Физико-химические свойства топлива
Физико-химические свойства топлива
Для судовых двигателей основным видом жидкого топлива являются продукты перегонки сырой нефти.
Нефть состоит из различных углеводородов с примесью кислородных, азотных и сернистых соединений; в ней содержится вода, механические примеси и различные соли минеральных кислот. Состав нефти представляет собой одну из следующих групп углеводородов: 1) предельно парафиновые, ряда СnН 2n+2; 2) нефтеновые, ряда СnН2n и 3) ароматические, ряда СnН2n-6.
Парафины (алканы) являются предельными алифатическими углеводородами; отличаются высокой химической стойкостью при нормальной температуре и низкой термической — легко окисляются при температуре 250— 200° С. В зависимости от состава молекулы углеводорода, парафины могут быть в газообразном состоянии (метан СН
Нефтеновые углеводороды также принадлежат к предельным углеводородам, но более устойчивы при высоких температурах, чем парафины. Молекулы нефтеновых углеводородов (цикланы) имеют кольцевое строение, которое может быть образовано из алкановых соединений с открытой цепью, если концы цепи углерода соединить в кольцо. Так, например, структура молекулы циклопентана С5Н10 изображается
Нефтеновые и парафиновые углеводороды являются основными частями дизельных топлив.
Ароматические (бензольные) углеводороды обладают большой термической стойкостью и меньшей химической. Для самовоспламенения ароматических углеводородов требуется более высокая температура. В основе строения их молекулы — шестиугольный замкнутый каркас, состоящий из связанных между собой атомов углерода и присоединенных к ним атомов водорода.Молекула бензола С6Н6, одного из представителей этой группы углеводородов, имеет структурный вид
Ароматические углеводороды в основном входят в состав каменноугольных смол и масел и редко встречаются в нефтепродуктах.
Кроме рассмотренных основных групп углеводородов, в нефтях в незначительных количествах встречаются непредельные углеводороды — олефины (С
В качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания используются только различные продукты перегонки нефти. Нефть является исходным материалом для получения не только топлива, но и других ценных продуктов.
Распространенным методом переработки нефти является фракционная перегонка, в результате которой она разделяется на ряд фракций (дистиллатов) с содержанием примерно одинаковых качеств углеводородов. Перегонка происходит при атмосферном давлении в трубчатых перегонных установках. Путем отбора выкипающих продуктов в различных температурных интервалах получаются различные фракции перегонки. При отборе в температурном интервале от начала кипения до температуры 200—225° С получаются бензиновые погоны, при интервале температур 120—230° С выделяются лигроиновые, при Г50—315° С — керосиновые и при 240—350° С — соляровые погоны. Жидкий остаток после отгона указанных продуктов называется мазутом прямой гонки.
Мазут прямой гонки может быть использован как топливо и для дальнейшей перегонки. Процесс перегонки мазута представляет собой процесс разложения и преобразования строения молекул и. называется крекинг-процесс.В результате крекинг-процесса, который обычно ведется при температуре 475—500° С и давлении 15—16 кГ/см2, получаются бензины и другие легкие продукты, а также и высоковязкие продукты.
Элементарный состав жидких топлив нефтяного происхождения в процентах по весу изменяется в следующих пределах: углерода С = 84 ? 88; водорода Н = 10?14; кислорода О = 0,05 ? 3,0 и серы S =0,01 ? 5,0. Для дизельных топлив с малым содержанием серы при расчетах рабочих циклов принимают следующий элементарный состав: С = 86%, Н = 13% и О = 1 % .
Теплотой сгорания (теплотворностью) жидкого топлива называется количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кг топлива. При определении высшей теплотворности Qв учитывается тепло, выделяющееся при конденсации паров воды, находящейся в топливе и образовавшейся в результате горения водорода топлива. Высшая теплотворность топлива определяется при сжигании его в калориметре.
