18Май

Молекула бензина: «ИФОТОП» выходит на рынок с

Содержание

Топливо для двигателя. Бензин

Бензин представляет собой алифатический углеводород. Другими словами, в структуру бензина входят молекулы, состоящие только из цепочек углерода и водорода. Каждая цепочка молекулы бензина содержит от 7 до 11 атомов углерода. Ниже представлены некоторые из них:
 
Гептан:           Сh4–Ch3–Ch3–Ch3–Ch3–Ch3–Ch4
Октан:            Ch4–Ch3–Ch3–Ch3–Ch3–Ch3–Ch3–Ch4
Нонан:            Ch4–Ch3–Ch3–Ch3–Ch3–Ch3–Ch3–СН2–Ch4
Декан:             Ch4–Ch3–Ch3–Ch3–Ch3–Ch3–Ch3–СН2–СН2–Ch4
 
Молекулы, присутствующие в бензине
 
При сгорании бензина в идеальных условиях, при наличии большого количества кислорода, на выходе получается двуокись углерода (благодаря атомам углерода в бензине), вода (благодаря атомам водорода) и много тепла. Галлон бензина содержит примерно 132х106 Джоулей энергии, что эквивалентно 125.000 британских тепловых единиц или 36.
650 ватт-часам.
 
·        Если обогреватель мощностью 1.500 ватт оставить работать на полной мощности в течение 24 часов, именно столько тепла мы получим при сгорании одного галлона (3,8 л) бензина.
·        Если бы люди могли усваивать бензин, то при потреблении 1 галлона бензина, мы бы получали около 31.000 пищевых калорий — энергия в 1 галлоне бензина равна энергии, содержащейся в 110 гамбургеров из McDonald’s!

 
Как получают бензин?
 
Бензин получают из сырой нефти. Сырая нефть, или просто нефть, это черная жидкость, добываемая из недр Земли. В нефти содержатся углеводороды, атомы углерода объединяются в цепочки разной длины.
 
Оказывается, что молекулы углеводородов разной длины обладают разными свойствами. Например, цепочка, состоящая всего из одного атома углерода (СН4) является самой легкой и называется метан. Метан является газом, легким как гелий. Чем цепочка длиннее, тем молекула становится тяжелее.

 
Первые четыре цепочки — Ch5 (метан), C2H6 (этан), C3H8 (пропан) и C4h20 (бутан) — являются газами, их температура кипения составляет -161, -88, -46 и -1 градусов F, соответственно (-107, -67, -43 и -18 градусов C). Цепочки до C18h42 являются жидкостями при комнатной температуре, а цепочки выше C19 при комнатной температуре являются твердыми веществами.
 
Чем длиннее цепочка, тем выше температура кипения, соответственно они могут быть отделены путем дистилляции. Именно это происходит на нефтеперерабатывающих заводах — сырую нефть нагревают, и различные цепочки выделяются при их температурах испарения. 
 
Цепочки C5, C6 и C7 очень легкие, легко испаряющиеся светлые жидкости, которые называются дистилляты. Они используются в качестве растворителей — из них изготавливаются средства для химической чистки, а также растворители красок и другие быстросохнущие продукты.
 
Цепочки от C7h26 и до C11h34 смешиваются и используются для получения бензина. Температуры испарения этих соединений ниже температуры кипения воды. Вот почему, если Вы прольете бензин на землю, он очень быстро испарится.
 
Дальше идет керосин, от С12 до С15, за которым следует дизельное топливо и котельное топливо (например, для отопления домов).
 
Дальше идут смазочные масла. Эти масла не испаряются при комнатной температуре. Например, моторное масло может работать весь день при температуре 250 градусов F (121 градус С), при этом не испаряясь. Масла идут от очень легких (например, 3-в-1) до моторных масел различной плотности, очень плотных трансмиссионных масел и полутвердых смазок. Вазелин также попадает в этот список.
 
Цепочки длиной более С20 являются твердыми веществами, начиная от парафинов, гудрона и до асфальтового битума, из которого изготавливали асфальтированные дороги.
 
Все эти разнообразные вещества получают из сырой нефти. Единственное, что их отличает друг от друга, это длина углеродной цепочки!
 
Что такое октановое число?
 
Если Вы читали статью «Как работает автомобильный двигатель», то знаете, что практически во всех автомобилях используются четырехтактные бензиновые двигатели. Одним из тактов является такт сжатия, во время которого двигатель сжимает топливно-воздушную смесь в цилиндре до намного меньшего объема, до ее воспламенения свечой зажигания. Степень сжатия называется коэффициент сжатия двигателя. Обычно коэффициент сжатия двигателя составляет от 8 до 1.
 
Октановое число показывает, какой объем топлива может быть сжат до того, как произойдет самовоспламенение. Если топливо воспламеняется в результате сжатия, а не искрой от свечи зажигания, то это вызывает перебои в работе двигателя. Это может стать причиной поломки двигателя. Низкооктановый бензин (например, обычный 92-й) выдерживает минимальное сжатие перед воспламенением.
 
Коэффициент сжатия Вашего двигателя определяет октановое число бензина, которым можно заправлять Ваш автомобиль. Одним из способов увеличения мощности двигателя, не изменяя его объем, является увеличение коэффициента сжатия. Поэтому у более мощного двигателя более высокий коэффициент сжатия, что требует более высокооктанового бензина. Преимуществом высокого коэффициента сжатия является то, что он повышает мощность двигателя, не изменяя его вес, благодаря чему увеличивается производительность двигателя. Недостатком является тот факт, что бензин для такого двигателя стоит дороже.
 
Название «октановое число» произошло следующим образом. При переработке сырой нефти получаются цепочки углеводородов различной длины. Эти цепочки различной длины затем отделяются, после чего смешиваются для получения топлива различных типов. Например, метан, пропан и бутан являются углеводородами. Метан содержит всего один атом углерода. В пропане три связанных атома углерода. В бутане четыре связанных атома углерода. В пентане пять, в гексане шесть, гептане семь и в октане восемь связанных атомов углерода.
 
Оказалось, что гептан выдерживает лишь незначительное сжатие. При небольшом сжатии, происходит его самовоспламенение. Октан лучше выдерживает сжатие — даже при сильном сжатии он не воспламеняется. Бензин с октановым числом 92 содержит 92% октана и 8% гептана (или смесь из других типов топлива, свойства которой аналогичны пропорции 92/8 октан/гептан). Самовоспламенение смеси при определенном уровне сжатия, и такое топливо может быть использовано в двигателях, коэффициент сжатия которых не превышает данное значение.

 
Присадки к бензину
 
В течение Первой мировой войны было обнаружено, что при добавлении к бензину вещества под названием тетраэтил, происходит значительное увеличение октанового числа. Благодаря этому веществу стали производить более дешевые марки бензина. Таким образом популярным стал, так называемый, «этиловый» или «этилированный» бензин. К сожалению, использование такого топлива имело свои побочные результаты:

 
·        Содержащийся в топливе свинец забивает каталитический конвертер и выводит его из строя в течение нескольких минут.
·        Земля была покрыта тонким слоем свинца, а свинец является токсичным для многих форм жизни (включая людей).
 
Когда этиловое топливо запретили, цены на бензин выросли, т.к. нефтеперерабатывающие заводы не могли больше повышать октановое число более дешевых марок бензина. В самолетах до сих пор разрешено использование этилового топлива, горючее с октановым числом 115 обычно используется в мощнейших поршневых двигателях самолетов (кстати говоря, в реактивных двигателях используется керосин).
 
Другой популярной присадкой является МТБЭ. МТБЭ — это сокращение от метил-трет-бутилового эфира, довольно простой молекулы, которую получают из метанола.
 
МТБЭ добавляют в бензин по двум причинам:
 
1.      Он повышает октановое число.
2.      Он является оксигенатом, это означает, что он насыщает смесь кислородом в процессе реакции горения. В идеальном варианте, оксигенат снижает количество несгоревших углеводородов и содержание угарного газа в выхлопе.
 
МТБЭ стали широко применять после принятия Закона о чистом воздухе в 1990 г. Допустимое содержание МТБЭ в бензине составляет от 10 до 15%.
 
Основная проблема применения МТБЭ заключается в том, что он является канцерогенным и легко смешивается с водой. При утечке бензина с МТБЭ из подземного резервуара на заправочной станции, он может попасть в грунтовые воды, что приведет к их загрязнению. Конечно, при утечке не только МТБЭ может попасть в грунтовые воды, но и бензин, в котором содержатся и другие присадки.
 
В соответствии с постановлением Управления по охране окружающей среды США:
 
Несмотря на то, что не существует установленных стандартов качества питьевой воды, Управление по охране окружающей среды США опубликовало рекомендации по содержанию от 20 до 40 микрограмм примесей на литр (мкг/л) согласно порогам восприятия вкуса и запаха. Данные рекомендации по содержанию примесей являются стандартным коэффициентом безопасности для всех возможных канцерогенных воздействий.
 
Наилучшей альтернативой МТБЭ является этанол — обычный спирт. Однако он более дорогой, чем МТБЭ, но при этом не представляет угрозу возникновения рака.
  
Проблемы использования бензина
 
Существует две проблемы при сгорании бензина в двигателе. Первая проблема касается образования смога и загрязнения воздуха. Вторая проблема касается выделения углеродсодержащих и парниковых газов.
 
Процесс сгорания бензина в двигателе образует побочные продукты, в результате чего в выхлопе содержатся двуокись углерода и вода. К сожалению, двигатель внутреннего сгорания не идеален. В процессе сгорания бензина также образуются:
 
·        Монооксид углерода — ядовитый газ
·        Оксиды азота — основная причина смога в городах
·        Несгоревшие углеводороды — основная причина загрязнения воздуха
 
Каталитический конвертер помогает устранить большую часть этих продуктов, но он также не идеален. Загрязнение воздуха от автомобилей и электростанций является серьезной проблемой в больших городах.
 
Углерод также представляет собой проблему. При его сгорании образуется большое количество углекислого газа. Основная масса бензина приходится на углерод, соответственно, при сгорании одного галлона (3,8 л) бензина в выброс углерода в атмосферу составляет 5-6 фунтов (2,5 кг). В США каждый день в атмосферу выбрасывается около 2 млрд. фунтов (900 млн. кг) углерода в день.
 
Если бы это был твердый углерод, то это было бы гораздо заметнее, представьте, что Вы выбрасываете по 1 кг сахарного песка на каждый литр бензина. То т.к. этот килограмм углерода выделяется в форме невидимого газа (углекислого), многие просто забывают об этом. Двуокись углерода, который выходит из выхлопной трубы каждого автомобиля, является парниковым газом. Долгосрочные эффекты этого неизвестны, но существует высокая вероятность того, что это может привести к серьезным климатическим изменениям, которые затронут все живое на планете (например, может подняться уровень моря, в результате чего наводнения уничтожат прибрежные города). По этой причине, предпринимаются попытки замены бензина на водородное топливо. 

Сможет ли биотопливо заменить бензин для автомобилей — Российская газета

Постепенное истощение запасов нефти и газа, удорожание добычи углеводородов, катастрофическое загрязнение окружающей среды при добыче и сжигании угля привели к необходимости использования альтернативных источников энергии.

Особое место среди них занимает биотопливо — различные виды горючих продуктов из растительного сырья, главным преимуществом которых является возобновляемость. Сейчас главное внимание исследователей и практиков направлено на получение жидких и газообразных видов топлива для транспортных средств, а также для систем отопления и производства электроэнергии.

Неудивительно, что первым практически используемым в качестве биотоплива веществом стал обычный этиловый спирт, поскольку получение этанола из растительного, прежде всего пищевого, сырья (зерна, картофеля, сахарной свеклы и т.д.) было налажено еще несколько столетий назад. Правда, для совершенно иной цели. Но резкое удорожание нефти продемонстрировало выгодность использования этанола в качестве топлива для автомобильных двигателей внутреннего сгорания, особенно в странах с дешевым сырьем для микробиологического синтеза спирта. Первой такой страной стала Бразилия, в которой подавляющее количество автомобильного топлива обычно представляет собой смесь 80 процентов биоэтанола из сахарного тростника и 20 процентов бензина. Бразилия производит сейчас около 20 миллиардов литров биоэтанола, примерно столько же спирта (из кукурузы) поступает на рынок США.

Широкое использование спирта уже сейчас вызвало серьезную проблему — огромные площади в США заняты под посевы кукурузы для непищевых целей, поскольку фермерам выгоднее «выращивать» биоэтанол. Кроме того, этиловый спирт энергетически менее эффективен, чем бензин из-за присутствия в молекуле атома кислорода.

В России использование биотоплива на основе этилового спирта проблематично по несколько другим причинам. Во-первых, у нас законодательно ограничен оборот этанола, а во-вторых, этот спирт необходимо как-то перевести в «непитьевое» состояние — даже денатурирование ядовитым пиридином себя не оправдало. И безопасный процесс перевода уже разработан на основе давно известной реакции дегидратации — отщепления воды от молекул спиртов. При определенных условиях получается смесь углеводородов, близкая по составу к бензину. Этот вариант разработан в Институте общей и неорганической химии РАН под руководством члена-корреспондента РАН Александра Гехмана. Хотя при недавнем резком снижении цен на нефть получение синтетического бензина из этанола теряет смысл. Но даже и при повышении стоимости барреля, как подсчитали въедливые ученые, для производства 1 литра биотоплива требует более 1 литра нефти — для работы тракторов и комбайнов, для производства пестицидов и для самого микробиологического синтеза этанола.

Другим спиртом, который можно использовать в качестве возобновляемого биотоплива, является бутиловый спирт, который можно микробиологически получать из сахарного тростника, пшеницы, кукурузы, корнеплодов и даже из отходов лесопереработки. Александр Гехман приветствует этот подход.

При этом эксперт замечает, что «существует и ряд нерешенных технологических проблем, прежде всего из-за невозобновляемости микроорганизмов, используемых для производства биобутанола. Хотя если новым биотопливом удастся заместить хотя бы 5 процентов обычного бензина, это уже можно считать перспективным».

Другим видом биотоплива, производимого уже сейчас в значительных количествах, является биодизель. Это топливо, по составу близкое к дизельному топливу из нефти, получают из липидов (жиров) масличных растений — рапса в нескольких странах ЕС, подсолнечника (Франция и Италия), сои в США, Бразилии и в Африке, пальмового масла в Индонезии и Малайзии. Производство биодизеля в ЕС постоянно растет, как и импорт биодизеля из других стран. По прогнозам, объем потребления биодизеля в ЕС к 2020 году достигнет от 21 до 26 миллионов литров.

Однако увеличение площадей под возделывание этих культур приводит к росту цен на продовольствие и сведению лесов. Делались попытки получения биодизеля из водорослей, но этот процесс оказался неконкурентоспособным. Правда, появилась надежда, что проблема будет решена с помощью микроскопических грибов-паразитов, обитающих внутри древесины и расщепляющих целлюлозу с образованием смеси углеводородов. Такой способностью обладают грибы Gliocladium roseum, паразитирующие на южноамериканском кустарнике эукрифия. Самое поразительное, что при разложении целлюлозы грибы выделяют такие углеводороды, как декан, метилциклогексен, ундекан, октан и бензол. По своему составу эта смесь очень близка к дизельному топливу и вполне может использоваться вместо него. Это открытие было сделано в США, но не менее интересные разработки проводятся и в России.

Так, в работе с участием декана химфака МГУ академика Валерия Лунина была разработана и запатентована биотехнология получения биодизеля на основе липидов мицелиальных грибов, например, гриба Cunnihghamella japonica, образующего до 50 процентов липидов, близких по составу к маслу рапса. Валерий Лунин подчеркивает, что «по сравнению с растительными маслами липиды грибов имеют ряд существенных преимуществ, а именно высокая скорость роста грибов, независимость выхода продукта от сезонных и климатических условий, отсутствие потребности в посевных площадях, возможность создания безотходных технологий».

В России весьма перспективно производить биогаз — метан (или водород) из органических отходов. При этом не требуется использовать пищевое сырье и терять посевные площади, к тому же метан в 20 раз сильнее оказывает влияние на парниковый эффект и его утилизация — прекрасный способ борьбы с глобальным потеплением. Получают биометан в так называемых метан-танках с помощью метанобразующих бактерий. Трудно перечислить все виды отходов для производства биометана — это навоз, отходы многочисленных пищевых производств, фекалии, бытовые отходы, те же водоросли, органический мусор, растительные отходы и т.д. В России на агропредприятиях производится ежегодно около 800 миллионов тонн отходов, из которых можно получить около 70 миллиардов кубометров биометана, при сжигании которого — около 110 миллиардов кВт-ч электроэнергии. Метан-танки устанавливают на свалках, на очистных сооружениях пищевых производств, они могут и отапливаться биометаном. После решения проблемы раздельного сбора отходов в России можно было бы резко сократить площади полигонов твердых бытовых отходов.

