Конспект лекций. Москва 2006



страница1/9
Дата02.05.2016
Размер1.15 Mb.
ТипКонспект
  1   2   3   4   5   6   7   8   9


Федеральное агентство по образованию

РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина

А.Д. Макаров

НЕФТЕГАЗОВОЕ ТОВАРОВЕДЕНИЕ
Конспект лекций.

Москва - 2006


ВВЕДЕНИЕ


Нефть - это не только источник получения топлива различных видов и назначений, смазочных и специальных масел, пластичных смазок, рабочих жидкостей для гидравлических систем, парафинов и других продуктов, но и сырье для получения синтетического каучука, пластмасс, полимерных материалов, химических волокон, специальных химических продуктов, а так же некоторых лекарственных препаратов. Из нефти и отходов ее производства производят всем известные и широко применяемые синтетические моющие средства; окислением нефтяных парафинов получают синтетические жирные кислоты, получивших применение в парфюмерной и медицинской промышленности. Без нефтяного кокса не обходятся металлургическая и электротехнические отрасли. Технический углерод (сажа), получаемый из нефти широко используется при производстве шин и резин. Это далеко не полный список продуктов, получаемых из нефти. По мере совершенствования процессов переработки нефти растут количества наименований продуктов и сфера их применения.

От правильного выбора и умелого использования горюче-смазочных (ГСМ) материалов зависит надежность работы и срок службы двигателей внутреннего сгорания и всякого рода техники, включая и космическую. Верный выбор топлива и смазочных материалов и рациональное их применение - решающее условие долговечности и экономичности работы автомобильной техники. Для того чтобы обеспечить последнее необходимо знать:

а) принцип работы агрегата;

б) свойства топлива и смазочных материалов;

в) условия их применения в агрегатах;

г) характер требований, предъявляемых к качеству топлив и смазочных материалов со стороны машин и механизмов.

Свойства топлив, смазочных материалов и других продуктов оцениваются физическими, физико-химическими и другими показателями, определенные численные значения которых строго нормируются государственными стандартами (ГОСТ). Эти численные значения не являются, однако, навсегда установленными. С развитием техники и технологии производства механизмов и нефтепродуктов и возрастанию к ним требований, введенные в ГОСТы константы претерпевают значительные изменения, а также появляются новые показатели. Причина этого в том, что каждый показатель несет ответственность за определенное эксплуатационное свойство или совокупность свойств, и по мере совершенствования техники предъявляются все новые и новые требования к качеству. Так, например, повышение степени сжатия бензинового двигателя возможно только при одновременном улучшении антидетонационных свойств топлива, т.е. при увеличении октанового числа бензина; повышение предельной высоты полета самолета влечет за собой изменение требований к испаряемости авиатоплива; повышение нагрузок в подшипниках бензинового и дизельного двигателей выдвигает требование улучшения вязкостно-температурных и смазочных свойств моторных масел. Вовлечение в машиностроение новых материалов и сплавов вынуждает включению в стандарты новых требований в части предотвращении коррозии и т.п. Таким образом, изменение требований к качеству нефтепродуктов следует за прогрессом в конструировании и эксплуатации машин и механизмов.

Задача данного курса заключается в изучение основных свойств продуктов, получаемых из нефти и газа, улучшения их качества, условий их применения в машинах и агрегатах, а также экономических и экологических проблем производства и применения основных видов топлив, смазочных материалов и других продуктов.


1. НЕФТЬ, ГАЗ И ПРОДУКТЫ ИХ ПЕРЕРАБОТКИ
1.1. Состав и физико-химические свойства нефтей.
Основными элементами, входящими в состав нефти, являются углерод и водород, суммарное содержание которых составляет от 96 до 99,5 % по массе. Колебания в содержании этих двух элементов для нефтей разных месторождений относительно невелики и лежат в пределах 85 - 87 % для углерода и 11 - 14 для водорода. Кроме указанных элементов в состав нефтей входят кислород, азот, сера и зольные вещества, состоящие из соединений калия, натрия, кальция, магния, хлора и других атомов, в том числе и ванадия. Средний элементный состав некоторых нефтей может быть охарактеризован следующими цифрами: углерод - 85,9 - 87,9 %, водород - 12,5 - 13,5 %, кислород - 0.22- 074 %, сера - 0,1 - 2 и более %, азот 0,07 %, зола и пр. - 0,1 %.

Различие в элементном составе нефтей связано с преобладанием в нефти тех или иных классов углеводородов, а также кислородных, сернистых и иных соединений. Основную массу вещества нефти составляют углеводороды трех рядов: метанового ряда (алканы или парафины) характеризуемые общей формулой СnH2n+2, нафтеновые (циклоалканы) типа СnН2n, СnН2n-2, СnН2n-4 и т.д. и ароматические углеводороды с общей формулой СnН2n-6, СnН2n-12 и т.д. Углеводороды олефинового ряда в нефти практически не содержатся.