При работе двигателя температура отработавших газов в выпускном тракте значительно выше 100° С, следовательно, с парами воды уносится и теплота парообразования. В связи с этим в расчетах двигателей пользуются низшей теплотворностью топлива Qн, которая определяется по формуле Менделеева:
Здесь составные элементы топлива указаны в процентах по весу.
При расчетах цикла двигателей принимают Qn = 10 000 ккал/кг, а фактически (Qn изменяется от 9750 ккал/кг (у мазутов) до 10500 ккал/кг (у дизельных топлив).
Весовая плотность топлива измеряется при температуре 20° С, пересчет измерений плотности при другой температуре к температуре 20° С производится по формуле
Вязкость топлива является одним из важнейших свойств жидкого топлива, определяющего текучесть топлива по трубопроводам и качество его распыливания.
Кинематической вязкостью называется сила сопротивления двух слоев жидкости площадью в 1 см2, находящихся на расстоянии 1 см друг от друга и перемещающихся друг относительно друга со скоростью 1 см/сек, отнесенная к единице плотности.
Если взять жидкость с плотностью, равной 1 г/см3, то при сопротивлении в 1 дн получается единица кинематической вязкости — стоке (ст). Сотая часть стокса называется сантистоксом и выражается в см2/сек.
Условной вязкостью называется отношение времени истечения из вискозиметра 200 см3 испытуемого продукта при данной температуре ко времени истечения 200 см3 дистиллированной воды при температуре +20° С. Условная вязкость измеряется в градусах Энглера (° Е).
В быстроходных двигателях применяется топливо с условной вязкостью при 50° С не выше 1,75° Е. В тихоходных дизелях топливо применяется >с условной вязкостью при 50° С 5—9° Е. При вязкости выше 5° Е необходим
подогрев топлива до 45—50° С и выше.
Вязкость топлива зависит от температуры его — с повышением температуры вязкость топлива уменьшается.
На рис. 12 по данным А. И. Толстова приведены вязкости различных топлив при разных температурах (кривые 1 и 2 — дизельного топлива; 3 — соляра парафинистого; 4 — соляра; 5 — керосина и 6 — нефти).
С повышением давления начиная с 200—300 кГ/см2 вязкость топлива повышается и при достижении давления 800 кГ1см2 возрастает в 5—6 раз.
Пределы температур фракционной разгонки топлива являются признаком испаряемости легких сортов топлива. Для оценки фракционной разгонки строят кривые разгонки, по оси ординат откладывают объемное содержание в процентах испарившегося топлива, а по оси абсцисс — температуры паров.
На рис. 13 приведены кривые разгонки топлив (1 и 2-дизелыюе топливо; 3 — соляр парафинистый; 4 — соляр; 5 — керосин; 6 — нефть).
Топливо для двигателей должно обладать малым диапазоном фракций. Наличие легких фракций в топливе улучшает пусковые качества двигателя, но увеличивает жесткость работы его. Утяжеление фракционного состава топлива повышает вязкость его, а следовательно, вызывает ухудшение качества распыливания и сгорания.
Температура застывания определяет потерю текучести топлива. Для дизельных топлив быстроходных двигателей температура застывания лежит в пределах от—10 до —60° С; у топлив для тихоходных дизелей в пределах от — 5 до + 5° С.
Применение топлив для судовых дизелей с относительно высокой температурой застывания требует специальных устройств для подогрева его в цистернах и в фильтрах.
Температура вспышки — это та минимальная температура, при которой смесь паров топлива с воздухом (нагреваемого в стандартных условиях) вспыхивает при поднесении к ней пламени. Если пары топлива, вспыхнув, торят не менее 5 сек, то температура будет соответствовать температуре воспламенения. Температуры вспышки и воспламенения оценивают топливо с точки зрения пожарной безопасности при хранении и применении его на судне. Сорта легких топлив (бензины и керосин) имеют температуру вспышки ниже 21° С — бензины, до 65° С — керосин и сорта тяжелых топлив — выше 65° С.