Производство биотоплива, несомненно, имеет множество положительных моментов. Однако, как говорит завлаб Института химической физики РАН доктор химических наук Владимир Арутюнов: «Довольно простые оценки, которые еще 40 лет назад сделал Петр Капица, показывают невозможность обеспечить за счет возобновляемых источников энергии уровень энергопотребления развитых стран для всего населения Земли. Следует указать и на этическую сторону вопроса получения биотоплива. Более 2 миллиардов людей в мире испытывают серьезный недостаток продуктов питания. Из-за роста потребности в этаноле и соответствующего роста цен на зерно растут цены и на свинину, говядину, мясо птицы, молоко и т.д. А в России мы еще и не в состоянии полностью обеспечить свои потребности в продовольствии. И вообще, когда схлынет ажиотажный бум, место биотоплива в мировой энергетике не превысит нескольких процентов в мировом энергобалансе».

Справка

Российские автопроизводители также работают над созданием биотопливных машин. Так, еще в 2008 году три Лады Калины, заправленные смесью биобутанола и бензина, проехали 4 тысячи километров от Иркутска до Тольятти. Биотопливо для авто произвел Тулунский гидролизный завод из отходов лесопереработки — щепок и опилок. В 2010 году в ноябре прошел еще один тысячекилометровый автопробег Киров-Москва. Лада Калина на биотопливе проходила испытание и в городских условиях. Год назад создана и биотопливная Лада Гранта. Однако, по мнению производителей, маркетинговые параметры не позволяют рассматривать этот проект как самодостаточный.

Бензины — АЗС VIP | Пропан-бутан | Автономная газификация | Новокузнецк

Бензин – это самая легкая из жидких фракций нефти. Эту фракцию получают в числе других в процессе возгонки нефти с целью получения различных нефтепродуктов. Обычный углеводородный состав бензина – молекулы длиной от 5 до 10 °С. Но бензины отличаются друг от друга, как по составу, так и по свойствам, поскольку их получают не только как продукт первичной возгонки нефти. Бензин получают из попутного газа, а именно газового конденсата и из тяжелых фракций нефти (крекинг-бензин) путем синтеза горючих газов.

 

Бензин газовый представляет собой продукт переработки попутного нефтяного газа, содержащий предельные углеводороды с числом атомов углерода не менее трех. Различают стабильный (БГС) и нестабильный (БГН) варианты газового бензина. БГС бывает двух марок – легкий (БЛ) и тяжелый (БТ). Применяется в качестве сырья в нефтехимии, на заводах органического синтеза, а также для компаундирования автомобильного бензина (получения бензина с заданными свойствами путем его смешивания с другими бензинами).

 

Крекинг-бензин представляет собой продукт дополнительной переработки нефти. Обычная перегонка нефти дает всего 10–20% бензина. Для увеличения его количества более тяжелые или высококипящие фракции нагревают с целью разрыва больших молекул до размеров молекул, входящих в состав бензина. Это и называют крекингом. Крекинг мазута проводят при температуре 450–550°С. Благодаря крекингу можно получать из нефти до 70% бензина. Пиролиз – это крекинг при температурах 700–800°С. Крекинг и пиролиз позволяют довести суммарный выход бензина до 85%. Необходимо отметить, что первооткрывателем крекинга и создателем проекта промышленной установки в 1891 году был русский инженер В.Г.Шухов.

 

Бензины, помимо автомобильной классификации по октановому числу,  имеют и другие разновидности и классификации, применяемые не только для производства моторного топлива, но и в промышленности, и даже в быту. Помимо уже перечисленных видов к ним относят: ББЦ (бензин для бытовых целей), абсорбент, олигомеризат, бензин вторичных процессов производства, БПЦ (бензин для промышленных целей) и некоторые другие.

 

Как получают бензин заданной марки?

Бензин различных марок — Аи-92, Аи-95, ДТ нефтеперерабатывающие заводы получают смешиванием компонентов, полученных в результате различных технологических процессов производства. Процесс компаундирования (смешивания) должен быть четко регламентирован, а продукт соответствовать ГОСТ, тогда на выходе получается бензин со стабильным и точным октановым числом.

 

Октановое число – показатель детонационных свойств моторного топлива. Бензин при этом сравнивается со смесью изооктана (условно принятого за 100 единиц) и нормального гептана (принятого за 0). Если октановое число бензина равно 95, то это означает, что он детонирует как смесь 95% изооктана и 5% гептана. Октановое число бензина после первичной перегонки нефти обычно не превышает 70.

 

Для повышения качества низкосортных бензинов помимо компаундирования используют антидетонаторы (до 0,3%). К сожалению, до сих пор наиболее распространенной добавкой является тетраэтилсвинец Рb (C 2 H 5) 4 в смеси с C 2 H 5 Вr. Но при их горении образуется летучий бромид свинца, выбрасываемый в атмосферу. Для снижения выбросов свинца и, как следствие, воздействия на здоровье человека и среду, сегодня все чаще применяют другие антидетонаторы. Наиболее известный из них — эфир метил-трет-бутиловый (МТБЭ), который имеет массу преимуществ и лишен главного недостатка – огромной токсичности, свойственной свинцу.

 

Как определить октановое число?

Методов определения реального октанового числа несколько:

  • Моторный метод. Придуман фирмой UNOCAL-76, которая является пионером производства Аи-76. Суть метода: определение детонации на однопоршневом двигателе при имитации довольно напряженной езды. Именно поэтому октановое число при таком определении может получиться слегка заниженным.Исследовательский метод. Проводится на однопоршневом двигателе, но без имитации напряженной езды. Октановое число при этом иногда получается чуть завышенным.
  • Хроматографический метод. Обычно используется в дополнение к другим методам для выявления содержания регламентированных примесей (например, бензола).

Сегодня всё чаще применяются портативные приборы измерения октанового числа размером с книжку. И это вполне оправдано для контроля качества продукции на местах их потребления, ведь подделки и некачественная продукция сегодня не редкость. При отступлении от нормального технологического процесса (например, при значительном повышении октанового числа только за счет присадок) бензин довольно часто становится нестабильным, т.е. изменяет со временем свое октановое число. Это особенно важно для машин, использующих бензин с октановым числом 95 или 98, так как снижение октанового числа со скоростью 0,5 за день может сильно навредить автомобилю. Поэтому заправляться желательно там, где контроль и гарантии качества продукции находятся на соответствующем уровне.


Четырехкопеечный бензин. Ученые из Томска раскрывают секрет дешевого бензина (Видео) | Oil.Эксперт

Ученые из Томска научились буквально из мусора делать бензин, стоимостью 4 копейки за литр. Нажатие кнопки и мусорная кучка исчезает в недрах установки. Там она измельчается, окисляется и в специальном реакторе из получаемых соединений углерода и водорода синтезируется молекула бензина.

То, что это действительно топливо, ученые демонстрируют наглядно. Установка может вырабатывать до 200 литров горючего в час, причем это вовсе не обязательно будет бензин, все зависит от нашего желания, говорят разработчики.

Себестоимость получаемого топлива фантастическая — 4 копейки за литр. Даже электроэнергия нужна только при запуске, дальше установка сама себя обеспечивает питанием. Для этого в ее составе есть блок получения энергии.

Если поставить такой агрегат в жилом доме, то можно создать замкнутый цикл переработки всех отходов в тепло и электричество.

Пока же главный конструктор демонстрирует гоночный автомобиль, созданный на основе старой копейки. Ученый собирается на нем бросить вызов профессиональным спортсменам на Кубке России по автокроссу, причем топливо в него будут заливать своего производства.

Расход топлива получается значительно меньше паспортного. Изобретатели давно не ездят на бензоколонки, заправляют свои машины вынося канистры из лаборатории.

Через год ученые планируют представить промышленный вариант установки. Эксперименты продолжаются на деньги частных инвесторов. Государство, морально поддержав исследователей на уровне госсовета, материально не помогло.

Узунское месторождение — перспективный объект нефтедобычи

Турция оценила найденные в Черном море запасы газа в $65 млрд

В нефтегазодобыче Крыма произошёл крупный прорыв

Источник: ren.tv

Поделиться в соц.сетях

Блогер Асафьев рассказал о вреде электромобилей. И был не прав

Расположенный в окрестностях Казани автодром KazanRing Canyon – отличное место для любителей автоспорта, которое, к сожалению, почти никого кроме собственно причастных к гонкам не привлекает. Я до сих пор не перестаю удивляться сему факту, но в России в целом люди, которые интересуются машинами и поклонники гонок – это разные люди.

Но тем ясным днем в конце апреля на трассу приехало с два десятка нетипичных людей. Все дело в том, что в тот день в местных любительских гонках Canyon Cup участвовал популярный автомобильный блогер Стас Асафьев.

«Смотри, еще ездить не научился, а уже сделал для популяризации автоспорта в России больше, чем мы все, здесь присутствующие», – как бы в шутку сказал мне его тренер, гонщик и мой коллега по автожурналистике Ефим Гантмахер.

Ефим был прав. Асафьев – очень талантливый парень, который в целом неплохо разбирается в машинах, умеет шутить (спойлер: не смотрите, если для вас неприемлем мат), и вот уже несколько раз делал про историю автопрома удивительно интересные документальные фильмы, за которые я сам ему лично благодарен.

Но не в этот раз. Потому, что Стас снял почти четырехчасовой фильм об электромобилях, в котором в 99% времени очень талантливо, интересно и увлекательно декларировал неоспоримые факты, но оставшиеся 1% времени заблуждался. Не прав он оказался и в выводах.

На момент написания этих строк ролик Асафьева на Youtube посмотрели уже более миллиона человек. Я далек от мысли о том, что эту статью прочтет хотя бы сопоставимое количество людей. Но считаю себя обязанным указать на допущенные ошибки, которые переворачивают все с ног на голову.

В современном автомобиле нельзя задохнуться выхлопными газами

Почти три первых часа Асафьев рассказывает историю автомобилестроения и возникновения экологического движения. И к этой части ролика у меня нет почти никаких вопросов, если закрыть глаза на то, что Стас пару раз напутал с цифрами объемов производства Ford Model T или количестве грамм CO2 в выхлопе машин на милю пробега.

Но в финале он переходит к современности, и тут возникает ощущение того, что автор не до конца понимает саму суть экологических проблем. Причем «не понимает» представляется максимально верной формулировкой, ибо я далек от мысли о том, что Асафьев умышлено записался в пропагандисты.

Лучше всего заблуждения Стаса характеризует его собственное утверждение о том, что современные бензиновые машины благодаря уже внедренным технологиям стали настолько экологичными, что старый способ свести счеты с жизнью с помощью того, чтобы засунуть в салон шланг от выхлопной трубы больше не работает.

Это не так. Бензин, как и дизельное топливо, являются смесью углеводородов. При их сгорании образуется множество веществ. Как вы знаете, вещества состоят из молекул, а молекулы – из атомов.

Путем разных махинаций вы можете лепить из атомов разные молекулы. И то, о чем говорит Стас, касается того, что современные автомобили действительно не выделяют токсичных веществ.

Проще всего это объяснить на примере катализатора, который есть во всех современных бензиновых машинах. Допустим, мы берем атом углерода – C, который входит в состав бензина. Соединяем его с кислородом O – то есть сжигаем. Получаем энергию. И новое вещество.

Этим новым веществом может быть либо угарный газ CO, либо углекислый газ – CO2. Первый для человека смертелен, второй выдыхаем мы сами, то есть для нас он по факту безвреден. Так вот, катализатор отвечает в том числе за то, чтобы при сжигании бензина вредный CO догорал до в целом безвредного CO2.

В итоге в выхлопных газах современных машин действительно нет токсичных веществ. Но есть одна проблема. В них нет и кислорода. Как бы вы не ухитрялись со сжиганием бензина, кислорода вы не получите. Так что если вы подадите выхлопные газы в салон машины, очень скоро они выдавят из него воздух и кислород вместе с ним. И вам просто нечем будет дышать.

И вот именно это очень важно понимать. Сжигая бензин и абсолютно любое ископаемое топливо, мы сокращаем долю кислорода в атмосфере и увеличиваем долю углекислого газа. Это и называется углеродным следом.

Еще раз. Углекислый газ сам по себе не вреден. Если срубить дерево и сжечь его, мы выделим этот самый углекислый газ. Но на том же месте можно вырастить новое дерево, которое вберет в себя ровно такое же количество углекислого газа. Баланс не будет нарушен.

Но используя ископаемое топливо, мы нарушаем баланс и меняем состав атмосферы. При этом углекислый газ является парниковым, что чревато изменением климата, о чем Асафьев упоминает, но вскользь. А о том, что сжигая бензин мы уменьшаем процент кислорода в воздухе он не говорит ни разу. И, кажется, даже не понимает.

Не понимает он и того, чем нам грозит глобальное потепление. А если понимает, то ни разу не говорит об этом.

Экология – это наука

Это не единственная ошибка автора. Например, он очевидно считает, что «экология» и «окружающая среда» – это одно и то же. На самом деле экология – это наука, а «окружающая среда» – это окружающая среда. И забота об экологии – это не спасение полярных мишек, а новая Tesla для заведующего лабораторией института экологии за счет нас, например.

По ходу ролика становится ясно, что Асафьев не понимает, в чем разница между аккумулятором и батареей, постоянно путая эти понятия. Зато он много говорит об их утилизации, точнее об отсутствии технологий для таковой.

И тут тоже оказывается неправ. Да, проблема существует, да, заводов по переработке очень мало, да, существующие технологии не совершенны. Но они есть. И уже сейчас они позволяют свести вред от использования батарей по отношению к вреду от сжигания бензина к минимуму.

Даже если аккумуляторы тупо сваливать в яму и заливать бетоном вреда будет гораздо меньше. Но Асафьев этого не понимает потому, что считает, что вредно только то, что токсично.

Еще раз. Проблема не в том, что при сжигании бензина выделяется яд. Тут блогер совершенно прав, отмечая, что современные машины научились яд не выделять.

Проблема в том, что даже если продукты горения бензина перестают быть токсичными, состав атмосферы из-за них меняется. И это ведет к изменению климата. Что в свою очередь вызывает очень масштабные катаклизмы. Дело не в прекрасной летней погоде в Москве в 2021 году. Дело в том, что за этой погодой идут лесные пожары, грозы, ураганы, смерчи, таяние вечной мерзлоты и погружение Западной Сибири под воду.

Хотите берег Северного Ледовитого океана в Казахстане? Казахи, возможно, и не против. Но только затопит не только Венецию, как верно заметил Стас. Но и, например, Челябинск с Тюменью. Посмотрите на карте, насколько они далеки от моря и поймите масштаб проблемы.

Скажу сразу, теория техногенного характера глобального потепления – спорная. Но Асафьев с ней не спорит, он о ней похоже не особо знает. Вот в чем проблема. Хорошо то, что в ходе подготовки своего фильма он узнал, например, о технологии выщелачивания лития. Возможно, копни он глубже – узнал бы еще много и о технологии получения других металлов, например алюминия, из которого делают блоки цилиндров бензиновых двигателей. И о том, как там дела с детским трудом в Гвинее, стране с крупнейшими в мире запасами бокситов – алюминиевой руды.

Нет ответа на главный вопрос

К концу своего фильма Асафьев несколько раз утверждает, что отказ от двигателей внутреннего сгорания – вопрос решенный. Ну… для начала это говорит о том, что блогер не знает о синтетических видах топлива, которые сейчас активно разрабатываются и которые позволяют сохранить ДВС даже в странах, где запрещается продажа бензиновых и дизельных машин.

Но главное, Асафьев толком не объясняет, почему человечество решило отказаться от бензина. Более того, он чуть ли не прямо обвиняет нефтепромышленников в мировом заговоре с целью пересадить всех на электромобили.

Да-да, вы все правильно прочитали. Многочисленные факты о том, что крупные нефтяные компании вкладываются в зарядную инфраструктуру и электромобильные стартапы Асафьев интерпретирует не как попытку подстраховаться на случай отказа от нефти, а как политику, нацеленную на запрет использования нефти. Л – логика!

То есть по мнению блогера, вся тенденция перехода на электромобили в мире объясняется заговором нефтяных магнатов вообще, и потомков Джона Рокфеллера и арабских шейхов в частности с целью заработать на отказе от нефти. Ну ок.

В конце отмечу, что талантливый фильм Асафьева в любом случае привлекает внимание к проблеме и провоцирует дискуссию. А потому все же советую вам его посмотреть (но зная, в чем автор не прав).

 

Ну и напоминаем, что у нас есть очень хорошее видео о том, почему электромобили – экологичнее.

 

P.S. Для сторонников теории заговора. Да, мне платят за то, что я популяризую этот сайт, а следовательно и электромобили.

А еще у меня сестра работает в нефтяной компании Shell. Мама изучает таяние вечной мерзлоты. А у женщины диплом эколога. 

История бензина: от Глаубера до Полинга



Иоганн Рудольф Глаубер.

