4.5. Органічна хімія і паливо

Розповсюдження автомобільного, авіаційного та інших видів транспорту, у яких використовуються бензинові, дизельні або реактивні двигуни, є однією з найбільш характерних рис технічного прогресу сучасного суспільства. Основним джерелом палива для всіх видів транспорту являється нафта. Фракційна переробка нафти призводить до її поділу на фракції:

1. вуглеводневий газ (пропан, бутан);

2. бензинова фракція (Т_кип. до 200º С );

3. керосин (Т кип. 220-275º С );

4. газойль або дизельне паливо (Т_кип. 200-400º С);

5. мастильні олії (Т_кип. вище 300º С);

6. залишок (мазут).

До складу бензинової фракції входять петролейний етер (Т_кип. 20-40º С) і екстракційний бензин (Т_кип. 60-120º С). Фракція, що має Т_кип. 40-200º С, називається бензином і містить вуглеводні С₆-С₉. Керосин містить вуглеводні С₉-С₁₆, використовується в невеликих опалювальних пристроях та турбінах. Газойль або дизельне паливо використовується головним чином як паливо для дизельних двигунів. Мастильні масла (або нафтові масла) містять вуглеводні С₂₀-С₅₀, очищують і використовують як мастильні матеріали (олії циліндрові, низькозастигаючі, турбінні, компресорні, автомобільні, авіаційні тощо). Мазут використовують як паливо або після вакуумної перегонки одержують більш висококиплячу фракцію. Залишок – асфальт (ізоляційний вологозахисний матеріал). До речі, таке застосування має і природній асфальт, що добувають на о. Тринидат у Карибському морі та в Ізраелі у Мертвого моря.

Основним моторним паливом у наш час є бензин.

Процеси, що відбуваються у циліндрах бензинового двигуна.

У цьому двигуні відбувається спалювання попередньо стиснутої суміші пари бензину і повітря, підпаленої електричною іскрою. Суміш швидко спалахує з утворенням вуглекислого газу і води, а також невеликої кількості продуктів неповного окиснення (у тому числі чадного газу). Частина енергії, що звільняється у процесі горіння, за допомогою руху поршня перетворюється у механічну енергію.

Паливо для бензинових двигунів має різні властивості. При використанні деяких з них двигун працює нормально, а інші призводять до стукоту мотора. Це означає, що згоряння відбувається дуже швидко, тобто замість спокійного горіння відбулася детонація і сила вибуху неправильно розподілилася у стиснутому просторі. Представником неякісного палива є гептан СН₃(СН₂)₅СН₃, в той час як 2,2,4-триметилпентан (у побуті його невірно називають ізооктаном), навпаки має в цьому відношенні унікальні властивості. Ці дві сполуки були покладені в основу шкали октанових чисел: гептану за визначенням надано значення нуль, а “ізооктану” – сто. Відповідно до цієї шкали, наприклад, бензин з октановим числом 90 має властивості суміші 90 % “ізооктану” і 10% гептану. Чим вище октанове число палива, тим вища його якість. Деякі сполуки мають октанове число більше 100.

Бензин, що отримують з нафти шляхом простої перегонки, має октанове число 50-55 і непридатний для безпосереднього використання у двигунах. Для підвищення октанового числа використовують:

1. Каталітичний крекінг – високотемпературна переробка нафтових фракцій з використанням каталізаторів. Каталізатори (алюмосилікати складу mAI₂O₃ ^.nSiO₂, цеоліти) забезпечують ізомеризацію і циклізацію вуглеводнів, за рахунок чого підвищується їх октанове число:

Варіантом каталітичного крекінгу є гідрокрекінг:

Каталізують цей процес суміші NiO+WO₃ або СоО+МоО₃, які наносять на цеоліти чи аморфні алюмосилікати.

2. Риформінг – каталітична переробка бензинових фракцій прямої перегонки нафти за допомогою водню під тиском з використанням каталізаторів. У якості каталізаторів використовують Pt/SiO₂ або Pt/Al₂O₃ – це для платформінгу. Якщо риформінг проводять в атмосфері водню, то говорять про гідрориформінг:

Риформінг складається з процесів дегідрування, гідрування і ізомеризації алканів. Перетворення нерозгалужених алканів у розгалуженні можна схематично представити наступним чином:

Інколи октанове число підвищують, додаючи сполуку, яка має високе октанове число (наприклад, толуен чи тетраетилсвинець Pb(C₂H₅)₄).

Дизельне паливо – це основне паливо для двигунів Дизеля. У циліндрах цих двигунів повітря стискується до більших величин, ніж у бензинових двигунах. При швидкому стискуванні повітря нагрівається приблизно до 300⁰ С; у нього впорскується мілкодисперсне паливо і відбувається швидке горіння суміші. Для характеристики дизельного палива використовують не октанові, а цетанові числа. Нульове значення має 1-метилнафтален, а цетан (гексадекан CH₃(CH₂)₁₄CH₃ ) має цетанове число 100.

Ракетні палива складають 90% маси ракети і бувають рідкими і твердими. Рідкі палива складаються з двох компонентів: палива і окисника (табл. 4.5).

Таблиця 4.5 – Види рідкого палива

Паливо	Окисник
Рідкий водень	Рідкий кисень
Рідкий водень	Рідкий азот
Вуглеводні С12 – С15	Рідкий кисень
Вуглеводні С12 – С15	Н2О2 (w = 98 %)
Гідразин (NH2 – NH2)	Нітроген оксид

Тверді ракетні палива складаються з трьох компонентів і окисника (амоній перхлорат), відновника (алюміній) і полімерної складової (полібутадієн або поліуретан), яка потрібна для постійного горіння.