Температурой самовоспламенения топлива называется та минимальная температура, при которой топливо или горючая смесь самовоспламеняется без какого-либо внешнего (постороннего) источника зажигания и продолжает гореть. Температура самовоспламенения топлива определенного состава зависит от интенсивности отвода тепла. Самовоспламенение топлива возможно начиная с температуры, при которой количество тепла, выделяемого химической реакцией, превышает количество отводимого тепла.
Таким образом, на величину температуры самовоспламенения топлива влияют среда, в которой происходит самовоспламенение (воздух или кислород), давление и температура среды и устройство самого прибора по определению этой температуры и др. С изменением физико-химических свойств топлива (изменение вида топлива) температура самовоспламенения изменяется. Наиболее низкую температуру самовоспламенения имеют алкановые углеводороды и наиболее высокую — ароматические.
Сжимаемость дизельных топлив характеризуется средним значением коэффициента сжимаемости (?ср, который показывает, на какую долю уменьшается начальный объем топлива при увеличении давления на 1 кГ/см2:
С возрастанием давления коэффициент сжимаемости уменьшается. Сжимаемость топлива влияет на закон подачи его и при расчетах топливоподающей системы двигателя должна учитываться.
На рис. 14 приведено изменение коэффициента сжимаемости (? и (?ср в зависимости от давления для топлива ДТ-1.
Поверхностное натяжение, определяемое физико-химическими свойствами топлива, измеряется в дн/см и при 20° С составляет для алканов 18—28; цикланов 22—29 и ароматиков 28—32. При повышении температуры и давления поверхностное натяжение уменьшается.
Механические примеси в топливе обычно в виде песка, пыли, окалины и других частиц засоряют сопла форсунок, загрязняют фильтры, способствуют ускоренному износу топливных насосов и форсунок. Поэтому в топливах для тихоходных дизелей механические примеси допускаются не более 0,1 % по весу, а в топливах для быстроходных дизелей они совершенно не допускаются.
Вода в топливе снижает его теплотворность, может нарушать процесс подачи топлива и вводит в цилиндр растворенные в ней соли, которые повышают износ втулки цилиндра. Содержание воды в топливе тихоходных дизелей не должно быть больше 1,0%, а в топливах быстроходных дизелей наличие воды совершенно не допускается.
В последнее время ведутся опыты по сжиганию в цилиндре дизеля топлива с примесью мелкораспыленной воды. Как показывают результаты некоторых опытов, мелкие частицы воды, равномерно распределенные в жидком топливе, способствуют развитию процесса сгорания топлива (интенсифицируют процесс сгорания). Теплоиспользование в цилиндре при этом повышается, а удельный расход топлива снижается.
Коксуемость топлива в какой-то степени характеризует склонность топлива к нагарообразованию. Коксуемость топлива для быстроходных дизелей допускается не более 0,5% и для тихоходных 3—4% по весу. Сера и сернистые соединения, находящиеся в топливе при сгорании его в цилиндре двигателя, образуют SO2 и SO3, которые вместе с водой могут образовать кислоты, вызывающие коррозию стенок цилиндра и выпускного тракта. Наличие серы в топливе вредно действует на стенки цилиндра и выпускного тракта не только вследствие газовой коррозии (в зоне высоких температур) и кислотной коррозии (в области пониженных температур), но и по причине механического воздействия. Происходит это вследствие того, что продукты конденсации сернистых соединений, концентрируясь в нагарах и отложениях, делают их более твердыми.
Повышение твердости нагара способствует более быстрому износу втулок цилиндра. В связи с изложенным содержание серы в топливе для быстроходных дизелей допускается до 0,2% и для тихоходных до 0,5%. В связи с увеличением содержания серы в добываемых нефтях и вредным ее воздействием в последнее время стали применять присадки к топливам с большим содержанием серы. Наиболее совершенными являются многофункциональные присадки, которые снижают износ и нагарообразование в цилиндре, предотвращают коррозию топливохранилищ и топливопроводов, а также улучшают процесс сгорания тяжелых сернистых топлив.