В 1649 году Иоганн Рудольф Глаубер (1604-1670), известный немецкий алхимик, получил бензол путем перегонки смолы из каменного угля. Но ни название вещества, ни его свойства еще не были известны.

Молекула бензола.

Для справки: Бензол — углеводород состава C6H6, представитель ароматических, или бензольных соединений, входит в состав бензина. Вещество это представляет бесцветную, прозрачную, сильно преломляющую свет и легкоподвижную жидкость с характерным «ароматическим» запахом (за что, кстати, и получило свое название), удельного веса 0,899 Н/м³ (при 0°C) и 0,885 Н/м³ (при 15°C), кипит при 80,5°C и застывает на холоде в кристаллическую массу, плавящуюся при +6°; легко растворим в эфире, спирте, хлороформе и других обыденных растворителях, за исключением воды; бензол представляет собой прекрасное растворяющее средство для жиров, смол, масел, асфальта, алкалоидов, серы, фосфора, йода; на воздухе горит светлым, сильно коптящим пламенем и дает весьма легко воспламеняющиеся пары.

Майкл Фарадей.

А позже, в 1824 (в некоторых источниках это событие датируется 1825-м годом), его же создал английский физик-экспериментатор Майкл Фарадей (1791-1867), он синтезировал из нефти единственное быстро воспламеняющееся соединение углерода с водородом. Хочется отметить, официально именно Фарадей признан первооткрывателем бензина.

Эйльхард Мичерлих.

Однако, лишь благодаря Эйльхарду Мичерлиху (1794-1863), который в 1833 году получил в чистом виде бензол, при сухой перегонке кальциевой соли бензойной кислоты. Так человечество получило понятие «бензол», или «бензен», позже это вещество начали называть привычно — «бензин». Изменился и состав: теперь бензином называли уже не сам бензол, а его органический раствор на основе фракций легких углеводородов.

Лайнус Карл Полинг.

Современное представление о свойствах и электронной природе связей в бензоле основывается на гипотезе Лайнуса Полинга (1901-1994), американского химика, который предложил изображать молекулу бензола в виде шестиугольника с вписанной окружностью, подчёркивая тем самым отсутствие фиксированных двойных связей и наличие единого электронного облака, охватывающего все шесть атомов углерода цикла. В России бензин впервые появился в 1823 году, когда под руководством братьев Дубининых (Василия, Герасима и Макара) в городе Моздок (Республика Северная Осетия) был сооружен завод по перегонке нефти. Керосин, бензин и другие нефтепродукты на заводе получали методом выпаривания нефти. Принцип работы был очень прост: котел с нефтью помещался в печку, из котла шла труба через бочку с водой в пустую бочку. Бочка с водой исполняла роль примитивного холодильника, пустая бочка — служила приемником для керосина.

В конце XIX века бензин не находил лучшего применения, чем антисептическое средство (обладающий противомикробным действием) и топлива для примусов (бесфитильные нагревательные устройства), фундаментальным продуктом перегонки нефти пока что является керосин. Помимо аптек, бензин можно было приобрести в керосиновых лавках или просто на улицах в бочках, оборудованных ручными помпами.

Цикл Отто.

Однако с появлением двигателя внутреннего сгорания, работающего по циклу Отто (воспламенение сжатой смеси от постороннего источника энергии), бензин стал одним из главных продуктов нефтепереработки.

Для справки: в двигателе Отто важнейшим устройством являлся карбюратор, в котором горючее (бензин) распыляется и смешивается с воздухом. Потом эта смесь подается в рабочий цилиндр, там сжимается и воспламеняется от электрической искры (свечи зажигания или другой источник энергии). Раскалённые газы толкают поршень, заставляя его совершать механическую работу. Цикл повторяется.

В наше время бензиновые двигатели являются самыми распространенными не только в нашей стране, но и во всем мире. Их можно встретить на большинстве легковых автомобилей, мотоциклах и легких грузовиках.

Знаете ли вы…

Что самый маленький четырехтактный бензиновый двигатель — Saito FG-14, его масса равна 450г., а мощность 1,5 л.с. Назначение — RC-моделирование.

Источники:

Полиэтилен превратили в дизельное топливо

Полиэтилен

Wikimedia Commons

Группа химиков из Шанхайского института органической химии Китайской академии наук и Университета Калифорнии разработала метод превращения полиэтилена в жидкие углеводороды и парафины. Для этого ученые использовали комбинацию из двух катализаторов, работающих «в тандеме». Исследование опубликовано в журнале Science Advances.

Молекулы полиэтилена представляют собой длинные и, часто, разветвленные углеводородные цепочки —(CH2—CH2)n—. В одной молекуле коммерческого пластика, из которого состоят бутылки и пакеты, может быть от сотен до десятков тысяч атомов углерода. Бензин, дизельное топливо и мазут тоже представляет собой смесь углеводородов, молекулы которых, в свою очередь, состоят из 7-21 атомов углерода. Поэтому создав способ эффективно «укорачивать» полиэтилен, химики получат возможность перерабатывать вторсырье в топливо. 

Авторы новой работы предлагают такой способ, основанный на комбинации трех классических реакций углеводородов — дегидрировании, метатезисе и гидрировании. Дегидрирование — процесс отрыва молекулы водорода от углеводородного каркаса, в результате этого процесса одинарные связи —CH2—CH2— превращаются в двойные —CH=CH—. Гидрирование — обратный ему процесс, превращающий кратные связи в одинарные путем присоединения водорода. В полиэтилене кратных связей практически нет.

Схема «укорачивания» полиэтилена

Xiangqing Jia et al. / Science Advances, 2016

Ключевой реакцией, уменьшающей количество атомов в углеродной цепи, является реакция метатезиса. В нее вступают лишь молекулы, обладающие кратными связями. Суть метатезиса заключается в следующем: к специальному веществу-катализатору присоединяются две молекулы, содержащие двойные связи, их можно представить себе в виде цепочек, синей и красной. Катализатор перераспределяет двойные связи, сначала «склеивая» между собой цепочки (образуется квадрат из атомов углерода), а затем разрывая стороны квадрата. В результате мы получаем две новые красно-синие цепочки. 

Если предположить, что красная цепочка была длинной — 1000 атомов углерода, а синяя короткой — всего 10, то в результате метатезиса образуются две цепочки по 505 атомов. Добавив избыточное количество коротких цепочек (на порядки больше, чем длинных), последовательные реакции метатезиса приведут к постепенному уменьшению средней длины цепочек. 

Каждая из этих реакций требует своего катализатора. Так, гидрирование и дегидрирование идет на иридиевых комплексных катализаторах, в промышленном метатезисе используется оксид рения, нанесенный на окись алюминия. В экспериментах, поставленных в новой работе, химики смешивали в лабораторном реакторе оба катализатора с полиэтиленом и н-октаном, углеводородом, состоящим из 8 атомов углерода и 18 атомов водорода. 

На первой стадии процесса полиэтилен и октан подвергались дегидрированию — образовывались двойные связи. Затем происходила реакция метатезиса и гидрирование ее продуктов.

Смесь нагревали до 175°C и оставляли на три дня. В случае низкомолекулярного полиэтилена (около 120 атомов углерода в цепи) авторам удалось снизить длину цепей до 20-40 атомов в цепочке и менее. Важно отметить, что метатезис может происходить и между молекулами октана. Аналогичным образом химики провели еще несколько экспериментов, в частности, вводя во взаимодействие обычный промышленный полиэтилен и петролейный эфир. 

A — использованные виды пластиков и выходы жидких и воскообразных продуктов. B — фотографии процесса. С — масс-спектр продуктов переработки

Xiangqing Jia et al. / Science Advances, 2016

Ученым удалось добиться полной переработки пластика в жидкие углеводороды и твердые парафины за сутки протекания реакции. По словам химиков, настолько мягкие условия превращения полиэтилена ранее не были описаны. К тому же, использованные катализаторы не теряют своей активности даже если в полиэтилене присутствуют стабилизирующие добавки — к примеру, стеарат цинка или полифенолы. 

Многие промышленные полимеры обладает очень высокой химической стабильностью, в природных условиях, к примеру, полиэтилен практически не разлагается. Однако недавно японские биологи нашли штамм бактерий, который способен перерабатывать полиэтилентерефталат — пластик, активно применяющийся для изготовления бутылок.

Владимир Королёв

8.5: Органические соединения — Углеводороды — Химия LibreTexts

Углерод уникален среди элементов периодической таблицы из-за способности его атомов образовывать прочные связи друг с другом, сохраняя при этом одну или несколько оставшихся валентностей для связи с другими атомами. . Прочность связи углерод-углерод позволяет образовывать длинные цепи:

Это поведение называется цепочкой . Такая цепь содержит множество участков, с которыми могут связываться другие атомы (или несколько атомов углерода), что приводит к большому разнообразию соединений углерода или органических соединений. углеводородов содержат только водород и углерод. Они представляют собой простейшие примеры того, как цепная связь в сочетании с валентностью углерода, равной 4, приводит к огромному разнообразию молекулярных структур даже при участии всего двух элементов. Углеводороды с одинарными связями называются алканами. Примером алкана является бутан:

.

Бутан

Эти углеводороды могут состоять из прямых цепей различной длины или разветвляться, когда один углерод связан с тремя или четырьмя другими атомами углерода.Это позволяет использовать изомеры, такие как изобутан, разветвленный углеводород:

Изобутан

Углеводороды также могут образовывать кольцевые структуры, называемые циклоалканами. Примером является циклогексан:

.

Циклогексан

Углерод способен образовывать двойные и тройные связи с другими атомами углерода. Это приводит к молекулам, называемым алкенами, которые содержат двойную связь, и алкинами, которые содержат тройную связь. Примером алкена является этен (этилен), а примером алкина является этин (ацетилен):

Этен

 

Этин

Вместе их относят к ненасыщенным углеводородам, так как в молекуле меньше атомов водорода за счет кратных связей по сравнению с алканами.Особым классом углеводородов с множественными связями являются ароматические углеводороды, все они имеют форму углеводородного кольца с двойными связями между атомами углерода. Например, бензол:

.

Бензол

Углеводороды также чрезвычайно важны с экономической и геополитической точки зрения. ископаемое топливо , уголь, нефть (или сырая нефть) и природный газ состоят в основном из углеводородов и чрезвычайно важны в повседневной жизни.Нефть оказывается смесью многих различных углеводородов. Молекулы разного размера полезны для разных задач. На следующей схеме фракционной перегонки нефти показаны различные типы фракций углеводородов, взятых из нефти.

Рисунок \(\PageIndex{1}\): схема фракционной перегонки сырой нефти, используемой в нефтепереработке. Смесь разделяется на газы, бензин, керосин, мазут, смазочное масло и остаток (асфальт).

Ниже приводится краткий обзор различных фракций нефти [1] .

(Природные) Газы

Газовая фракция содержит углеводороды, содержащие от 1 до 4 атомов углерода в каждой молекуле. Их можно использовать в качестве топлива. Другое применение — получение таких материалов, как пластмассы и синтетические волокна, из таких углеводородов с помощью методов полимеризации. Пример приведен ниже, пропан:

Шариковая модель из пропана

Бензин

Вероятно, наиболее знакомым из углеводородных дистиллятов является бензин.Бензин состоит из углеводородов с 5-12 атомами углерода в каждой молекуле. Трудно переоценить важность бензина для современного общества, учитывая центральную роль автомобильного транспорта в нашем обществе. Бензин также служит промышленным растворителем. Примером углеводорода, содержащегося в бензине, является толуол:

.

шарико-стержневая модель молекулы толуола C7H8, обнаруженная в кристаллической структуре. Данные рентгеноструктурного анализа из J. Chim. физ. физ.-хим.биол. (1977) 74 , 68-73.

Керосин

Керосин состоит из углеводородов, содержащих от 12 до 16 атомов углерода на молекулу. В основном керосин используется в качестве лампового масла, дизельного топлива и для каталитического крекинга, процессов, обсуждаемых в разделе, посвященном ненасыщенным углеводородам. Это позволяет разбивать эти более крупные углеводороды до размера, который можно использовать для производства бензина. Примером углеводорода, который должен быть в керосиновой фракции, является тетрадекан:

.

Шарикостержневая модель молекулы тетрадекана

Мазут

Топливные масла состоят из углеводородов с числом атомов углерода от 15 до 18 на молекулу.Подобно керосину, этот дистиллят используется для получения мазута, дизельного топлива и каталитического крекинга. Примером является гексадекан:

.

Шарико-стержневая модель молекулы гексадекана

Смазочное масло

Смазочные масла состоят из 16-20 атомов углерода на молекулу углеводорода. Смазочные масла, иногда называемые минеральным маслом, используются для уменьшения трения между движущимися частями. Пожалуй, самое знакомое применение — моторное масло.Примером углеводорода в диапазоне размеров смазочного масла является эйкозан:

.

Шаровидная модель молекулы икозана

Остаток (асфальт)

Углеводороды, которые не выкипают, остаются после перегонки в виде углеводородов с числом атомов углерода более 20 на молекулу. Эти углеводороды можно использовать в качестве асфальта. Примером является тетракозан:

.

химическая структура тетракозана

  1. ↑ Мур, Дж.В.; Станицкий, К.Л.; Юрс, П.К. Химия: молекулярная наука. 3-е издание. Томпсон Брукс/Коул. 2008. 546-547.

1 галлон бензина · BlueSkyModel

Бензин

Подобно топливу для реактивных двигателей, бензин представляет собой смесь углеводородов, точный состав которой зависит от сырой нефти, из которой он был получен. Кроме того, большинство бензинов содержат такие присадки, как антиоксиданты, ингибиторы статического электричества, ингибиторы коррозии и т.д.

То, что мы покупаем на заправке, представляет собой смесь сотен соединений. Однако, учитывая температуру кипения, используемую для перегонки бензина (120-400 градусов по Фаренгейту), мы знаем, что его углеводороды имеют от 6 до 12 атомов углерода. Большинство людей считают октановое число — C 8 H 18 — приемлемым средним значением 1 . Октан имеет плотность 0,703 г / мл или 2661,14 г / галлонов .

  1. Крис Кайзер, Mad Science Network, «RE: Химическая формула обычного бензина».http://www.madsci.org/posts/archives/2001-04/987004809.Ch.r.html (посещено в марте 2013 г.).

Горение

В бензиновом двигателе смесь бензина и воздуха сгорает для привода поршней. Поршни вращают приводной вал, а приводной вал вращает колеса. В реакции горения бензин (он же октан, C 8 H 18 ) соединяется с кислородом воздуха ( O 2 ) с образованием двуокиси углерода ( CO 2 ) и 69 воды Н 2 0 ):

  C  8  H  18   +  O  2   ->  CO  2   +  H  2  6 0  2 

Это та же самая реакция горения, которая происходит в нашем организме для получения энергии из пищи.Конечно, другие элементы в воздухе, такие как азот и углекислый газ, сжигаются в двигателе так же, как и кислород. Эти другие элементы будут создавать другие молекулы, такие как нитраты и озон, но мы будем игнорировать их в наших расчетах.

Конечно, нам нужно сбалансировать уравнение, чтобы одинаковое количество элементов входило и выходило из нашей реакции:

  2   C  8  H  18  H  18  9  18   +  25   O  2   ->  16   CO  2   +  18   H  2  0  (2) 

Мы видим, что на каждые две молекулы октана, вступающие в нашу реакцию горения, образуется 16 молекул углекислого газа (или, уменьшая дробь, одна молекула октана дает восемь молекул углекислого газа).Однако молекулы октана и молекулы углекислого газа не имеют одинаковой массы, и масса должна сохраняться.

Чтобы определить, сколько граммов углекислого газа произведено, нам нужно рассчитать молекулярную массу углекислого газа, молекулярную массу октана и соотношение между ними:

 (1  м  * 12,011  а.е.м.  ) + (2  м  * 15,999  а.е.м.  ) = 44,009  а.е.  (3) 
 (8  м *12.011  а.е.м.  ) + (18  м  * 1,008  а.е.м.  ) = 114,232  а.е.м.  (4) 
 44,009  а.е.м.  / 114,232  а.е.м.  = 0,385 (5) 

Мы знаем, что на каждую молекулу октана, которая вступает в нашу реакцию, образуется восемь молекул двуокиси углерода (уравнение 2), и мы знаем, что одна молекула двуокиси углерода составляет 38,5% массы молекулы октана (уравнение 5). В результате мы можем посчитать, сколько граммов углекислого газа получается из одного грамма октана (он же бензин):

 8 * 0.385 = 3,080  г   CO  2   /  г   C  8  H  18   (6) 

Зная плотность октана (0,703 г / мл или 2661,144 г / галлонов ), мы можем рассчитать количество фунтов диоксида углерода, выделяемое одним галлоном октана (он же бензин):

 2 661.144  G   C  8  H  8  H  18  H  18  9 / GAL  * 3.080  G   CO  2  / G   C  8  H  18   * 1  LB  / 453.592  г  = 18,07  фунтов   CO  2   /  галлонов  (7) 

Вывод

Вот оно! Насколько нам известно, в среднем один галлон бензина производит 18,07 фунта углекислого газа. Если ваш автомобиль расходует 20 миль на галлон, а вы проезжаете 10 000 миль в год, вы будете производить 4,5 коротких тонны углекислого газа.