Кроме углеводородов в нефти содержатся значительные количества кислородных, сернистых и азотистых соединений, которые оказывают отрицательное влияние, как на технологию переработки нефти, так и на свойства нефтепродуктов. К кислородсодержащим соединениям нефти относятся, в первую очередь, нафтеновые кислоты, фенолы и асфальтосмолистые вещества (нейтральные смолы, асфальтены, асфальтогеновые кислоты). Среди сернистых соединений, содержащихся в нефти различают три группы. К первой относятся сероводород и меркаптаны, обладающие кислотными свойствами, а потому и наиболее сильным коррозионным действием. Ко второй группе относятся сульфиды и дисульфиды, которые при температуре 130-1600С начинают распадаться с образованием сероводорода и меркаптанов. В третью группу сернистых соединений входят термически стабильные циклические соединения - тиофаны и тиофены. Азот находится в нефти в виде соединений, обладающих нейтральным или кислым характером. Эти соединения снижают активность катализаторов в процессах деструктивной переработки нефти, вызывают окисление и потемнение нефтепродуктов.

1.2. Состав и свойства природного газа и газовых конденсатов

В отличие от нефти химический состав газа и газовых конденсатов более однородный. Отсюда такие свойства, как химическая и термокислительная стабильность газа и газового конденсата значительно выше, чем у нефти.

Природный газ представляет собой, в основном метан (96-98 %), остальные 2-4 % - это примеси – этан и пропан. Как правило, природный газ и газовые конденсаты проходят на промыслах процедуры очистки и, в связи с этим, практически не содержат таких нежелательных веществ, как соединений серы, азота и кислорода.

Газовые конденсаты представляют собой смесь углеводородов с числом атомов углерода в молекуле от 4-х до 16-18. Это, в основном углеводороды парафинового и нафтенового основания. В связи с этим, газовый конденсат в составе топлив является наиболее желательным компонентом с экологической точки зрения. Фракционный состав газовых конденсатов зависит от специфики месторождения газа и может колебаться в пределах от 28 до 400 0С. Для одних месторождений температура конца кипения газового конденсата может составлять 150-180 0С, для других быть более высокой 350-400 0С. Фракционирование газовых конденсатов позволяет получать из них компоненты моторных топлив- бензина (нк.- 1800С), дизельного (180 – 3500С) и авиакеросинов (150 – 2500С). Однако, низкое октановое число газовых конденсатов ограничивает их применение в качестве компонента товарных бензинов, а практически полное отсутствие ароматических углеводородов не позволяет получать из газовых конденсатов товарных дизельных топлив из-за плохих противоизносных свойств. Поэтому они могут служить лишь компонентами указанных топлив.


1.3. Общая классификация продуктов нефтегазопереработки.

Продукция переработки нефти и газа представляет широкую палитру товарных продуктов, без которых современное общество сегодня не в состоянии обойтись. Это и энергетическое сырье – топлива, смазочные материалы, твердые углеводороды, битумы, мономеры – сырье для нефтехимии. На сегодняшний день газ и газовые конденсаты занимают все большее место, не только как топливо для энергетических установок, но и как сырье для производства ряда видов нефтепродуктов, а именно моторных топлив. Для упрощения восприятия материала обозначим всю группу продукции, вырабатываемую на основе нефти, природного газа и газовых конденсатов одним термином - «нефтепродукты».

Итак, нефтепродукты можно подразделить на следующие виды:

1) топлива.

2) масла;

3) смазки;

4) битумы;

5) твердые углеводороды;

6) смазочно-охлаждающие технологические средства (СОТС);

7) нефтяные растворители;

8) нефтяной кокс;

9) сырье для нефтехимии.

Как уже было отмечено выше, газ и газовые конденсаты используются, в основном, как топлива (природный газ, пропан, бутан) или как компоненты товарных топлив (газоконденсатные фракции 28-180 0С – как компонент автомобильных бензинов, 170- 350 0С – как компонент дизельных топлив) или как нефтяные растворители.

Ниже более подробно будут рассмотрены области применения, основные свойства и классификации основных видов нефтепродуктов.


2. ТОПЛИВА

Жидкие топлива имеют существенные преимущества перед другими видами топлив. К числу преимуществ относятся - высокая калорийность, низкая зольность, а так же удобство в транспортировке и хранении.



Калорийность. Теплотворная способность любого топлива определяется его элементным составом. Содержание водорода в нефтяных топливах в 20-25 раз выше, чем, например, в углях, а содержание кислорода меньше в 10-20 раз. Этим и объясняется высокая теплота сгорания нефтяных топлив, причем, чем больше алкановых углеводородов, тем выше удельная теплота сгорания топлива. Так теплота сгорания различных видов топлив (в кДж/кг) составляет:

- древесина - 11500-12500

- торф - 8000-11500

- бурый уголь - 11000-14000

- антрацит - 30000-32000

- бензин автомобильный - 44000-46000

- авиакеросин - 43000-45000

- топочные мазуты - 41000-44000

- природный газ - 48000-48500

Низкая зольность жидких топлив является очень важным их преимуществом. Отсутствие золы делает возможным применение жидких топлив в двигателях внутреннего сгорания.

