельных установок, а также для промышленных печей (мартеновских и других) получают смешением тяжелых фракций

инефтяных остатков, а также остатков переработки углей и сланцев. Наиболееширокоприменяюткотельныетопливанефтяногопроисхождения. Качество котельных топлив нормируется следующими показа- телями:вязкость–показатель,позволяющийопределитьмероприятия, которые требуются для обеспечения слива, транспортировки и режима подачи топлива в топочное пространство. От условий распыливания топлива зависит полнота испарения и сгорания топлива, КПД котла

ирасходгорючего.Величинавязкоститопливаоцениваетсявзависимости от его марки при 50 и 80°С в °ВУ. Температура вспышки определяет условия обращения с топливом при производстве, транспортировке, хранении и применении. Не рекомендуется разогревать топочные мазуты в открытых хранилищах до температуры вспышки. Основную массу котельных топлив производят на основе остатков сернистых

ивысокосернистыхнефтей.Присжиганиисернистыхтопливобразуютсяокислысеры,которыевызываютинтенсивнуюкоррозиюметаллических поверхностей труб, деталей котлов и, что недопустимо, загрязняют окружающую среду. Для использования в технологических котельных установках, таких как мартеновские печи, печи трубопрокатных и сталепрокатных станов и т.д., не допускается применение высокосернистых котельных топлив.

Внашей стране выпускаются следующие марки котельных топлив

(см. табл. 1.11):

1) флотские мазуты марок Ф-5 и Ф-12. Ф-5 получают смешением мазута и гудрона сернистых нефтей с дистиллятными фракциями прямой перегонки и вторичных процессов. Содержание серы в них допускается до 2%. Ф-12 представляет собой смесь дистиллятных

66

иостаточных продуктов переработки малосернистых нефтей. Содержание серы в нем допускается до 0,6%. Флотские мазуты Ф-5

иФ-12 различаются между собой по вязкости. Вязкость условная

при 50°С для этих марок нормируется соответственно не более

5 и 12°ВУ;

2)топочные мазуты 40 и 100 – являются наиболее массовыми котельными топливами. Они предназначаются для всех котельных и нагревательных установок общего назначения. По содержанию серы выпускают топлива: малосернистые – от 0,5 до 1,0%, сернистые – от 1,0 до 2% и высокосернистые – до 3,5%;

3)топливо для мартеновских печей. Вырабатывают две марки: МП – малосернистое (до 0,5%) и МПС – сернистое (до 1,5%). Отечественные котельные топлива, хотя по качеству примерно со-

ответствуют зарубежным аналогам, однако недостаточно полно удовлетворяют потребностям по целому ряду показателей: содержанию серы и механических примесей, зольности и температуре застывания высокопарафинистых мазутов. Отечественные котельные топлива по сравнению с зарубежными содержат значительное количество разбавителей – ценных дизельных фракций, что обусловливается нехваткой мощностей висбрекинга, с одной стороны, и отсутствием депрессорных присадок – с другой. Во ВНИИ НП разработаны и испытаны весьма эффективныедепрессорныеприсадкикмазутамнаосновесополимеров этилена и винилацетата двух марок: ВЭС-407 и ВЭС-488. Однако до настоящего времени их промышленное производство не организовано. Нашей промышленностью в недостаточных количествах (примерно на одну треть от потребности) производятся исключительно нужные для повышения качества котельных топлив присадки, такие как детергент- но-диспергирующие (ВНИИ НП-102 для флотских мазутов), многофункциональные (ВНИИ НП-106 М для высокосернистых котельных топлив), антикоррозионные (Полифен) и др.

1.3.6.Основные химмотологические требования к нефтяным маслам

Смазочные масла, применяемые практически во всех областях техники, в зависимости от назначения выполняют следующие основные функции: уменьшают коэффициент трения между трущимися поверхностями, снижают интенсивность изнашивания, защищают металлы от коррозии, охлаждают трущиеся детали, уплотняют зазоры между сопряженными деталями, удаляют с трущихся поверхностей продукты изнашивания.Несмазочныемасласлужат рабочими жидкостями в гид-

67

равлических передачах, электроизоляционной средой в трансформаторах, конденсаторах, кабелях, масляных выключателях, используются для приготовления смазок, присадок и т.п.

В товарном ассортименте более 400 марок масел различного назначения, однако широко распространено лишь ограниченное число марок.

По источнику сырья масла подразделяются на дистиллятные, полученные из соответствующих масляных фракций вакуумной перегонки мазута; остаточные, полученные из остатка вакуумной перегонки мазута, т.е. из гудрона; компаундированные, полученные при смешении дистиллятного и остаточного компонентов; загущенные, полученные введением в базовые масла загущающих полимерных присадок (в марках масел обозначаются индексом «З»). По способу очистки различают масла кислотно-щелочной, кислотно-контактной, селективной и адсорбционной очистки и гидроочистки (или гидрокрекинга). Основное количествомаселпроизводятсиспользованиемпроцессовселективной очистки и депарафинизации.

Основными показателями качества всех смазочных масел являются вязкость и ее изменение с температурой (вязкостно-температурные свойства); температура застывания; устойчивость против окисления кислородом воздуха (химическая стабильность); смазочная способность; защитные и антикоррозионные свойства. Кроме того, к различным группам масел, например несмазочных, в зависимости от назначения предъявляются специфические требования.