Внимание! В 2012 году Управление энергетической информации США оценило, что один галлон газа производит 19.6 фунтов углекислого газа. Несоответствие, вероятно, связано с тем, что они тестировали настоящий бензин со всеми его присадками и другими соединениями, а не только октановое число. Кроме того, они, вероятно, учитывали влияние других газов в воздухе, таких как азот, углекислый газ и т. д.

Не забывайте! В реакции участвуют другие молекулы. Мы не говорим, что вы получаете 18,1 фунта углерода из 5,7 фунта углерода (около веса галлона газа). Это противоречит физике! Мы говорим, что вы получите 18.1 фунт углекислого газа и 8,3 фунта воды из 5,7 фунта бензина (1 галлон) и 20,5 фунта кислорода.

Return to top

Обзор окисления заменителей бензина и его компонентов

Был достигнут значительный прогресс в области разработки заменителей топлива для имитации окислительных свойств бензиновых топлив. Настоящая статья направлена ​​на обзор соответствующих компонентов группы углеводородов, используемых для составления заменителей бензина, обзор конкретных заменителей бензина, о которых сообщается в литературе, с указанием их полезности и недостатков, а также определение будущих потребностей в исследованиях в области заменителей бензина и модели кинетики.

1. Введение

Заменители топлива, состоящие из небольшого количества компонентов, разработаны для имитации сложных реальных топлив. Разработка суррогатных смесей обычно направлена ​​на моделирование определенного свойства целевого топлива, такого как испарение, например, [1-4], термодинамические свойства, например, [5-9], или характеристики горения, например, [10-4]. 13]. Также были предложены некоторые усовершенствованные заменители для одновременной имитации большинства свойств топлива, например, [14–20].

Бензин является основным транспортным топливом в Соединенных Штатах и ​​включает н-алканы, изоалканы, нафтены, олефины, ароматические соединения и кислородсодержащие группы с различным распределением в зависимости от сезона, рынка, источника сырой нефти и процессов нефтепереработки.Пример химического состава бензина можно увидеть в таблице 1. Американский и европейский бензины могут содержать до 16 % и 9 % по объему соответственно нафтенов, которые могут быть преобразованы в ароматические углеводороды в процессе нефтепереработки [21, 22] . Хорошей практикой является включение компонента из основной группы углеводородов в заменители топливной смеси для имитации задержки воспламенения, ламинарной скорости пламени и состава топлива. Тем не менее, создание прогнозирующих кинетических механизмов для каждого отдельного суррогатного компонента или группы углеводородов при сохранении подходящего размера механизма для приложений вычислительной гидродинамики (CFD) является сложной задачей.Физические свойства нескольких компонентов, относящихся к бензиновому топливу и его суррогатам представлены в таблице 2.

3

C # N-Alkane Iso -алкан Olefin Nolefin Napphen Aromatic Aromatic не классифицированы Всего за угль

C 3 0.112 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,112
С 4 2,201 0,306 0,009 0,000 0,000 0,000 2,516
C 5 C 5 0 C 5 1.023 4.332 1.527 1.527 12.253 12.253 0.000 0.000 19.135
C 6 0.697 +9,873 2,380 0,830 0,588 0,000 14,368
С 7 4,361 13,183 0,542 1,789 10,489 0,000 30,362
C 9 C 8 8 0.634 11.320 0.270 0,270 0.828 7.381 7.381 0.000 20.432
C 9 0.248 +2,427 0,006 0,224 4,738 0,185 7,826
С 10 0,085 0,682 0,000 0,044 2,359 0,230 3,399
C 11 C 11 C 11 0.061 0,092 0.092 0.000 0,000 0,773 0,168 0,095
C 12+ 0.066 0,042 0,000 0,000 0,078 0,569 0,756
Итого 9,487 42,257 4,733 15,966 26,405 1,153 100,0

90 349 9/77.1 94/80

Групповая зона Кипятный темп.(° C) Плотность (кг / м 3 ) RON / MON

N-бутан N-Alkane 0 2,8 94/90,1
N-HEPTANE N-ALKANE N-ALKANE 100 684 0/0
ISO-Octane ISO-Alkane 99 690 100/100
2- Метилбутан (IC 5 h 12 ) ISO-Alkane 28 616 110/97 110/97
2-метилпентан (IC 6 H 14 ) ISO-Alkane 61 61 950 92/90 92/90
2-метилхексан 42/46
TOLUEOLE Aromatics 110 867 118 /103
Этанол Oxygenate 78 789 789 789 108/90
1-Pentene Olefin 30 641 90.9/77.1
Trans-2-Pentene Olefin 30 94/80 94/80
Trans-2-Hexene Olefin 63 669 73.4 / 68,6

В этом обзоре и исследовательской статье рассмотрены и смоделированы углеводородные группы и компоненты, относящиеся к бензиновому топливу и одиннадцати суррогатным смесям, описанным в литературе.Прогнозы моделирования испарения и самовоспламенения, полученные в рамках этой работы, сравниваются с данными измерений бензина при доступных условиях в литературе. Основной целью статьи является изучение усовершенствованных заменителей бензина, применимых к двигателям с воспламенением от сжатия с однородным зарядом (HCCI). Поэтому в данной работе будет рассматриваться только самовоспламенение. Эксперименты и химические кинетические модели для углеводородных групп и чистых компонентов, относящихся к бензиновому топливу, изучаются и обсуждаются в следующем разделе.

2. Химические кинетические модели и свойства углеводородных групп бензина

В этом разделе представлены шесть основных углеводородных групп бензина (н-алкан, изоалкан, олефин, циклоалкан, ароматические и кислородсодержащие группы) и соответствующие компоненты бензинового топлива. рассмотрены и обсуждены.

2.1. N-алкановая группа

Бензин представляет собой сложное топливо, состоящее из многих компонентов, в том числе разнообразных углеводородов в диапазоне от C 3 до C 12+ , как показано в таблице 1.Одной из основных групп компонентов в бензине является н-алкан, который составляет примерно 9,5% топлива, как показано в таблице 1. Некоторые свойства алканов до C 12 показаны в таблице 3, с н-бутаном. с самой низкой температурой кипения -1°С и н-гептаном, имеющим температуру кипения 98°С. На рис. 1 моделируется время задержки воспламенения для нескольких н-алканов, которое сравнивается с измеренными данными для бензина. Из этой модели можно наблюдать некоторые общие тенденции, такие как уменьшение времени задержки воспламенения за счет увеличения длины углеродной цепи.Еще одним важным замечанием является то, что время задержки воспламенения н-нонана, н-декана, н-ундекана и н-додекана почти одинаково, несмотря на увеличение длины углеродной цепи.

9034 9034 9064

плотность жидкости (кг / м 3 ) Точка кипения (° C) RON / MON (- / -) Низшая теплотворная способность (МДж/кг)

н-бутан 583 -1 94/89.1 4 45.84
N-Pentane 626 36 62/634 62/634
N-Hexane 654 69 25/26 45.10
N-HEPTANE 683 98 98 0/0 44.56
N-Octane 703 126 -10 / -10 44.86 44.86
Nonane 718 151 -10/-10 44.62
N-decane 730 174 -15 / -15 44.56
Non undecane 740 196 -15 / -15 44.52
NODECANE 750 750 216 -20 / -20 / -20 44.23


Увеличение исследований в режиме низкотемпературного сгорания как более производителей двигателя искали это рабочее состояние для повышения эффективности использования топлива и снижения вредных выбросов, например.г., [35]. Известно, что н-алканы, особенно крупные н-алканы, проявляют реакционную способность при низкотемпературном горении [36]. Поскольку н-алканы используются для имитации характеристик горения бензинового топлива; например, [19], важно понять, будут ли суррогатные модели точно моделировать топливо при низкотемпературном окислении. Длина цепи н-алкана оказывает огромное влияние на реакционную способность холодного пламени, и современные модели заменителей бензина дают плохие результаты, когда дело доходит до моделирования поведения окисления в этих областях, например.г., [35].

N-гептан исторически использовался как представитель группы н-алканов из-за его октанового числа и его концентрации в бензиновом топливе (4,3% по объему), как показано в таблице 1. Кинетическая модель н-гептана была много раз разрабатывались, переоценивались и валидировались, например, [13, 37–39].

Другим важным компонентом бензина является н-бутан, как показано в Таблице 1. Кинетика горения н-бутана хорошо определена, и Симми [40] провел обзор разработок и экспериментов по модели н-бутана.Н-бутан имеет температуру кипения 23,7°C и может быть одной из основных причин низкой температуры кипения бензина.

Вестбрук и др. [41] разработали подробную химико-кинетическую модель для описания пиролиза и окисления девяти н-алканов от н-октана до н-гексадекана. Модель позволяет моделировать как низкотемпературную, так и высокотемпературную химию этих н-алканов и была тщательно оценена по данным ударных трубок, проточных реакторов и реакторов со струйным перемешиванием.

В недавнем исследовании Cai et al.[42] оптимизировали правила скорости для н-алканов для дальнейшей оптимизации кинетической модели. Кай и др. [42] модель основана на модели, созданной Sarathy et al. [43] для окисления н-алканов от C 8 до C 16 и Bugler et al. [44] модель для низкотемпературной кинетики. Химический механизм был автоматически сгенерирован с использованием байесовского подхода для модели н-алканов и сравнен с экспериментальными данными. Модель показала улучшенные результаты для различных алканов по сравнению с предыдущими моделями.

2.2. Изоалкановая группа

Изоалканы являются самой крупной из основных групп углеводородов, обнаруженных в бензине, как показано в таблице 1. 42,3 % по объему исследовательского бензина RD387 состоит из изоалкановых компонентов, как показано в таблице 1. Исторически сложилось так, что 2,2,4-триметилпентан (также известный как изооктан) использовался в качестве заменителя изоалкановой группы, поскольку заменитель смеси 2,2,4-триметилпентана и н-гептана имитирует горение бензина до хорошая степень точности.Оба топлива могут производиться в значительных количествах и иметь очень похожую плотность, отношение водорода к углероду (H/C) и более низкую теплотворную способность. Бензин включает около 11% изооктана, как показано в таблице 1. Октан имеет 18 изомеров, и только 2,2,4-триметилпентан и н-октан были тщательно изучены, а подробный механизм и подтверждение для н-октана можно найти в [43, 45] и изооктана в [25, 46, 47]. Согласно обзору Simmie [40], модель н-октана Glaude et al. [45] и другие доступные модели потребовали усовершенствования вторичных реакций алкенов, которые являются основными первичными продуктами при окислении н-октана.Атеф и др. [48] ​​недавно создали новую кинетическую модель для 2,2,4-триметилпентана с улучшенными скоростями реакции, групповыми значениями и правилами скоростей. Кроме того, был добавлен альтернативный путь изомеризации пероксиалкилгидропероксида и другие реакции присоединения O 2 . Эти дополнительные реакции улучшили прогнозы для реакций при более низких отношениях эквивалентности, около 0,25. Кроме того, обновленная модель подчеркнула необходимость дальнейших путей реакции при более низких температурах, поскольку 3-й путь реакции O 2 показал значительные изменения в сжигании при более низкой температуре.

Изомеры компонентов C 7 в группе изоалканов имеют более высокую объемную долю, чем изомеры компонентов C 8 , как показано в таблице 1. C 7 имеет 9 изомеров, включая н-гептан, как показано в таблице 1. Таблица 4 и рисунок 2. Изомеры C 7 почти не изучены. Вестбрук и др. [24] разработали подробный высокотемпературный механизм для всех девяти изомеров гептана, но из-за отсутствия экспериментальных данных был подтвержден только н-гептан. Вестбрук и др. Позднее [49] усовершенствовали механизм, добавив новую реакционную группу к предыдущему механизму, в котором гидропероксиалкильные радикалы, возникшие в результате отрыва атома Н от третичного положения в исходной молекуле гептана, отнесены к новым последовательностям реакций с участием дополнительных внутренних Н абстракции атома.Кроме того, все скорости реакций изомеризации гидропероксиалкилпероксирадикалов были уменьшены, чтобы они сравнялись со скоростями аналогичных изомеризаций алкилпероксирадикалов, чтобы улучшить соответствие между расчетным и доступным экспериментальным временем задержки воспламенения в машинах быстрого сжатия (RCM). Результаты вычислений делятся на три основные группы, как показано на рис. 2: наиболее реакционноспособные изомеры, включая н-гептан, 2-метилгексан и 3-метилгексан; наименее реакционноспособные изомеры, включая 2,2-диметилпентан, 3,3-диметилпентан, 2,3-диметилпентан, 2,4-диметилпентан и 2,2,3-триметилбутан; и оставшийся изомер с промежуточным уровнем реакционной способности, 3-этилпентан.Эти наблюдения примерно согласуются с октановым числом каждого изомера в таблице 4. Недавно Mohamed et al. изучали 2-метилгексан. [50]. Основное внимание в их исследовании было уделено обновлению термодинамических данных и кинетического механизма реакции для 2-метилгексана на основе недавно опубликованных значений термодинамической группы и правил скорости, полученных из квантовых расчетов и экспериментов.

9 9

Химическое название Краткое наименование RON ПН Цетановое число

н-гептана нКл 7 H 16 H 16 9 9 0 0 56
2C 7 H 16 42 42 46 38
3-метил Гексан 3C 7 H 7 9 16 52 56 336
2,2-Диметил Пентан 22C 7 H 16 93 96 13
3,3-диметил Пентан 33C 7 H 16 9 16 81 87 19
2,4-Dime Ттрильный пентан 24C 7 H 7 9 16 83 84 18
9
2,3-диметил Пентан 9032 7 H 7 H 16 91 89 14
366
3 3C 7 H 7 9 16 9 16 65 69 27
2,2,3-триметил Бутан 223C 7 H 16 112 112 112 4
65


Изомеры гексана являются третьей главной группой в бензине после изомеров гептан и октанаГексан имеет пять изомеров, как показано в таблице 5. Curran et al. [51] разработали кинетическую модель для всех изомеров гексана и использовали модель в программе 3D CFD для изучения самовоспламенения во время сгорания в двигателе для разработки кинетической модели. Степень сжатия двигателя постоянно увеличивалась для достижения критической степени сжатия, при которой возможно самовоспламенение изомеров гексана, как указано в таблице 5. Самовоспламенение трех изомеров гексана изучается с использованием подробного механизма [25] в текущей работе как показано на рисунке 3.Разница между рассчитанными временами задержки воспламенения двух изомеров, 2-метилпентана и 2,2-диметилбутана, незначительна. Однако разница между критическими степенями сжатия двух изомеров составляет 3,4, что является довольно большой разницей. Это несоответствие может быть связано с недостатками подробного механизма [25] для воспроизведения времени задержки воспламенения изомеров гексана.

9034 93 95 9064

RON


N-Hexane 64/ 5.7 25
2-метил Пентан 8.1 / 80365 73
3-метил Пентан 80365 75
2,2-диметилтан Бутан 11.5 / 10.5 92 92
2,3-диметилтантан 19,0 / 14,5 104



Изомеры Пентана являются другими основными компонентами в углеводородной смеси бензина, как показано в таблице 1.Три изомера пентана представляют собой н-пентан, изопентан (2-метилбутан) и неопентан (2,2, диметилпропан). Рибокур и др. [52] изучали изомеры пентана с помощью RCM, чтобы изучить влияние изменений молекулярной структуры топлива на характеристики самовоспламенения изомеров. Они изучали самовоспламенение изомеров пентана при начальных температурах газа от 640 до 900 К и давлении предварительного сжатия от 300 до 400 торр. Изомеры пентана в большинстве случаев испытали двухстадийное самовоспламенение.При самой высокой достигнутой температуре сжатия воспламенения первой ступени практически не наблюдается. Первая стадия следует низкотемпературному пути изомеризации алкилпероксирадикалов, который эффективно гасится, когда температура достигает уровня, при котором реакции диссоциации алкилперокси и гидропероксиалкилпероксирадикалов протекают быстрее, чем стадии обратного присоединения. Вторая стадия контролируется началом диссоциации пероксида водорода. Резюме Ribaucour et al. [52] Эксперименты RCM показаны в таблице 6.Подробный механизм был также разработан на основе результатов и проверен на основе данных RCM в [52]. Баглер и др. [44] измеряли время задержки воспламенения смесей н-пентана, изопентана и неопентана в двух ударных трубках и в RCM. В настоящей работе представлены данные о времени задержки воспламенения изомеров пентана при коэффициентах эквивалентности 0,5, 1,0 и 2,0 в воздухе при давлениях 1, 10 и 20 атм в ударной трубе и 10 и 20 атм в РЦМ, а также данные при коэффициенте эквивалентности 1,0 в 99% аргоне, при давлениях около 1 и 10 атм в ударной трубе.Детальная химико-кинетическая модель также использовалась для имитации экспериментальных времен задержки воспламенения, которые хорошо предсказаны для всех изомеров. Канг и др. [53] изучали характеристики самовоспламенения трех изомеров C 5 , н-пентана, 2-метилбутана (изопентана) и 2,2-диметилпропана (неопентана) с использованием двигателя CFR. Наблюдается более сильное двухстадийное тепловыделение для н-пентана по сравнению с неопентаном. Напротив, для изопентана наблюдалось одностадийное выделение тепла, что приводило к самой слабой общей реакционной способности при окислении трех изомеров.