Результаты испытаний двигателей при работе на топливе с многофункциональной присадкой позволяют сделать следующие выводы:
1. Присадка способствует снижению отложений нагара на стенках цилиндра.
2. Присадка снижает износ деталей цилиндро-поршневой группы по сравнению с работой на сернистом топливе без присадки.
3. При работе двигателя на топливе с присадкой смазочное масло ухудшается более медленно, чем при работе двигателя на том же топливе, но без присадки.
Кислотность топлива способствует нагарообразованию и усилению износа; она определяется содержанием КОН (в миллиграммах), требуемого для нейтрализации 100 мл топлива. Кислотность топлив быстроходных дизелей не должна превышать 10 мг КОН.
Зольность топлива способствует износу втулки цилиндра и поршневых колец, плунжерных пар и др., а потому должна быть минимальной. Содержание золы в топливах быстроходных двигателей не должно быть более 0,01—0,025%, а в топливах для тихоходных двигателей — не более 0,04— 0,08%.
Рассмотренные физико-химические свойства топлива определяют собой важнейшее качество его — воспламеняемость. Для дизельных топлив важнейшим качеством является самовоспламеняемость, оцениваемая в условных цетановых единицах (цетановое число). Для определения цетанового числа топлива берут смесь, состоящую из легковоспламеняющегося углеводорода алканного ряда цетана С16Н34, цетановое число которого принимается за 100, и трудно воспламеняющегося углеводорода ароматического ряда ?-метилнафталина С10Н7СН3, цетановое число которого принимается за нуль.
Цетановым числом называется показатель воспламеняемости дизельного топлива, который численно равен такому процентному (по объему) содержанию цетана в смеси с ?-метилнафталином, при котором периоды задержки воспламенения этой смеси и испытуемого топлива будут одинаковы. Период задержки воспламенения (или самовоспламенения) измеряется в секундах или, соответственно, в градусах угла поворота коленчатого вала двигателя и равняется в данном случае периоду от момента достижения температуры самовоспламенения до момента самовоспламенения смеси.
Для определения цетанового числа топлива пользуются так называемыми моторными методами и лабораторными методами.
К числу моторных методов относятся: метод критической степени сжатия, метод определения задержки воспламенения и метод совпадения вспышек.
Метод критической степени сжатия сводится к определению на специальном двигателе наименьшей степени сжатия (критической), при которой еще происходит вспышка (самовоспламенение).
Если критические степени сжатия для смеси эталонных топлив и для испытуемого одинаковы, то цетановое число испытуемого топлива будет равно цетановому числу смеси. Данный метод является неточным, так как степени сжатия определяются на холодном двигателе и результаты таких измерений скорее характеризуют пусковые качества топлива.
Метод определения задержки воспламенения (самовоспламенения) состоит в сравнении периода задержки воспламенения испытуемого и эталонного топлив при одних и тех же условиях испытаний. Испытания производятся на нормально работающем двигателе.
Метод совпадения вспышек принят в СССР в качестве основного для определения цетанового числа дизельных топлив. Сущность этого метода состоит в сравнении воспламеняемости испытуемого и эталонного топлив при одинаковых условиях испытаний.
Испытания проводятся на особом одноцилиндровом дизеле ИТ9/3, у которого диаметр цилиндра равен 82,6 мм; ход поршня равен 114,3 мм и скорость вращения вала 900 ± 9 об/мин. Методика испытания изложена в ГОСТ 3122—52.
Кроме рассмотренных методов определения цетанового числа топлива, получили применение и лабораторные методы. Из лабораторных методов наибольшее распространение получил метод определения дизельного индекса (д. и.).
Дизельный индекс в зависимости от анилиновой точки А0 С и удельного веса топлива при 15° С ?? определяется по формуле
Анилиновой точкой является температура помутнения раствора испытуемого топлива в анилине в пропорции 1:1.
