8.1 Структура топлива нефтяного происхождения
Основными химическими элементами нефтяного топлива являются углерод и водород (85 ... 87 % и 12,5 ... 15 % по массе соответственно). В керосине и дизтопливе имеется кислород (0,3 ... 0,5 % по массе).
Тот или иной вид нефтяного топлива получается одним из следующих способов:
прямой перегонкой нефти, то есть нагревом её до парообразного состояния с последующей конденсацией паров, при этом выход, например, бензина не превышает 35 %;
крекингованием, то есть дроблением тяжёлых молекул нефти на более лёгкие при высокой температуре (до 550 С);
деструктивной гидрогенизацией или пиролизом, то есть дроблением тяжёлых молекул на лёгкие с помощью катализаторов.
В двух последних случаях выход лёгких фракций значительно увеличивается.
И бензин, и дизтопливо представляют собой смеси (коктейли) углеводородов четырёх групп:
1) алканов - углеводородов парафинового ряда;
2) алкенов - углеводородов олефинового ряда;
3) цикланов - углеводородов нафтенового ряда;
4) ароматиков - углеводородов ароматического ряда.
К алканам относят насыщенные соединения, имеющие цепное строение молекул с формулой CnH2n+2. Вещества от метана CH4 до бутана C4H10 при нормальных условиях - газообразные. От пентана C5H12 до цетана C16H34 - жидкие. Далее - твёрдые.
Алканы при температурах до 300 С химически стабильны. Но при дальнейшем повышении температуры легко окисляются, образуя перекиси. Например, перобутан C4H10O2 (рис. 9.1).
При достижении в топливовоздушной смеси определённого количества (критической массы) перекисей происходит их очень быстрое (взрывное) сгорание. Поэтому смеси алканов с воздухом в цилиндрах ДВС довольно легко воспламеняются от сжатия и быстро сгорают. Отсюда следует вывод, что парафины весьма желательны в дизельном топливе, но нежелательны в бензине.
Некоторые алканы имеют отклонения от своей нормальной линейно-цепной структуры. Такие вещества называют изомерными. Например, изобутан (рис. 9.2). Они в отличие от нормальных алканов значительно менее склонны к взрывному детонационному горению.
Алкены также, как и нормальные алканы, имеют цепное строение. Но они не предельно насыщены водородом. Их формула CnH2n.
Олефины склонны к нагаро- и смолообразованию. Наличие их в топливе оценивается йодным числом (чем оно меньше, тем лучше топливо). В бензине и дизтопливе после крекингпроцесса наблюдается большое количество алкенов. Поэтому, во избежание быстрого выхода из строя двигателя, топливо должно проходить специальную обработку, после которой йодное число (количество алкенов) снижается до приемлемых значений.
Цикланы (нафтены) имеют такую же химическую формулу, как и алкены CnH2n, но структура их молекул не цепная, а кольцевая. Поэтому они менее склонны к образованию пероксидов, а значит, и не детонируют. Воспламеняемость у нафтенов хуже в сравнении с олефинами и тем более с парафинами.
Ароматики (бензолы) имеют кольцевую структуру и химическую формулу CnH2n-6k. В основе молекул ароматических углеводородов лежит бензольное ядро, то есть в указанной химической формуле количество атомов углерода n 6, а k - количество бензольных колец. Причём при n меньше 10 имеем k = 1. При 10 n < 14 имеем k = 2 и т.д. Если молекула состоит из двух бензольных колец, то такое вещество называют нафталином, из трёх - антраценом.
Арены весьма устойчивы к детонации, то есть к воспламенению от сжатия. Причём, чем больше бензольных колец, тем устойчивее к детонации вещество. Поэтому ароматики весьма желательны в бензине и нежелательны в дизельном топливе.