+ + +

0 (K)

изопентан неопентан н-пентана
РОН 92,3 85,5 61,7
р ( Torr) 300 400 400 300 400 400 400
T (K) 700

5

690 900

5

670 665 650 650
+
НТК зона НТК зона НТК зона
(К) 730 730 770 775 755 755
(К) 820 820 880 860 850 845

CF ZONE CF ZONE CF ZONE
700

5

700

5

685

5

665 670 665
(K) 755 755 755 880 890 890 890 845 845


Nonane имеют 35 изомеров (в том числе н-нон), и они являются одним из основных компонентов Iso- алканов в бензиновой смеси объемной долей 2.4%, как показано в таблице 1. Однако ни один из изомеров нонана, кроме 2-метилоктана [43], на момент написания статьи не был изучен и разработан.

2.3. Группа олефинов

Олефины, также известные как алкены, входят в состав большого количества транспортного топлива, такого как бензин, дизельное топливо и авиационное топливо. Например, бензин состоит из 15-20% олефинов по объему [54]. Кроме того, было установлено, что олефины являются ключевым компонентом, определяющим чувствительность топлива к октановому числу, что является важной характеристикой для двигателей с искровым зажиганием.Кроме того, окисление алкенов является важным подмеханизмом сгорания высших алканов. Большинство олефинов в бензине представляют собой компоненты C 5 и C 6 , как показано в таблице 1. Модели механизмов и эксперименты по задержке воспламенения некоторых компонентов C 5 и C 6 изучались и обсуждались в [13]. , 40, 54–56].

Пентен имеет шесть изомеров: 1-пентен (ОЧИ = 90,9 и МОЧ = 77,1 [57]), цис-2-пентен (октановое число неизвестно), транс-2-пентен (ОЧИ = 94 и МОЧ = 80 [57]). ), 2-метил-1-бутен (ОЧИ = 100.2 и MON = 81,9 [API]), 2-метил-2-бутен (RON = 97,3 и MON = 84,7 [58]) и 3-метил-1-бутен (октановое число неизвестно), как показано на рисунке 4. Mehl и другие. [56] изучали механизмы низкотемпературного разветвления алкенов и разработали кинетическую модель для изомеров н-гексена (1-гексен, транс-2-гексен и транс-3-гексен). В другом исследовании Mehl et al. [13] исследовали два изомера пентена (1-пентен и транс-2-пентен) и три изомера гексена (1-гексен, транс-2-гексен и транс-3-гексен) с помощью ударной трубки и разработали кинетическую модель для них.Время задержки воспламенения некоторых изомеров пентена и гексена показано на рисунке 5 с использованием модели Mehl et al. [13]. Вестбрук и др. [54] изучали самовоспламенение 2-метил-2-бутена с помощью ударной трубы и реактора со струйным перемешиванием (JSR) и разработали соответствующую кинетическую модель. Эксперименты с ударной трубой проводились при трех различных давлениях (приблизительно 1,7 атм, 11,2 атм и 31 атм), при трех различных коэффициентах эквивалентности (0,5, 1,0 и 2,0) и при начальных температурах после удара от 1330 до 1730 К.Эксперименты JSR проводились при давлении, близком к атмосферному (800 торр), стехиометрических топливно-кислородных смесях с 0,01 мольной долей 2-метил-2-бутена в топливе и времени пребывания в реакторе 1,5 с. В этом эксперименте были измерены мольные доли 36 различных химических соединений в диапазоне температур от 600 до 1150 К. Вестбрук и др. [54] пришли к выводу, что при высоких температурах это олефиновое топливо вступает в реакцию быстро, подобно родственным алкановым топливам, но выраженная термическая стабильность аллильных пентенильных частиц подавляет низкотемпературную реакционную способность; поэтому 2-метил-2-бутен не дает холодного пламени или поведения с отрицательным температурным коэффициентом (NTC), как показано на рисунке 5.Отсутствие поведения NTC связано с высокой октановой чувствительностью 2-метил-2-бутена, тогда как отсутствие низкотемпературной реакционной способности связано с низкой реакционной способностью небольших аллильных радикалов при более низких температурах. Эта низкотемпературная стабильность является результатом неспособности радикалов производить алкенилпероксирадикалы, которые могут привести к поведению NTC. Как правило, низкотемпературное окисление компонентов оказалось самым быстрым для н-алкана, за которым следуют 1-алкен, 2-алкен и затем 3-алкен (если он существует в таких компонентах, как 3-гексен), как показано на рисунке 5. и объяснено Леппардом [59].Поведение NTC уменьшается по мере удаления двойной углерод-углеродной связи от конца углеродной цепи и почти исчезает для 3-гексена [54]. Транс-2-пентен и транс-3-гексен демонстрируют идентичные характеристики самовоспламенения, как показано на рис. 5. Изомеры пентена и гексена имеют уникальное время задержки воспламенения при высоких температурах по сравнению с ранее изученными компонентами, такими как н-алканы и изоалканы ( например, сравните рисунки 1 и 3 с рисунком 5). Вестбрук и др. [54] нашли показатель степени давления -0.4 для 2-метил-2-пентена. Эти показатели степени давления меньше, чем показатели степени давления бензинового топлива (около -1,06), и делают эти изомеры хорошим выбором присадки к топливу для ограничения детонации в бензиновом двигателе с искровым зажиганием с сильным наддувом. Минетти и др. [60] изучали задержку воспламенения и образование форм 1-пентана и 1-пентена с помощью RCM в диапазоне температур 600-900 К и давлений 7-8 бар. Они обнаружили некоторые сходства и существенные различия в поведении 1-пентана и 1-пентена. Сходство обусловлено тем, что 1-пентен является первичным продуктом окисления н-пентана и наличием промежуточных нестабильных частиц (т.э., и ООН), принадлежащих обоим углеводородам. Основное различие связано с эффектом двойной связи углерод-углерод в 1-пентене, что позволяет добавлять HO 2 и OH. 1-пентен также способствует отщеплению аллильного водорода при первой атаке и при изомеризации промежуточных радикалов.



Гексен имеет семнадцать изомеров; из этих семнадцати наиболее изученными изомерами являются 1-гексен, транс-2-гексен и транс-3-гексен, например [55, 61, 62]. Ваньон и др. [55] изучили три изомера гексена (1-гексен, транс-2-гексен и транс-3-гексен) с помощью RCM.Измерения стабильных интермедиатов показали значительные различия в путях изомерных реакций. Измерения трех гексеновых топлив показывают, что начальное окисление трех изомеров протекает с одинаковой скоростью. Длина алкильной цепи определяет пути реакции и то, какие стабильные промежуточные продукты образуются во время окисления. Используя Mehl et al. [13] модель и экспериментальные данные показали хорошее совпадение с характеристиками самовоспламенения; однако были некоторые отклонения от ожидаемых количеств пропаналя.Результаты для транс-3-гексена вызвали особую тревогу, так как модель предсказывала производство пропаналя в десять раз больше. Кроме того, модель завышала скорость потребления гексена для всех изомеров. Результаты Wagnon et al. поддерживают необходимость разработки более совершенных реакционных моделей для более точного предсказания реакционных путей и чувствительности различных молекулярных структур. Яхьяуи и др. [63–65] получили корреляции, чтобы связать время задержки воспламенения 1-гексена с изменениями температуры и коэффициента эквивалентности, используя данные ударной трубки.Ян и др. [61, 62] получили корреляцию для трех изомеров гексена (1-гексен, 2-гексен и 3-гексен), чтобы связать задержку воспламенения с давлением, температурой и коэффициентом эквивалентности, используя новые данные измерений ударной трубы. Ян и др. определил показатель степени давления -0,53 для 1-гексена и 2-гексена и -0,421 для 3-гексена.

Леппард [59] изучал химию самовоспламенения алкенов (1-бутен, цис-2-бутен, изобутен, 2-метил-2-бутен и 1-гексен) и соответствующих им алканов (н-бутан , изобутан, 2-метилбутан и н-гексан) с использованием моторизованного одноцилиндрового двигателя путем измерения стабильных промежуточных соединений.Леппард представил доказательства того, что в химии самовоспламенения алкена преобладают радикалы, присоединяющиеся к двойной связи, особенно для соединений с более низким числом атомов углерода.

2.4. Группа циклоалканов

Циклоалканы (также известные как нафтены) составляют значительную часть обычного дизельного топлива, топлива для реактивных двигателей и бензина (до 35%, 20% и 15% по объему соответственно). В бензиновом топливе преобладают метилзамещенные (моно- и ди)изомеры циклоалканов, в меньшей степени - более многочисленные метильные и алкильные замещения [21].Циклоалканы C 5 являются наиболее распространенными компонентами бензина, как показано в таблице 1. Было проведено ограниченное количество исследований, будь то экспериментальных или расчетных, по окислению циклоалканов, например, [66–74]. Кинетические механизмы циклопентана и циклогексана наиболее изучены из всех циклоалканов в силу их простоты. Самовоспламенение циклогексана изучалось с использованием ударных труб [75–77], РКМ [26, 70, 78], JSR [72, 74], реакторов вытеснения [79, 80] и реакторов закрытого типа [81–84]. .Характеристики воспламенения циклопентана изучались с помощью ударных трубок [75, 76, 85] и JSR [86]. Было обнаружено, что самовоспламенение циклопентана и циклогексана больше зависит от давления, чем олефинов. Это может быть показано в исследовании, проведенном Daley et al. [75], где они обнаружили, что показатели степени давления циклопентана и циклогексана в стехиометрических условиях составляют 0,9 и 1,1 соответственно. Для сравнения, показатели степени давления при тех же условиях для 2-метил-2-бутена и 1-гексана равны -0.4 и -0,3 соответственно. Кинетические механизмы циклопентана и циклогексана нуждаются в улучшении, как обсуждалось в [75], из-за их ненадежности и неточности. Изучаемая кинетическая модель циклогексана была разработана Silke et al. [26] и сравнивали с данными RCM о задержке воспламенения из [70], как показано на рисунке 6. Модель хорошо предсказывает тенденции задержки воспламенения даже в области NTC. Однако общая задержка воспламенения была завышена для большинства измеренных точек. Дальнейшие исследования были проведены с метилзамещенными изомерами циклогептана и циклогексана.Питц и др. [21] разработали модель метилциклогексана при низких и высоких температурах и попытались проверить ее, используя данные RCM. Опять же, модель завышала задержку воспламенения, особенно при низких температурах.


2.5. Ароматическая группа

Ароматические соединения являются еще одним важным компонентом бензина, как показано в таблице 1 и на рисунке 7. Бензол, обычное ароматическое соединение, ограничен 1% от общего объема бензина, продаваемого в Соединенных Штатах [87]. Наиболее распространенными ароматическими соединениями в бензине, продаваемом в США, являются толуол и м-ксилол (1,3-диметилбензол) [21].Толуол добавляют в американский бензин, и это может быть причиной пика C 7 в таблице 1. Помимо американского бензина, толуол является основным ароматическим компонентом в готовом китайском бензине (RON = 93), японском готовом обычном бензине ( RON=90) и готовый японский бензин премиум-класса (RON=100), как показано в таблице 7. Три дополнительных основных ароматических соединения показаны в таблице 7: 1,2,4-триметилбензол, 1-метил-3-этилбензол и м-ксилол. .

9033)


Составное имя
Японский законченный бензин премиум (WT%) Японский законченный регулярный бензин (WT%) Китайский законченный бензин (WT%)

Толуол (C 7 H 8 ) 22.345 5.744 3.550 3550 3550
м-ксилол (C 8 H 10 ) 0 ) 0,765 1.487 2.669 66 969
O-Xylene (C 8 H 10 ) 0.174 0,697 0,697 1.444 1,444
P-ксилол (C 8 H 10 ) 0 ) 0 ) 0.439 0.582 0.951
1-метил-4-этилбензол (C 9 Н 12 ) 1.094 094 0.630 0.630 0.411 66
1-метил-3-этилбензол (C 9 H 12 ) 2.396 2.396 1.463 1.108
1-метил-2-этилбензол (C 9 H 12 H 12 ) 12 ) 1.043 0.555 0.555 0.390
1,2,4-триметилбензол (C 9 H 12 ) 3.932 2.185 1.954
1,2,3-триметилбензол (C 9 H 12 ) 0.963 0.516 0.516 0.516 0.484 0.484
Ethylбензол (C 8 H 10 ) 0.828 0.814 0.714 0.909
1,3,5-триметилбензол (C 9 H 12 ) 0.938 0.577 0.521 0.521



Химические кинетические модели толуола были широко изучены. Некоторыми из более поздних исследований являются [13, 88–90] с экспериментами по самовоспламенению в [27, 88, 89, 91–93].Толуол не проявляет реакционной способности при низких температурах или NTC из-за его высокого отношения RON/MON 126/110. В работе [94] для моделирования задержки воспламенения толуола использовались три кинетические модели, которые сравнивались с экспериментальными данными ударной трубы, как показано на рисунке 8. Как показано на рисунке, смоделированные времена задержки воспламенения хорошо согласуются с экспериментальными данными. Как сообщается в [27], зависимость давления задержки воспламенения -1,09 при коэффициенте эквивалентности 1 близка к показателю степени задержки воспламенения бензина -1.06. Интересно отметить, что задержка воспламенения толуола более чувствительна к изменениям давления, чем циклоалкановые и олефиновые компоненты.


1,2,4-триметилбензол (124ТМБ) является еще одним основным компонентом бензина в ароматической группе, как показано в Таблице 7. Как и толуол, 124ТМБ не проявляет реакционной способности при низких температурах из-за его высокого ОЧИ/МОМ, равного 115. /110. 124TMB является популярным заменителем для моделирования керосина [95], с кинетической моделью, которая была изучена и разработана в [96, 97].Характеристики горения 124TMB изучались с помощью ударной трубы [98], RCM [31], JSR [99], стабилизированного пламени горелки с предварительным смешиванием [100, 101], горелки с противотоком [102] и свободно распространяющегося пламени с предварительным смешиванием [102]. 103]. Рубо и др. В работе [31] изучалось самовоспламенение 11 алкилбензолов в РХМ в стехиометрических условиях, в диапазоне температур от 600 до 900 К и давлениях сжатия до 25 бар. Их эксперименты показали, что толуол, м-ксилол, п-ксилол и 1,3,5-триметилбензол воспламеняются только при температурах выше 900 К и 16 бар, а о-ксилол, этилбензол, 1,2,3-триметилбензол, 1,2 ,4-триметилбензол, н-пропилбензол, 2-этилтолуол и н-бутилбензол воспламеняются при гораздо более низких температурах и давлениях.Время задержки воспламенения для всех 11 компонентов показано на рис. 9. Среди этих 11 компонентов 124TMB имеет самое большое время задержки воспламенения, которое коррелирует с самой низкой реакционной способностью среди всех компонентов. Хуи и др. [102] подтвердили низкую реакционную способность 124ТМБ по сравнению с другими ароматическими компонентами (толуол, н-ПБ и 1,3,5ТМБ) посредством исследования скорости ламинарного пламени в двухпламенном противоточном реакторе при давлении 1 бар.


Окисление м-ксилола было изучено Gaïl и Dagaut [104] с использованием JSR при атмосферном давлении в широком диапазоне отношений эквивалентности (0.от 5 до 1,5) и температурах (900-1400 К). Была получена кинетическая модель м-ксилола, которая использовалась для анализа результатов. Исследование, проведенное Гаилом и Даго, показало, что реакционная способность м-ксилола аналогична, но немного ниже, реакционной способности п-ксилола в оцениваемых условиях. Эта разница в реакционной способности между двумя изомерами была изучена более подробно в [31] с использованием RCM при более высоких давлениях, как показано ранее на рисунке 9. Результаты показали, что о-ксилол имеет самую высокую реакционную способность среди всех изомеров ксилола.Дополнительные исследования м-ксилола проводились с использованием ударной трубки для определения задержки воспламенения [94, 105, 106], состава частиц из реакторов [107] и скорости ламинарного пламени [108]. На основе кинетической модели для толуола в работе [106] была разработана кинетическая модель для м-ксилола, и предсказания модели сравнивались с экспериментальными данными для ударной трубы. Нараянасвами и др. [109] разработали детальную модель для толуола, стирола, этилбензола, 1,3-диметилбензола (м-ксилола) и 1-метилнафталина. Модель была проверена на основе данных реактора вытеснения для времени задержки воспламенения, профилей видов из экспериментов с ударной трубой и скоростей ламинарного горения.