Определение цетанового числа по дизельному индексу производится на основании приведенной ниже зависимости, полученной путем моторных испытаний:
Цетановые числа топлив для тихоходных дизелей колеблются в пределах 30—50; для быстроходных — 40—60.
Важнейшим качеством топлива для карбюраторных двигателей является его антидетоиационное свойство, которое измеряется октановым числом.
Октановым числом называется процентное содержание (по объему) изооктана С8Н18 (детонационную стойкость которого принимают равной 100 октановым единицам) в смеси с нормальным гектаном С7Н16 (октановое число которого равно 0), при котором эта смесь начинает детонировать при
тех же условиях, что и испытуемое топливо. Октановое число определяется на специальном одноцилиндровом двигателе.
Чем больше октановое число топлива, тем выше его детонационная стойкость. Обычно октановое число бензинов колеблется от 60 до 90, а керосина от 40 до 45. Для повышения детонационной стойкости к топливу добавляют присадки (антидетонаторы). Наиболее распространенной антидетонационной присадкой к бензину является тетраэтилсвинец (сокращенно ТЭС). Бензин с этой присадкой называется этилированным. Присадка тетраэтилсвинец представляет собой ядовитую жидкость, получаемую при взаимодействии хлористого этила со сплавом металлического натрия и свинца.
Каковы некоторые физико-химические свойства дизельного топлива?
Дизельное топливо представляет собой легковоспламеняющуюся смесь углеводородов, полученную путем фракционной перегонки нефти, которая происходит при температуре от 200 до 360 градусов по Цельсию, что составляет от 392 до 680 градусов по Фаренгейту. Смесь в основном состоит из алканы, циклоалканы и ароматические углеводороды, содержащие от 12 до 20 атомов углерода.
Как и большинство углеводородных смесей, дизельное топливо химически инертно. Его химические свойства делают его полезным в качестве топлива или, в некоторых случаях, в качестве растворителя, что делает его похожим на керосин. Дизельное топливо окисляется очень медленно при продолжительном контакте с воздухом. Дизельное топливо можно описать его цетановым числом, которое является мерой качества воспламенения, обратно пропорциональной октановому числу бензина. Большинство дизельных двигателей работают на дизельном топливе с цетановым числом 50 и выше.
Физически дизельное топливо представляет собой жидкость от бесцветной до светло-коричневого цвета с удельным весом от 0,81 до 0,96, что делает его менее плотным, чем вода. Дизельное топливо замерзает при отрицательной температуре 8,1 градуса Цельсия, что составляет 17,5 градуса по Фаренгейту, что делает его менее подходящим для холодных погодных условий по сравнению с бензином. Дизельное топливо имеет более высокий удельный вес, более высокую вязкость и более низкую летучесть, чем обычный бензин, но дизельное топливо содержит больше энергии на галлон, чем бензин, из-за его более высокой плотности.
Похожие посты
Как производится дизельное топливо?
Какая температура воспламенения дизельного топлива?
Какова химическая формула дизельного топлива?
При какой температуре затвердевает дизельное топливо?
Другие интересные посты
Какова роль антикодона TRNA?
Что такое реагенты и продукты?
Что является примером закона множественных пропорций?
Какие пять общих смесей?
Что такое равномерно ускоренное движение?
Что происходит во время цитокинезной фазы мейоза?
Что определяет, будут ли атомы образовывать химические связи?
Какие проблемы с захоронением отходов на свалках?
Что такое сульфат олова IV?
Какие примеры губок?
Что входит в состав черного порошка?
Красный и желтый вызывают чувство голода?
В каком процессе кислород разрушает глюкозу?
Опасен ли полиуретан для вашего здоровья?