Вязкость и вязкостно-температурные свойства масел зависят от их фракционного и химического состава. С повышением температуры кипения масел их вязкость возрастает. Остаточные масла более вязкие, чем дистиллятные. Парафиновые углеводороды нормального строения характеризуются наименьшей вязкостью. С разветвлением цепи их вязкость возрастает. Циклические углеводороды значительно более вязкие, чем парафиновые. При одинаковой структуре вязкость нафтенов выше, чем аренов. Наибольшую вязкость имеют смолистоасфальтеновые вещества. Важнейшей характеристикой масел является изменение их вязкости с температурой.

Чем более полога температурная кривая вязкости, тем выше значение ИВ и более качественно масло (современные масла должны иметь ИВ не менее 90). Индекс вязкости, наряду с температурой застывания,определяетинтервалтемператур,вкоторомработоспособномасло. Всесезонные масла, например, имеют более высокие значения ИВ, чем летние или зимние. Наибольшим ИВ обладают алканы нормального

68

строения. Для циклических углеводородов характерно улучшение вяз- костно-температурных свойств с уменьшением цикличности молекул

иувеличением длины боковых цепей. Для получения высокоиндексных масел следует полностью удалять полициклические арены и наф- тено-ароматические углеводороды с короткими боковыми цепями

исмолисто-асфальтеновые вещества.

Температура застывания масел зависит от содержания в них ту-

гоплавких углеводородов, и прежде всего парафинов и церезинов. Выделяющиеся при низких температурах кристаллы твердых углеводородов образуют пространственную структуру, что приводит к застыванию

ипотере подвижности масел. Поэтому из масел следует удалять, помимо низкоиндексных, и компоненты, ухудшающие их низкотемпературные свойства.

Химическаястабильностьмасел.Впроцесседлительнойэксплуа-

тацииподвоздействиемкислородавоздухаобразуются(особенноинтенсивнопривысокихтемпературахикаталитическомвлиянииразличных металлов) и накапливаются в маслах различные продукты окисления

иконденсации(оксикислоты,смолы,асфальтены,углистыеотложения, лаки и др.), которые ухудшают их эксплуатационные свойства.

Наилучшей химической стабильностью обладают малоцикличные нафтено-ароматические углеводороды.

Смазочнаяспособностьмаселявляется важнейшей их характеристикой в условиях работы машин и механизмов при больших нагрузках

ималых скоростях. Она определяет способность масла создавать на металлической поверхности весьма прочный, но очень тонкий смазочный слой толщиной всего лишь0,1–1,1 мкм, т.е. 50…500 молекулярных слоев.Такойтипсмазкиполучилназваниеграничнойсмазки.Несмотря на ничтожно малую толщину такого слоя, износ материалов при граничной смазке уменьшается в тысячи раз по сравнению с сухим трением. Наилучшей смазочной способностью обладают смолисто-асфаль- теновые вещества, некоторые высокомолекулярные сероорганические

икислородсодержащие соединения, которые, с точки зрения других эксплуатационных показателей, в маслах нежелательны и подлежат удалению. Поэтому для улучшения смазочной способности в масла вводят специальные поверхностно-активные присадки.

Защитныеиантикоррозионныесвойствамаселобусловливают-

ся их способностью вытеснять воду с поверхности металла, удерживать ее в объеме смазочного материала и образовывать на нем прочные адсорбционные и хемосорбционные пленки, препятствующие развитию коррозионных процессов. Базовые нефтяные масла не способны дли-

69

тельно защищать металлы от коррозии. Их защитные свойства улучшают введением небольших количеств ингибиторов коррозии.

Моторныемасла.Моторныемаслапредназначены,какужеотмечалось,длясмазкидвигателейразличныхсистем.Доляихвобщемобъеме производства масел составляет: в мире 50%, в бывшем СССР – 60%.

Стремление форсировать ДВС значительно повысило требования к качеству моторных масел, работающих на высокотемпературном режиме.

Отечественные товарные моторные масла в соответствии с ГОСТ 17479–72 обозначаются при маркировке буквой М с указанием класса вязкости (по значению ν100) и группы по эксплуатационным свойствам буквами А, Б, В, Г, Д и Е с индексом 1 или 2, означающим применимость их соответственно к бензиновым или дизельным двигателям. В зависимости от жесткости (форсированности) работы ДВС масла дифференцируют на следующие группы: А – для нефорсированных двигателей, Б – малофорсированных, В – среднефорсированных, Г – высокофорсированных бензиновых и дизельных двигателей, Д – для высокофорсированных дизелей, работающих в тяжелых условиях, Е – для малооборотных дизелей с лубрикаторной системой смазки. Например, М-10Г1 – это моторное масло для смазки высокофорсированных карбюраторных двигателей с вязкостью ν10010±0,5 сСт; М-43/8В2 – масло предназначено для смазки среднефорсированных дизелей с вязкостью ν1008±0,5 сСт, содержит загущающие присадки. Основные характеристики наиболее распространенных марок масел приведены в табл. 1.12.

Трансмиссионные и осевые масла. Трансмиссионные масла ис-

пользуются для смазки агрегатов трансмиссий транспортных машин и промышленных редукторов.

Агрегаты трансмиссий транспортных машин предназначены для передачи мощности от двигателя к движителю (колесу, гусенице, гребному валу и т.д.). Они подразделяются на механические и гидравлические. Механическая трансмиссия состоит обычно из сцепления, коробки передач, карданной передачи и ведущего моста. На автомобиляхповышеннойпроходимости(сдвумяилиболееведущимимостами) втрансмиссиюдополнительновключаютраздаточныекоробкиикоробки отбора мощности. К числу основных агрегатов механических трансмиссий различных типов (цилиндрических, конических, червячных, гипоидных и др.), смазываемых маслом, относятся коробка передач, ведущий мост, коробка отбора мощности и раздаточная коробка.

70