2.6. Oxygenated Component

Изучение окисления этанола имеет решающее значение для прогнозирования сгорания бензина, поскольку примерно 10% бензина в США по объему (E10) содержит этанол [21], как того требуют действующие федеральные и государственные стандарты качества воздуха в городах США [110]. При RON/MON 116,3/101,4 характеристики горения этанола широко изучались с использованием ударных труб низкого давления [111–114], ударных труб высокого давления [115–118], RCM [118–121], горелок [113]. , 114, 122], реакторы с турбулентным потоком [113, 114, 123] и JSR [114].Кинетические модели этанола изучались и разрабатывались в работах [4, 110, 112, 115, 118, 119, 121, 123–128]. Кроме того, характеристики горения смесей этанола и бензина обсуждались в [124, 129]. Zyada и Samimi [121] разработали кинетическую модель этанола с использованием автоматизированного генератора механизма реакции (RMG) и проверили механизм на основе измеренных значений времени задержки воспламенения, скорости ламинарного пламени и данных о концентрациях частиц. Новый механизм очень хорошо имитировал горение этанола.Маринов [110] разработал подробную модель сгорания этанола и проверил ее на различных наборах экспериментальных данных, таких как данные о скорости ламинарного пламени (полученные от бомбы постоянного объема и двойного пламени с противотоком), данные о задержке воспламенения после отраженная ударная волна и профили продуктов окисления этанола из реактора со струйным перемешиванием и турбулентным потоком. Хорошее согласие было обнаружено при моделировании наборов данных, полученных из пяти различных экспериментальных систем. Канчино и др. [115, 130] изучили и разработали кинетическую модель этанола с использованием данных ударной трубы высокого давления.Они использовали несколько подмеханизмов из [110, 131] и обнаружили корреляцию задержки воспламенения для этанола. Затем эту модель использовали в заменителях топлива этанол-бензин путем смешивания модели этанола с другими моделями углеводородов. Они также обнаружили, что чувствительность к давлению этанола составляет -0,83 [115], что ниже, чем у бензинового топлива (-1,06). Следует отметить, что Хойфер и Оливье [116] нашли -0,77 как чувствительность к давлению. Модель Cancino et al. [130] по-прежнему нуждались в доработках, поскольку окончательная модель занижала данные о задержке воспламенения для чистого этанола и всех комбинаций компонентов, содержащих этанол.Олм и др. [128] недавно разработали подробный механизм, оптимизировав 44 параметра Аррениуса 14 важнейших элементарных реакций в подробном механизме, созданном Саксеной и Уильямсом [125]. Они подтвердили модель, используя измерения задержки воспламенения, концентрации частиц и скорости пламени. Было показано, что оптимизированный механизм обеспечивает лучшее предсказание имеющихся экспериментальных данных. Ли и др. [118] использовали этанольный механизм Li et al. [132] и улучшил его, используя параметры, найденные в литературе.Они подтвердили это с помощью экспериментальных данных из [115, 116] и обширных экспериментов с использованием ударной трубы (при 80 бар) и RCM (при 40 бар) для температур от 700 до 1000 K. Metcalf et al. [127] создали механизм AramcoMech 1.3 для углеводородов C 1 -C 2 (метан, этан, этилен, ацетилен, метанол, ацетальдегид и этанол). Они изменили константу скорости и термодинамические свойства (энтальпию и энтропию) важных реакций, которые они обнаружили в литературе для видов углеводородов на основе анализа чувствительности.Модель Metcalf et al. [127] хорошо предсказывает задержку воспламенения и работает лучше, чем модели [110, 132]. Барраза-Ботет и др. [120] изучали этанол для стехиометрической смеси этанол/воздух с разбавлениями. Они использовали эти данные для проверки модели [133, 134], которая является версией AramcoMech, для окисления углеводородов C 1 -C 3 и кислородсодержащих соединений. Они использовали данные о задержке воспламенения и формировании соединений из своих экспериментов RCM, чтобы изменить константы скорости важных реакций отщепления водорода от этанола.

3. Обзор заменителей бензина

Некоторые заменители бензина из литературы моделируются и сравниваются с доступными экспериментальными данными в этом разделе. Эти заменители топлива были выбраны для рассмотрения, поскольку время задержки воспламенения было одной из основных целей при разработке заменителей. Первичное эталонное топливо или PRF (смесь изооктана и н-гептана) первоначально изучается для устранения недостатков этой суррогатной модели и выявления необходимости дальнейшей очистки суррогатного бензина путем добавления других компонентов в суррогатную смесь.Рассматриваются десять суррогатов с большей сложностью, чем PRF, и моделируются задержки воспламенения и другие свойства, которые сравниваются с экспериментами. Все времена задержки воспламенения моделируются с использованием механизма [19] в условиях обедненного топлива/воздуха, что аналогично условиям работы, наблюдаемым в двигателях HCCI. Самовоспламенение насыщенного кислородом бензинового топлива, такого как Е10, на момент написания статьи экспериментально не изучалось; тем не менее, большинство заменителей топлива было получено путем добавления этанола в заменители PRF и толуолового эталонного топлива (TRF), такие как заменитель [4].Поэтому оксигенированные заменители в настоящем обзоре не изучались из-за отсутствия экспериментальных данных. В следующем разделе свойства РД387 (в дополнение к экспериментальным данным) используются в качестве представителя бензинового топлива. В таблице 8 показаны некоторые важные свойства RD387. В данной работе РД387 является неоксигенированным бензином, и эти термины должны использоваться взаимозаменяемо. Kukkadapu et al. сообщили об измерениях задержки воспламенения для бензина RD387. [23] с использованием РКМ и Gauthier et al.[10] с помощью ударной трубки. Куккадапу и др. [23] измерили задержку воспламенения неоксигенированного бензина в широком диапазоне давлений сжатия (20 и 40 бар), коэффициентов эквивалентности (0,3, 0,5 и 1) и температур сжатия (от 667 до 950 К). Готье и др. [10] измеряли времена задержки воспламенения РД387 с помощью ударной трубки в условиях обедненной, стехиометрической и богатой смеси (коэффициент эквивалентности = 0,5, 1,0, 2,0), двух диапазонах давления (15–25 и 45–60 атм), температурах от 850 до 1280 K и нагрузки рециркуляции отработавших газов (EGR) 0%, 20% и 30%.В этой статье эксперименты RCM моделируются с использованием нульмерной модели, которая учитывает конечное время сжатия и потери тепла на стенках. Расчеты RCM начинаются при начальных условиях эксперимента, и смесь сжимается с той же скоростью, на которую указывает измеренный профиль давления. Характеристики тепловых потерь определены путем опроса нереагирующих и реагирующих экспериментов RCM, в которых кислород топливно-воздушной смеси был заменен азотом. При моделировании RCM и ударной трубы время задержки воспламенения определялось как время, когда мольная доля OH достигает своего максимального значения.Расчеты моделирования показывают, что задержка воспламенения, соответствующая максимальной концентрации OH, эквивалентна определениям, основанным на давлении или скорости повышения давления как для сильно экзотермической ударной трубы, так и для рассматриваемых здесь сред RCM. Исследовательское октановое число и моторное октановое число (RON и MON) заменителей рассчитываются с использованием нелинейной корреляции Ghosh et al. [136]. Определение кривой дистилляции достигается путем аппроксимации системы в виде серии стадий мгновенного равновесия, что эквивалентно процедуре измерения кривой дистилляции, описанной в ASTM D86.На каждой стадии равновесия давление насыщенного пара каждого чистого компонента оценивается на основе корреляции DIPPR [137], а коэффициент активности рассчитывается на основе корреляции группового взаимодействия UNIFAC [138]. Расчеты задержки воспламенения и кривой перегонки выполняются с помощью пакетов Chemkin-Pro [139] и Workbench [140]. Моделирование моделей многокомпонентных заменителей бензина изучается в следующем разделе.

-


RD387 [23] RD387 [10]

Насыщены (Liq)Объем%) N- / ISO- Cyclo-alkanes 67.8 (9,5 / 42,3 / 16) -
Alkenes (Liq. Объем%) 4.7 -
Aromatics (Liq. Объем%) - - -
H / C Соотношение
1.869 1.85
RON / MON 91/82.7 -
Удельная гравитация @ 15,56 ° C (GR /см 3 ) 0,7456 -
Чистая теплотворная способность (МДж/кг) 43.3.1. Заменитель основного эталонного топлива

Заменитель PRF с октановым числом 87 (PRF87) оценивается первым. Детали заменителя приведены в Таблице 9. Отношение H/C в PRF87 (2,254) выше, чем в RD387 (1,869), как показано в Таблицах 8 и 9, поскольку оба компонента смеси PRF (изооктан и н- гептан) имеют соотношение H/C около 2,2. PRF имеет начальную температуру кипения 99 ° C независимо от состава смеси (от процентного содержания изооктана по отношению к н-гептану), а кривая дистилляции представляет собой почти прямую линию, как показано на рисунке 10.Кривая суррогатной перегонки PRF не соответствует кривой перегонки бензина. Полная задержка воспламенения и задержка воспламенения первой ступени PRF87 показаны на рисунках 11 и 12. Заменитель работает удовлетворительно при температурах выше 800 K, а поведение задержки воспламенения в области NTC близко к таковому у RD387. Замещающая задержка воспламенения первой ступени показывает то же поведение, что и бензин (уменьшение с повышением температуры), но замещающая задержка воспламенения первой ступени меньше, чем у бензина.Самими Абиане и др. [19], Хаос и др. [12], Ванхов и соавт. [11], Хан [32] и другие добавили некоторые углеводородные компоненты в заменитель PRF, чтобы улучшить прогнозы общей задержки воспламенения и задержки воспламенения первой ступени, как будет обсуждаться в следующих разделах.

3.2. Хаос и др. Суррогат

Хаос и др. [12] разработали трехкомпонентный заменитель толуолового эталонного топлива (TRF), чтобы представить поведение бензина при самовоспламенении.Состав и свойства суррогатной смеси представлены в табл. 10, а кривая перегонки — на рис. суррогаты идентичны и далеки от кривой перегонки бензина. Суррогатная модель Chaos et al. [12] была проверена с использованием экспериментальных данных из проточного реактора с переменным давлением. В процессе самовоспламенения моделировались и измерялись массовые доли компонентов окиси и двуокиси углерода, кислорода и компонентов топлива.Задержка воспламенения нескольких смесей-заменителей была смоделирована и сопоставлена ​​с экспериментальными данными ударной трубы для оптимизации окончательного заменителя. Окончательный оптимизированный заменитель был использован для моделирования двигателя HCCI для прогнозирования истории изменения давления, но прогнозируемые результаты не были удовлетворительными. Сравнение времени задержки воспламенения показано на рисунках 13 и 14. Задержка воспламенения суррогата при 20 бар лучше согласуется с задержкой воспламенения бензина при 40 бар. Время задержки воспламенения в области NTC и низких температурах для коэффициента эквивалентности, равного 0.3 выше, чем в бензиновых данных. Однако первое сценическое задержка зажигания TRF Surrogate ближе к экспериментам бензина, чем суррогат PRF87, как показано на рисунках 13 и 14.


PRF87

изо-алканы (мольное,%)
Ic 8 H 18 86 86 N-alkanes (моляр,%)
NC 7 H 16 14
C 6 H 5 CH 3 0
Отношение H/C 2.254
RON / MON 97/87 87/87
Удельная гравитация @ 15.56 ° C (GR / CM 3 ) 0.6892
Net Отопительное значение (MJ / KG) 44.64
94.12 / 9165

Хаос и др. [12] Vanhove et al. [11] Khan [32]


Iso-Alkanes (моляр,%)
IC 8 H 18 68.7 47 47 40.6 40.6
N-Alkanes (моляр,%)
NC 7 H 16 10.3 0 13
Cyclo-alkanes (моляр,%)
C7H24
0 0 0
C 6 H 5 CH 3 21 35 40.7
Olefins (моляр,%)
1-C 5 H 10 0 0 5.7
1-C 6 H 12 12 0 18 0
H / C Соотношение 2,0416 1.8409 1.8121
94.12 / 91.78 103.68 / 94.59 93 .51 / 88.31
Удельные гравитации @ 15.56 ° C (GR / CM 3 ) 0.7152 0.7338 0.7421 0.7421
Net Отопительное значение (MJ / KG) 43.94 43.44 43.44 43.44 43.44 3.3. Ванхов и др. Суррогат

Vanhove et al. В работе [11] изучалось самовоспламенение пяти неразбавленных стехиометрических смесей: н-гептан/толуол, изооктан/толуол, изооктан/1-гексен, 1-гексен/толуол и изооктан/1-гексен/толуол в РКМ для температур ниже 900 К.В их работе измерялись задержка воспламенения первой ступени, общая задержка воспламенения и некоторые промежуточные частицы. Был предложен заменитель бензина с составом смеси изооктан/1-гексен/толуол, как показано в таблице 10. Общая задержка воспламенения заменителя бензина Ванхова и др. показана на рисунке 13. Заменитель не показал первого -ступенчатое самовоспламенение на обедненной смеси. Октановое число и общая задержка воспламенения заменителя выше, чем данные RD387, как показано в таблице 10 и на рисунке 13.Заменитель был в основном разработан для европейского бензина, который имеет более высокое октановое число, чем американский бензин.

3.4. Khan Surrogate

Khan [32] сформулировал замещающую смесь, имеющую такое же соотношение углеводородных групп, октановое число и реакционную способность при низких и средних температурах, что и некоторые стандартные отраслевые топлива, такие как эталонное топливо A (RFA) от Auto/Oil Air Quality. Программа исследований по улучшению, индолен (сертификационное топливо) и стандартное тестовое топливо от Ford.Соотношение H/C и октановое число заменителя близки к RD387, как показано в таблице 10. Lenhert et al. В работе [141] исследована реакционная способность заменителя бензина Хана в проточном реакторе в низко- и промежуточно-температурном режимах (600–800 К) при повышенном давлении (8 атм). Профили видов топлива в зависимости от температуры реактора сравнивались с экспериментальными данными для исследования и проверки суррогатных характеристик в [141]. Полное время задержки воспламенения и время задержки воспламенения первой ступени моделируются и сравниваются с результатами экспериментов, как показано на рисунках 13 и 14.Общее поведение задержки воспламенения Хана близко к Chaos et al. [12] и бензиновое топливо; однако время задержки воспламенения при низких температурах завышено по сравнению с бензином в условиях очень обедненной смеси (т. е. Φ=0,3). Задержка воспламенения первой ступени заменителя согласуется с данными по бензину, как показано на рисунке 14.

3.5. Наик и др. Суррогат

Naik et al. [33] разработали три суррогата для самовоспламенения бензина в бедных условиях для моделирования сгорания двигателя HCCI.Состав смеси заменителей включает изооктан, н-гептан, 1-пентен, толуол и метилциклогексан, которые представляют собой все углеводородные группы в неоксигенированном бензиновом топливе. Методология суррогатной разработки не обсуждалась, и результаты оценивались с использованием истории давления сгорания двигателя HCCI и данных ударной трубы. Состав заменителей показан в таблице 11. Второй заменитель имеет более близкие физико-химические свойства (октановое число, теплота сгорания и задержка воспламенения) к бензину, чем два других заменителя.Только одна кривая дистилляции из исследования показана на рисунке 10, поскольку все три заменителя имеют одинаковую кривую дистилляции; ни один из них не может точно представить кривую дистилляции бензина. Общее время задержки воспламенения и время задержки воспламенения первой ступени трех заменителей сравниваются с данными задержки воспламенения RD387, как показано на рисунках 15 и 16. Полное время задержки воспламенения второй смеси очень близко к экспериментальным данным, в то время как время задержки воспламенения первой ступени времена задержки воспламенения смесей 1 и 2 аналогичны таковым у бензина.