Разложение нефтяного дизельного топлива, ускоренное УФ-облучением: влияние старения на химический состав и отдельные физико-химические свойства
Открытый доступ
Проблема | Веб-конференция E3S. Том 108, 2019 Энергетика и топливо 2018 | |
---|---|---|
Номер статьи | 02003 | |
Количество страниц) | 9 | |
Секция | Топливо | |
ДОИ | https://doi.org/10.1051/e3sconf/201910802003 | |
Опубликовано онлайн | 05 июля 2019 г. |
E3S Web of Conferences 108 , 02003 (2019)
Разложение нефтяного дизельного топлива, ускоренное УФ-облучением: влияние старения на химический состав и отдельные физико-химические свойства 1
,2 , Мариуш Ванджик 1 ,2 и Марек Левандовски 1 ,2 1 Университет науки и технологий AGH, факультет энергетики и топлива, ал. А. Мицкевича 30, 30-059Краков, Польша
2 Университет науки и технологий AGH, Энергетический центр AGH, ул. Czarnowiejska 36, 30-054 Krakow, Poland
* Автор Соответствия: [email protected]
Аннотация
Долгосрочная химическая стабильность топлива во время хранения является одним из ключевых факторов, который является одним из ключевых факторов. обеспечивают правильную работу двигателя внутреннего сгорания и, следовательно, могут продлить срок его службы. Прогрессирующая деградация отдельных компонентов дизельного топлива может отрицательно сказаться на их физико-химических параметрах, что, в свою очередь, влечет за собой проблемы с исправной работой и производительностью двигателей и негативно влияет на состав выхлопных газов. Кроме того, старение приводит к образованию высокомолекулярных полимеров, которые образуют неприятные отложения, покрывающие дно контейнера и нарушающие впрыск топлива в камеру сгорания. Цель настоящей работы заключалась в изучении изменения химического состава традиционного нефтяного дизельного топлива, хранящегося при неограниченном доступе воздуха, под действием УФ-облучения (λ = 254 нм). Изменения химического состава определяли с помощью газовой хроматографии в сочетании с масс-спектрометрией. Рассмотрены изменения важнейших физико-химических параметров, а именно: плотности, вязкости, температуры вспышки, температуры помутнения, цетанового числа, цетанового индекса и дистилляционной характеристики, вызванные фотохимической деградацией компонентов дизельного топлива с учетом изменения молекулярного состава. дизеля.
© The Authors, опубликовано EDP Sciences, 2019
разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии надлежащего цитирования оригинальной работы.
Показатели текущего использования показывают совокупное количество просмотров статей (просмотры полнотекстовых статей, включая просмотры HTML, загрузки PDF и ePub, согласно имеющимся данным) и просмотров рефератов на платформе Vision4Press.
Данные соответствуют использованию на платформе после 2015 года. Текущие показатели использования доступны через 48-96 часов после онлайн-публикации и обновляются ежедневно в рабочие дни.
Влияние добавки к топливу, содержащей наноцерий, на физико-химические свойства частиц дизельного выхлопа
Цзюньфэн (Джим) Чжан* и Ки-Бом Ли, б Линчен Он, и Джоанна Зайферт, c Прасад Субраманиам, б Летао Ян, б Шу Чен, c Пирс Магуайр, c Гедиминас Майнелис, д Стефан Швандер, и Тереза Тетли, c Александра Портер, c Мэри Райан, ф Майло Шаффер, ф Шэн Ху, ф Цзичэн Гонг и и Киан Фан Чанг с
Принадлежности автора
* Соответствующие авторы
и Николасская школа окружающей среды, Институт глобального здравоохранения Дьюка, Университет Дьюка, Дарем, Северная Каролина, США
Электронная почта: junfeng. [email protected]
Тел.: +1 919-681-7782
б Кафедра химии и химической биологии, Университет Рутгерса, Пискатауэй, Нью-Джерси, США
с Национальный институт сердца и легких, Имперский колледж Лондона, Лондон, Великобритания
д Департамент наук об окружающей среде, Университет Рутгерса, Пискатауэй, Нью-Джерси, США
и Школа общественного здравоохранения, Университет Рутгерса, Пискатауэй, Нью-Джерси, США
ф Департамент материалов, Лондонский центр нанотехнологий, Имперский колледж Лондона, Лондон, Великобритания