9 9035 0 20 0 93.7 / 91.8 0.7295

смеси # 2 смеси № 2


Iso-Alkanes (моляр,%)
H IC 8 H 8 H 18 60133 60365 40 9 40 9
N-Alkanes (моляр,%)
NC 7 H 16 H 16 9 9 8 10 20
C7H24 8 40 9 30
Ароматические средства (моляр,%)
C 6 H 5 CH 3 10 10 10
Olefins (моляр,%)
9 5 H 10 4 0
Соотношение H/C 2.02 2.05 2.05 2.08 2,08
RON / Mon 93.7 / 91.8 93.7 / 91.8 83.1 / 84.2 77.0 / 76.1
Удельные гравитации @ 15,56 ° C (GR / CM 3 ) 0.7185 0.7295 0.7214
Чистая тепловое отопление (MJ / KG) 43.94 43.94 44.02




3.6. Мель и др. Суррогат

Mehl et al. [13] разработали четырехкомпонентный заменитель, включающий изооктан, н-гептан, толуол и 2-пентен, как показано в таблице 12, который, как было установлено, имитирует ламинарную скорость пламени и время задержки воспламенения целевого бензина (RD387). до хорошего уровня согласия. Кривая перегонки суррогата показана на рисунке 10 и не соответствует кривой перегонки бензина. Механизм суррогата был разработан путем выделения подробного кинетического механизма вида, начиная с подробного механизма PRF.Заменитель бензина моделировали в условиях RCM и ударной трубы и сравнивали с экспериментальными данными RD387 [19, 23]. Это сравнительное исследование полной и первой задержек воспламенения повторяется и показано на рисунках 17 и 18. Имитация задержки воспламенения выше, чем у бензина в области NTC при коэффициенте эквивалентности 0,3, как показано на рисунке 17. Однако первая ступень время задержки воспламенения достаточно хорошо предсказало значения и тенденцию задержки воспламенения бензина, как показано на рисунке 18. Общая задержка воспламенения суррогата почти идентична Naik et al.[33] вторая суррогатная задержка воспламенения, обе из которых близки к задержке воспламенения бензина. Заменитель и механизм Mehl et al. [13] следует проверить экспериментально, поскольку суррогат не был экспериментально подтвержден, в отличие от ранее упомянутых суррогатов, таких как PRF или TRF.

[13]
9032 26

Gauthier et al. [10], Mixture#1 Gauthier et al.[10], Mixture#2 Samimi Abianeh et al. [19]

Iso-Alkanes (моляр,%)
IC 5 H 12 0 0 0 10.1
IC 6 H 14 9 14 14 0 0 0 8.87
IC 8 H 18 48.8 56 56 63 63 23.4 23.40365
N-Alkanes (моляр,%)
NC 5 H 12 0 0 0 7.32 7.32 7.32 NC 7 H 7 H 16 9 16 15.3 17 17 0
NC 12 H 26 0 0 0 5.17
цикло-алкан (моляр,%)
0 0 0 0 0
0
Aromatication
C 6 CH 5 CH 3 CH 3 30.6 28 20 20 9
Olefins (моляр,%)
 2-C 5 H 10 5.3 0 0 9,66
Н / С отношение 1,926 1,9718 2,0524 1,849
РОН / ПН 89,5 / 85,7 88.95 / 85.81 87.42 /85.22 88.8 / 845 88.8 / 84.5
Удельные гравитации @ 15.56 ° C (GR / CM 3 ) 0.7272 0.7239 0.7275 0.7275
Net Отопировка нагревательства (MJ / KG) 43.57 43.69 43.96 43.96 43.40




3.7. Готье и др. Суррогат

Gauthier et al. [10] изучали характеристики самовоспламенения смесей н-гептан/воздух, бензин/воздух и двух тройных заменителей бензина/воздух с использованием ударной трубы в режиме высокого давления и низкой температуры, аналогичном условиям в HCCI-двигателе. Два трехкомпонентных заменителя бензина для RD387 были разработаны с учетом времени задержки воспламенения бензина, как показано в таблице 12.Задержки воспламенения заменителей были подтверждены для температур от 850 К до 1250 К, давлений от 15 до 60 атм, коэффициентов эквивалентности 0,5, 1,0 и 2,0 и нагрузок рециркуляции выхлопных газов от 0 до 30% с использованием ударной трубы. Как показано в Таблице 12, отношение Н/С заменителей не близко к соотношению бензина РД387. Кривая перегонки заменителя показана на рисунке 10 и не соответствует кривой перегонки бензина. Как показано на рисунках 17 и 18, нет существенной разницы между временем задержки воспламенения двух суррогатов.Внимательно изучив эти результаты, можно сделать следующие два вывода: (1) небольшие изменения октанового числа (±2) или отношения H/C (±4%) не влияют на время задержки воспламенения и (2) октановое число и/или отношение H/C более важны, чем состав смеси для разработки заменителя, поскольку массовая доля толуола в исследованных смесях варьировалась в пределах 33% между двумя заменителями с незначительным влиянием на время задержки воспламенения. Поведение задержки воспламенения Gauthier et al. [10] и Chaos et al.[12] (рис. 13 и 14) практически идентичны и близки к данным по задержке воспламенения бензина.

3.8. Самими Абиане и др. Суррогатная мать

Samimi Abianeh et al. [19] разработали методологию рецептуры заменителя бензина на основе основных физических и химических свойств целевого бензинового топлива. С помощью предложенной процедуры был идентифицирован суррогат с семью компонентами для имитации физических и химических характеристик реального неоксигенированного бензинового топлива РД387.Суррогатный кинетический механизм был разработан путем объединения доступных подробных кинетических механизмов из библиотеки Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса [142]. Состав суррогатной смеси был впервые определен путем поиска наилучшего соответствия первичным мишеням с использованием генетического алгоритма и минимизации Пауэлла. Основными целями для суррогатной рецептуры были кривая перегонки, соотношение H/C, октановые числа (RON и MON), теплотворная способность и плотность бензинового топлива. Время задержки воспламенения было определено как второстепенная цель, поскольку оно требует расчета с кинетическим механизмом и, следовательно, требует больших вычислительных ресурсов.Состав смеси заменителя показан в таблице 12, а кривая перегонки представлена ​​на рисунке 10. Соотношение Н/С, октановое число, плотность, теплотворная способность и кривая перегонки заменителя аналогичны бензину РД387. Ни одна из суррогатных кривых дистилляции в текущем исследовании не соответствует данным по бензину, за исключением суррогатной кривой, разработанной Samimi Abianeh et al. Заменитель воспроизводит физические свойства бензина лучше, чем другие заменители, изученные в данной работе. Задержка воспламенения заменителя показана на рисунках 17 и 18.Суммарная задержка воспламенения близка к данным задержки воспламенения бензина, при этом область NTC хорошо воспроизводится. Задержка воспламенения первой ступени заменителя имеет примерно такое же значение и тенденцию, что и бензиновое топливо, как показано на рисунке 18. Заменитель Samimi Abianeh et al. [19] включает ряд углеводородов от C 5 до C . 12 , который охватывает температуру кипения бензина от 60°C до 150°C. Заменитель и механизм должны быть проверены экспериментально с помощью ударной трубы и RCM.

Для исследования эффективности заменителя и кинетической модели смоделированная скорость ламинарного пламени нескольких обсуждаемых заменителей бензина и измеренное бензиновое топливо показаны на рисунке 19. Измерения скорости ламинарного пламени для товарного бензина европейского стандарта (EN 228) с ОЧ/ MON 95/85 были выполнены Jerzembeck et al. [34] с использованием бомбы постоянного объема в условиях, соответствующих двигателю. Хотя о составе и физических свойствах бензина EN 228 не сообщается, ожидается, что они не будут такими же, как у бензина RD387, поскольку EN 228 обычно содержит этанол или другие оксигенаты в количестве ~ 5% по объему жидкости.Несмотря на существенную разницу между октановыми числами этих заменителей (от 87 до 94), моделируемые ими ламинарные скорости пламени близки и находятся в пределах неопределенностей измеренных данных. В бедных условиях смоделированные скорости ламинарного пламени всех смоделированных заменителей одинаковы, а пиковая скорость ламинарного пламени возникает при коэффициенте эквивалентности около 1,05; это значение равно 1,1 для измеренных данных. Существует хорошее соответствие между моделированием и экспериментами для стехиометрических и бедных топливно-воздушных смесей, но обе модели занижают измеренные скорости ламинарного пламени для богатых топливно-воздушных смесей в условиях высокого давления (т.г., 20 и 25 бар). Эти расхождения могут быть связаны с тем, что суррогатные смеси, разработанные для имитации неоксигенированного бензина RD387, неадекватно представляют бензин EN 228, который может содержать этанол (около 5%) или другие кислородсодержащие компоненты. Смоделированная ламинарная скорость пламени, даже для PRF, ниже, чем то, что сообщается в смоделированных данных, например, Jerzembeck et al. [34] или Mehl et al. [13]. Как обсуждалось в [19], это могло быть связано с удалением некоторых важных частиц и реакций при редукции механизма в работах Jerzembeck et al.[34] и Mehl et al. [13].


3.9. Анализ чувствительности

Анализ чувствительности был проведен для выявления реакций в рамках текущего механизма [19], которые влияют на время задержки воспламенения в условиях постоянного объема при начальной температуре 720 К и 900 К, начальном давлении 40 бар и коэффициент эквивалентности топлива и воздуха, равный 1. Эти условия были основаны на соответствующих данных RCM и современных двигателях с воспламенением от сжатия, найденных в литературе.Анализ чувствительности первого порядка температуры газа по отношению к коэффициенту скорости реакции был проведен на коэффициентах скорости реакции механизма. Температурный порог 0,1 был использован для идентификации основных реакций. Поскольку анализ чувствительности зависит от суррогатных компонентов, суррогат с несколькими компонентами Samimi Abianeh et al. [19] был выбран для анализа чувствительности. Результаты анализа чувствительности показаны на рисунках 20 и 21. Результаты были получены путем удвоения предэкспоненциального фактора А для каждого важного коэффициента скорости реакции в кинетическом механизме, который был найден с помощью анализа чувствительности первого порядка на предыдущем этапе. .Чувствительность, определяемая как , использовалась для оценки влияния конкретной константы скорости на общую задержку воспламенения. Отрицательная чувствительность означает, что более короткая задержка воспламенения является результатом удвоения предэкспоненциального фактора и что интересующая реакция способствует или ускоряет общую скорость реакции. Резюме анализа чувствительности выглядит следующим образом: (1) Реакции разложения изооктана, н-додекана, толуола и 2-пентена являются наиболее доминирующими реакциями среди других реакций в кинетической модели при низких и умеренных температурах.Изменение их коэффициентов реакции значительно влияет на задержку воспламенения. (2) Реакции разложения изооктана (iC 8 H 18 ) на изомеры C 8 H 17 с агрессивным гидроксидом значительно изменяют задержку воспламенения при низких температурах. (3) Реакция H 2 O 2 (+M) = 2OH (+M) более важна при умеренных температурах. Учитывая энергию активации разложения H 2 O 2 , эта реакция протекает только при температурах от умеренных до высоких и существенно изменяет задержку воспламенения в этом диапазоне.(4) Реакции разложения додекана (nC 12 H 26 ) до C 12 H 25 важны как при низких, так и при умеренных температурах, и это связано с низкой энергией активации разложения н-додекана до C . 12 H 25 изомеры. Удвоение скорости реакции всегда уменьшает время задержки воспламенения независимо от образующихся изомеров (C 12 H 25 ). значительно изменить задержку воспламенения как при низких, так и при умеренных температурах.Это может быть вызвано очень низкой энергией активации толуола. Реакции разложения (6)2-пентена до C 5 H 9 путем атаки на гидроксид важны только при низких температурах из-за низкой энергии активации олефина. Увеличение скорости реакции значительно увеличит задержку воспламенения.



4. Резюме

Конечной целью разработки заменителя является имитация всех химических и физических свойств целевого топлива.Существуют две отдельные цели разработки заменителей топлива: физические свойства (такие как кривая дистилляции, плотность, теплопроводность и т. д.) и характеристики горения (такие как время задержки воспламенения и скорость ламинарного пламени). Существует небольшое количество работ, в которых изучается влияние физических свойств на характеристики сгорания или разрабатывается заменитель бензина для решения обеих этих задач. Экспериментальные данные сосредоточены на характеристиках сгорания (например, самовоспламенение бензина) и измеряются с помощью ударных трубок и RCM.Эти методы не учитывают влияние физических свойств топлива (таких как плотность и кривая дистилляции) и, следовательно, не содержат необходимой информации.

Кроме того, кинетические модели некоторых основных компонентов топливно-бензиновой смеси, обсуждаемые в этой статье, до сих пор неизвестны или еще не проверены. Разработка кинетических моделей этих компонентов может помочь разработать более надежный суррогат.

Некоторые усовершенствованные заменители бензина и кинетические модели были проверены путем сравнения смоделированной суррогатной задержки воспламенения с реальными данными о бензине.Эти заменители и их кинетические данные должны быть проверены путем экспериментального изготовления и проверки заменителей, чтобы проверить надежность механизма, прежде чем сравнивать результаты с экспериментальными данными для бензина.

Ни один из передовых, недавно созданных заменителей, которые обсуждались ранее (т. е. те, которые способны имитировать задержку воспламенения бензина во всем диапазоне температур, такие как заменитель Мела и др. [13]), не использовались. в коде CFD для моделирования сгорания двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием, за исключением заменителей PRF и TRF.Этот тип моделирования и сравнения с экспериментами может показать влияние физических свойств на проникновение аэрозоля, самовоспламенение и взаимодействие между этими свойствами в реальных инженерных приложениях. Общая цель этих суррогатов состоит в том, чтобы уменьшить вычислительную нагрузку при моделировании сжигания этих видов топлива, чтобы ускорить разработку усовершенствованных систем сжигания.

Заменители разрабатываются в зависимости от условий работы (например, низкие температуры по сравнению с высокими температурами), области применения (например,например, двигатель SI по сравнению с двигателем HCCI) и целевые свойства (например, кривая дистилляции, плотность и т. д.). Как показано в статье, моделируемая ламинарная скорость пламени обсуждаемых суррогатов примерно такая же, как и измеренные данные; однако время задержки воспламенения у них существенно различается. Таким образом, для двигателей SI, в которых пламя инициируется искрой, эти заменители можно использовать для моделирования характеристик сгорания, например, местоположения пикового давления. Однако, если цель состоит в том, чтобы предсказать детонацию в двигателях SI или производительность двигателей HCCI, необходим суррогат, который может имитировать время задержки воспламенения бензина.

Оксигенированное бензиновое топливо является преобладающим транспортным топливом в США. Несмотря на это, самовоспламенение этих топлив (например, Е10 и Е85) не проводилось, а разрабатываемые в настоящее время заменители не обладают предсказательной способностью. Это, вероятно, связано с добавлением путей реакции этанола, добавленных к предыдущим заменителям бензина (например, TRF и PRF) без какого-либо анализа критических физических и химических характеристик. В будущем необходимо провести работу по измерению характеристик этих кислородсодержащих видов топлива и разработке более точных суррогатных моделей.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Благодарности

Исследования частично спонсировались Военной исследовательской лабораторией и проводились в соответствии с Соглашением о сотрудничестве номер W911NF-18-2-0042. Взгляды и выводы, содержащиеся в этом документе, принадлежат авторам и не должны интерпретироваться как представляющие официальную политику, выраженную или подразумеваемую, Армейской исследовательской лаборатории или правительства США.Правительство США имеет право воспроизводить и распространять репринты для правительственных целей, несмотря на какие-либо примечания об авторских правах.

Процесс переработки сырой нефти в бензин, дизельное топливо и другие виды топлива

Переработка топлива представляет собой сложный процесс. Посмотрите это видео Into the Outdoors, в котором рассказывается о нефтеперерабатывающем заводе в Пайн-Бенд и описывается процесс переработки нефти в доступной для всех возрастов форме.

Перегонка

Сырая нефть доставляется в Пайн-Бенд по ряду трубопроводов, протянувшихся через Соединенные Штаты и Канаду.Сырая нефть содержит смесь молекул, которые выкачиваются или добываются из подземных резервуаров. В своем естественном состоянии он имеет очень небольшую ценность, поэтому Pine Bend отделяет молекулы друг от друга путем перегонки смеси на бензин, пропан и асфальт. Каждая молекула сырой нефти кипит при разной температуре, что является основой дистилляции.

Удаление примесей

После процесса дистилляции Pine Bend очищает разделенные смеси для удаления примесей, которые могут вызывать выбросы при сгорании топливных продуктов.

В процессе гидроочистки используется водород и катализатор для удаления серы из нефти путем ее преобразования в сероводород. Удаление серы необходимо для защиты процессов нефтепереработки и минимизации выбросов от транспортных средств. Каждый день около 1000 тонн серы удаляются из нашей нефти и перерабатываются на наших серных заводах. Сера продается для использования в производстве удобрений, серной кислоты и различных фармацевтических продуктов, таких как антибиотики.

Крекинг

Следующий шаг в процессе очистки – крекинг – разбивает большие молекулы на множество маленьких.Это помогает преобразовать материалы в дистиллированном продукте в очень желательные. Существует два типа механизмов взлома:

  • Термический : Нагрев дистиллированного продукта до 900°F для разрушения молекул, в основном для производства бензина и дизельного топлива. Термический крекинг неселективен и не поддается регулировке.
  • Катализатор : Использование катализатора для ускорения расщепления больших молекул атомов углерода на более мелкие молекулы при температурах 960–1000 °F.Каталитический крекинг является селективным и при необходимости может быть скорректирован.

После процесса крекинга катализаторы улавливаются электростатическим фильтром — самым большим отдельным оборудованием в Пайн-Бенд — для сокращения выбросов. На металлические пластины, которые притягивают частицы катализатора, подается ток высокого напряжения. Молоток стучит по пластинам, и катализатор падает в мусорное ведро для утилизации. В Pine Bend 100 % катализаторной мелочи повторно используется в производстве портландцемента.

Полимеризация

После разделения молекулы объединяются в более крупные молекулы. Например, пропан и бутан превращаются в молекулы с восемью атомами углерода, которые затем смешиваются с бензином.

Бензиновая смесь

Каждый отдельный продукт нефтепереработки отправляется в большой резервуар для хранения. На данный момент ни один из отдельных бензиновых продуктов не соответствует спецификациям для потребительского использования. Бензиновые продукты комбинируются таким образом, чтобы удовлетворять спецификациям, подлежащим сертификации для продажи.Pine Bend производит более 100 марок бензина.

Вода

Вода, подаваемая на нефтеперерабатывающий завод Pine Bend по системе из семи скважин, является неотъемлемой частью процесса нефтепереработки. Он используется для получения пара, охлаждения процесса и уменьшения коррозии.

Охлаждающая вода циркулирует в теплообменниках по всему нефтеперерабатывающему заводу, где она охлаждает технологические потоки. Нагретая охлаждающая вода возвращается в градирню, где повторно охлаждается большими вентиляторами в процессе испарения.Приблизительно 2000 галлонов воды в минуту испаряется на пяти градирнях Pine Bend. Вся вода, которая не уходит с завода путем испарения, очищается на очистных сооружениях. Примерно через два-три дня очистки чистая вода сбрасывается в реку Миссисипи.

Тестирование

Лабораторный анализ является важным способом контроля наших процессов и обеспечения соблюдения нормативных требований. Лаборатория Pine Bend работает круглосуточно и ежемесячно обрабатывает около 35 000 тестов.

Распределение

Трубопроводы доставляют подавляющее большинство бензина и дизельного топлива на терминалы, где продукт затем загружается на грузовики и доставляется на розничные АЗС. Другие распространяемые продукты включают серу, асфальт, нефтяной кокс, пропан, бутан и авиационный бензин.

Для получения дополнительной информации прочитайте наш Обзор переработки нефти и природного газа.

Бензин, яблоки Whole Foods и все остальное «органическое» — некоторые заметки по химии окружающей среды от Даниэль Х.Фриман

Что означает, что химическое вещество является органическим? Сам этот вопрос может смутить некоторых читателей. Вне химических лабораторий и классных комнат многие люди думают о слове «органический» в контексте описания пищи, выращенной без синтетических пестицидов. Точно так же многие люди думают, что синтетические пестициды являются синонимами слова «химический», поэтому идея «химического вещества», которое также является «органическим», может показаться оксюмороном. У вас были бы причины смутиться: то, как мы используем научные слова, говоря о еде, иногда приводит к смехотворным искажениям.Недавно я купил немного базилика, на упаковке которого было написано «биологически выращенный». Как можно вырастить базилик небиологически, для меня загадка, но я приветствую предложения.

На самом деле слово «органический» в химической лаборатории имеет совсем другое значение, чем в продуктовом магазине. Чтобы химическое вещество было органическим, все, что ему нужно, — это состоять из атомов углерода (представленных буквой C) с присоединенными к ним атомами водорода (представленными буквой H). К нему также могут быть присоединены другие атомы, чаще всего кислород (O) или азот (N), но основу органической молекулы всегда составляют C и H.Простейшей органической молекулой является метан, представляющий собой всего лишь атом углерода, связанный с четырьмя атомами водорода. На приведенном ниже рисунке метана линии обозначают химические связи между C и H:

.

Метан

Структура метана может рассказать нам некоторые важные вещи о том, как работают органические молекулы и почему они настолько важны, чтобы иметь свой собственный химический таксономический класс. Как вы заметили на картинке выше, углерод имеет четыре связи с водородом. В химии существует правило, согласно которому каждый элемент может образовывать только определенное количество связей с другими элементами в зависимости от того, где они расположены в периодической таблице.Углерод всегда находится в своей наиболее стабильной форме, когда он образует четыре связи с другими атомами: больше этого он никогда не создаст. Если вы уберете одну из этих связей, так что останутся только три, атом углерода сойдет с ума и сделает все возможное, чтобы восстановить недостающую связь; он слишком нестабилен, чтобы долго существовать без него. Это то, что часто приводит к химической реакции. Например, если вы смешаете немного метана с газообразным хлором и подвергнете его воздействию света высокой энергии, сформируется радикал хлора (очень реактивная форма атома хлора, нарисованная так: Cl·).Радикал хлора разрывает одну из связей между С и Н, оставляя после себя реакционноспособный метильный радикал. Затем нестабильный метильный радикал похитит атом хлора из газообразного хлора, чтобы удовлетворить свою потребность в четвертой связи. Мы можем нарисовать эту реакцию так:

Молекула продукта, хлорметан, встречается в природе на поверхности моря, производится синтетическим путем для использования химиками в лаборатории, токсична при высоких концентрациях, а также является органической, поскольку в ней присутствуют связи C-H [1-2].

Тот факт, что углерод находится в своей наиболее стабильной форме, когда он имеет четыре связи с другими атомами, оказывается очень важным. Это позволяет углероду образовывать длинные цепочки, в которых каждый C присоединен по крайней мере к одному другому C, а остальные связи удовлетворяются атомами H. Например, если в предыдущем примере мы заменили один из H в метане другой группой CH (называемой метильной группой), мы получили бы эту молекулу, этан:

Этан

Мы можем продолжать добавлять метильные группы таким образом, чтобы получить все более и более длинные цепочки атомов углерода и водорода.Эти цепи называются углеводородами. Углеводород ниже, с восемью атомами углерода в цепи, называется октаном. Слово октан может показаться знакомым; это основной компонент бензина.

Октан

Когда мы добираемся до сверхдлинных углеводородных цепочек, таких как октан, требуется много времени, чтобы выписать все C и H и линии связи между ними, поэтому химики-органики используют сокращение, называемое структурами линии связи. В виде линейной структуры октановое число выглядит так:

.

Линейная структура октана

Зигзагообразный язык пиктограмм структур линий связи пугает многих начинающих студентов, изучающих органическую химию, но вы можете научиться читать эти структуры быстро и легко.В приведенной выше структуре линии связи каждый угол и каждая конечная точка представляют собой атом углерода. Зигзагообразные линии указывают на связи между атомами углерода, а линии связи с атомами H не нарисованы. Как же тогда узнать, сколько H присутствует? Читая структуры линий связи, мы предполагаем, что каждый атом углерода находится в своей наиболее стабильной форме с четырьмя связями с другими атомами. Итак, если углерод находится в середине цепи с двумя связями с другими атомами углерода, мы знаем, что к этому углероду также должны быть присоединены две Н.Они просто не втягиваются. Если углерод находится в конце цепи и имеет только одну связь с другим углеродом, это означает, что к нему должны быть присоединены три H. Диаграмма ниже может помочь, если вы все еще запутались:

Расположение неявных атомов водорода в структуре линии связи

Углеводороды с прямой цепью, такие как октан, являются простейшими органическими молекулами. Но поскольку углерод может образовывать четыре связи, мы также можем создавать другие геометрические расположения C и H.Заменяя связи C-H новыми связями C-C в разных положениях, мы можем получить разветвленные углеводороды и кольца:

.

Органические соединения с ответвлениями и кольцами

Мы также можем функционализировать, что является словарным словом органической химии для замены атомов C или H в углеводороде другими атомами, такими как O или N. Альтернативно, мы можем сделать двойные или даже тройные связи между атомами углерода, уменьшая количество Атомов C к другим молекулам:

 

Функционализированные органические соединения

Когда химики-органики проводят реакции в лабораторных условиях, они разрывают связи, меняют местами атомы и изменяют геометрическое расположение молекул вот так.Это похоже на игру с Лего, за исключением того факта, что Лего имеют размер порядка 10 -12 метров и также являются основными строительными блоками всего нашего материального мира. Это довольно круто. Также довольно страшно осознавать, что у нас есть сила изменить наш материальный мир на самом фундаментальном уровне, создавая новые молекулы, которых, возможно, никогда не существовало в природе.

Почему нас волнует тот факт, что углерод может создавать такие протяженные молекулы? Нас это волнует, потому что это не очень распространено.Большинство других элементов этого не делают, в значительной степени потому, что большинство других элементов не образуют четырех связей с другими атомами. Кислород, например, образует только две связи с другими атомами. Водород делает только один. Когда эти элементы соединяются друг с другом, они образуют лишь жалкие двухатомные молекулы газа, O и H 2 . Но четыре связи углерода позволяют ему строить органические молекулы невероятного размера и разнообразия, некоторые газы (например, метан), некоторые жидкости (например, октан) и некоторые твердые вещества, такие как сахара, жиры и белки, а также всевозможные пластмассы.

Это подводит меня к первой причине, почему стоит понимать, что означает «органический» в химическом контексте. Органические молекулы являются основой жизни, какой мы ее знаем, поэтому в просторечии слово «органический» ассоциируется с полезным или естественным. Отсюда и идея «органической» еды. Надеюсь, вы уже поняли, что эта ассоциация неудачна с научной точки зрения. Органические молекулы составляют большую часть нашего природного мира; они также являются основой большинства синтетических веществ, которые мы используем.Для меня суть в том, что различие между природным и синтетическим зачастую бесполезно, когда мы размышляем о роли органических молекул в нашем мире, независимо от того, являются ли они безопасными или токсичными. Полезнее смотреть на сами химические структуры, чтобы оценить их поведение в окружающем нас мире.

Есть и вторая причина, по которой стоит идти по жизни, зная определение органической химии: оно напоминает нам, из чего на самом деле состоит наш материальный мир. Вот что прекрасно в химии: на самом деле это не что-то абстрактное, неосязаемое, чуждое.Конечно, структуры линий связи — это абстракция, двойственные волновые и корпускулярные свойства электронов делают их неосязаемыми, и я думаю, что очень немногие люди не найдут теорию молекулярных орбиталей чуждой. Но на самом деле все эти абстрактные, неосязаемые, кажущиеся чужеродными способы передачи информации о химии являются средством объяснения наиболее конкретных, осязаемых и локальных вещей в окружающем нас мире. Когда я выхожу из здания, в котором работаю, уставший от многочасового чтения научных статей, я с изумлением вспоминаю, что те органические молекулы, о которых я только что читал, составляют деревья и траву вокруг меня, что эти геометрические соединения в основном C, H, N, O каким-то образом собрались в такие разные материалы, как кора деревьев, пыльца и крылья бабочки.Тогда я думаю о структурах линий связи в органической химии и о других способах представления химических структур и поведения, как о своего рода импрессионистской живописи основ нашего материального мира, о нашем способе постижения реальности, столь поразительно сложной, красивой и конкретный, который невозможно передать с той детализацией, которой он заслуживает.

Каталожные номера:

[1] Сингх, HB; Салас, LJ; Шигейши, Х .; Скрибнер, Э. Атмосферные галоидоуглеводороды, углеводороды и гексафторид серы: глобальное распределение, источники и поглотители.Наука. 1979. [2] Заявление общественного здравоохранения о хлорметане. Агентство регистрации токсичных веществ и заболеваний. CDC. Декабрь 1998 г. https://www.atsdr.cdc.gov. По состоянию на 4 августа 2019 г.

Благодарности:

Спасибо Анне Уолш и Бриане Прадо за их отзывы о черновике этого поста.

Что такое октановое число в бензине? – Kendrick Oil

Если вы подъедете к типичной бензоколонке в Соединенных Штатах, у вас будет от двух до пяти вариантов бензина, который вы можете закачивать.Различия в типах бензина основаны на октановом числе топлива. Октан измеряет характеристики моторного топлива. Это измерение показывает, какое сжатие должно быть приложено к топливу, прежде чем оно самовозгорается. Чем выше рейтинг, тем выше степень сжатия. Этот рейтинг важен, когда речь идет о работе двигателя.

Почему важно октановое число?

Автомобили, работающие на бензине, используют двигатели внутреннего сгорания. В этих двигателях используются свечи зажигания для воспламенения бензино-воздушной смеси.Этот миниатюрный взрыв заставляет поршни в двигателе двигаться наружу, что приводит к вращению коленчатого вала. Поворот коленчатого вала передает мощность через трансмиссию на колеса.

Одной из самых больших проблем, обнаруженных в первые дни автомобилей с газовым двигателем, был стук в двигателях. Детонация происходит, когда смесь бензина и воздуха воспламеняется преждевременно, в результате чего поршень ударяется о коллекторы двигателя. Это преждевременное зажигание происходит потому, что компрессия в двигателе достаточно высока, чтобы воспламенить бензин без свечи зажигания.

Топливо с более высоким рейтингом имеет меньше шансов вызвать детонацию двигателя. В высокопроизводительных двигателях, которые используют высокие уровни сжатия внутри двигателя, потребность в топливе с высоким октановым числом имеет решающее значение.

Что означают октановые числа?

Самый низкий октановый индекс, продаваемый на большинстве рынков США, равен 87. Самый высокий обычно равен 91. Другие доступные рейтинги включают 88, 89 и 90. Что на самом деле означают все эти цифры?

Если вы посмотрите на галлон бензина на молекулярном уровне, вы увидите цепочки атомов углерода и водорода.Эти углеводородные цепи бывают различной длины. Если в цепи семь молекул углерода, она называется гептидом. Если в цепи восемь молекул углерода, она называется октаном.

Молекулы гептида легко воспламеняются при сжатии, а молекулы октана — нет. Чем больше молекул октана в галлоне бензина, тем меньше вероятность его воспламенения при сжатии.

Октановое число относится к процентному содержанию этих молекул в галлоне бензина. Если галлон бензина имеет октановое число 87, это означает, что в нем содержится 87 процентов молекул октана и 13 процентов молекул гептидов.Октановое число 91 означает октановое число 91 процент и гептид 9 процентов.

Многие производители транспортных средств рекомендуют бензин с октановым числом для использования в конкретном автомобиле. Высокопроизводительные спортивные и роскошные автомобили часто нуждаются в топливе с более высоким октановым числом для поддержания максимальной производительности. Потребителям важно ознакомиться с рекомендациями производителя перед покупкой бензина для своего автомобиля.

Розничные торговцы топливом часто продают потребителям два или три сорта бензина. Понимание того, что такое различные октановые числа, является важной частью работы розничного продавца топлива.

Если вам нужно топливо оптом или услуги, связанные с топливом, свяжитесь с нами здесь, в Kendrick Oil, по телефону (800) 299-3991. Вы можете посетить наш веб-сайт для получения полной информации о наших продуктах и ​​услугах. Вы также можете прочитать больше о компании. Не стесняйтесь обращаться к нам по электронной почте с любыми вопросами или комментариями, которые у вас есть.

Каково весовое отношение выделившегося CO2 к сожженному топливу?

Полный вопрос: В нескольких недавних статьях упоминалось количество углекислого газа (CO 2 ), выделяемого при сжигании некоторого количества топлива.Казалось, тонны CO 2 превышали вес топлива. Каково отношение выделившегося CO 2 к сожженному топливу по массе?

Сьюзан Трумбор, профессор и заведующая кафедрой системных наук Калифорнийского университета в Ирвайне, вычисляет ответ на этот вопрос.

Это похоже на вопрос о переводе массы в моли. (Моль — это единица измерения количества вещества, состоящего из атомов, где один моль равен 6.02 x 10 23 единиц этого вещества; 6,02 x 10 23 — химическая константа, известная как число Авогадро.)

При рассмотрении топлива возьмем в качестве примера бензин. Одним из основных компонентов бензина является октан, который состоит из молекул, содержащих восемь атомов углерода и 18 атомов водорода. Вес одного моля молекул октана будет равен сумме весов восьми атомов углерода (по 12 грамм/моль каждого, исходя из массового числа углерода) плюс 18 атомов водорода (по 1 грамм/моль каждого).Итак, посчитав (8 х 12 + 1 х 18), мы видим, что октан весит 114 грамм/моль.

Если вы сожжете весь октан до углекислого газа, каждый из восьми атомов углерода станет частью молекулы CO 2 . Таким образом, у вас будет сожжено восемь молекул CO 2 на одну молекулу октана или восемь молей CO 2 на моль октана. Вес CO 2 составляет 44 грамма на моль (1 x 12 граммов/моль для углерода и 2 x 16 граммов/моль для атомов кислорода).Таким образом, при сжигании одного моля октана (114 граммов) получится восемь молей CO 2 весом 352 грамма (8 x 44).

Таким образом, весовое соотношение CO 2 , произведенного на одну сожженную молекулу октана, составляет 352/114, или примерно 3 к 1.

Фактические весовые коэффициенты, конечно, будут отличаться, поскольку бензин не является чисто октановым числом. Однако в целом, когда вы сжигаете углеродное топливо, оно находится в «восстановленной» форме, то есть углерод в молекулах в основном связан с атомами водорода.Когда они сгорают, углерод «окисляется» (буквально соединяется с кислородом) с образованием CO 2 .