Удобства транспортировки и хранения жидких топлив заключается в том, что их можно не только перевозить и хранить в герметически закрытых емкостях (цистернах), что предотвращает попадание инородных примесей, но и транспортировать по трубопроводам (топливопроводам) на значительные расстояния.

Нефтяные топлива по основному назначению можно разделить на пять групп.

В первую группу входят топлива для поршневых двигателей с принудительным воспламенением (с воспламенением от искры) - автомобильные и авиационные бензины.



Ко второй группе относят топлива для поршневых двигателей с воспламенением от сжатия (дизелей) - дизельные топлива.

Третью группу составляют топлива для воздушно-реактивных двигателей - авиакеросины либо реактивные топлива.

Четвертая группа включает топлива для газовых турбин - газотурбинные топлива (тяжелые дистиллятные фракции, в основном прямой перегонки нефти).

Пятая группа - это тяжелые топлива для стационарных котельных установок и энергетических установок различного типа (например, судовых паровых турбин) - топочные и флотские мазуты.
2.1. Эксплуатационные свойства топлив.
Под эксплуатационными свойствами понимают объективные особенности топлива, которые проявляются в процессе применения его в двигателе или агрегате. Процесс сгорания является главнейшим и определяющим его эксплуатационные свойства. Процессу сгорания топлива, безусловно, предшествуют процессы его испарения, воспламенения и многие другие. Характер поведения топлива в каждом из этих процессов и составляет суть основных эксплуатационных свойств топлив. В настоящее время оценивают следующие эксплуатационные свойства топлив.

Испаряемость характеризует способность топлива переходить из жидкого состояния в парообразное. Это свойство формируется из таких показателей качества топлива, как фракционный состав, давление насыщенных паров при различных температурах, поверхностное натяжение и другие. Испаряемость имеет важное значение при подборе топлива и во многом определяет технико-экономические и эксплуатационные характеристики двигателей.

Воспламеняемость характеризует особенности процесса воспламенения смесей паров топлива с воздухом. Оценка этого свойства базируется на таких показателях качества, как температурные и концентрационные пределы воспламенения, температуры вспышки и самовоспламенения и др. Показатель воспламеняемости топлива имеет такое же значение, как и его горючесть; в дальнейшем эти два свойства рассматриваются совместно.

Горючесть определяет эффективность процесса горения топливовоздушных смесей в камерах сгорания двигателей и топочных устройствах.

Прокачиваемость характеризует поведение топлива при перекачке его по трубопроводам и топливным системам, а также при его фильтровании. Это свойство определяет бесперебойность подачи топлива в двигатель при разных температурах эксплуатации. Прокачиваемость топлив оценивают вязкостно-температурными свойствами, температурами помутнения и застывания, предельной температурой фильтруемости, содержанием воды, механических примесей и др.

Склонность к образованию отложений - это способность топлива образовывать отложения различного рода в камерах сгорания, в топливных системах, на впускных и выпускных клапанах. Оценка этого свойства базируется на таких показателях, как зольность, коксуемость, содержание смолистых веществ, непредельных углеводородов и т.д.

Коррозионная активность и совместимость с неметаллическими материалами характеризует способность топлива вызывать коррозионные поражения металлов, набухание, разрушение или изменение свойств резиновых уплотнений, герметиков и других материалов. Это эксплуатационное свойство предусматривает количественную оценку содержания в топливе коррозионно-активных веществ, испытание стойкости различных металлов, резин и герметиков при контакте с топливом.

Защитная способность - это способность топлива защищать от коррозии материалы двигателей и агрегатов при их контакте с агрессивной средой в присутствии топлива и в первую очередь способность топлива защищать металлы от электрохимической коррозии при попадании воды. Данное свойство оценивается специальными методами, предусматривающими воздействие обычной, морской и дождевой воды на металлы в присутствии топлива.

Противоизносные свойства характеризуют уменьшение изнашивания трущихся поверхностей в присутствии топлива. Эти свойства имеют важное значение для двигателей у которых топливные насосы и топливно-регулирующая аппаратура смазывается только самим топливом без использования смазочного материала (например, в плунжерном топливном насосе высокого давления). Свойство оценивается показателями вязкости и смазывающей способности.

Охлаждающая способность определяет возможность топлива поглащать и отводить тепло от нагретых поверхностей при использования топлива в качестве теплоносителя. Оценка свойств базируется на таких показателях качества, как теплоемкость и теплопроводность.

Стабильность характеризует сохраняемость показателей качества топлива при хранении и транспортировки. Это свойство оценивает физическую и химическую стабильность топлива и его склонность к биологическому поражению бактериями, грибками и плесенью. Уровень этого свойства позволяет установить гарантийный срок хранения топлива в различных климатических условиях.

Экологические свойства характеризуют воздействие топлива и продуктов его сгорания на человека и окружающую среду. Оценка этого свойства базируется на показателях токсичности топлива и продуктов его сгорания и пожаро- и взрывоопасности.

2.2. Топлива для двигателей с принудительным воспламенением.


Эти топлива предназначены для поршневых двигателей с воспламенением от искры. Двигатель состоит из одного или нескольких цилиндров, представляющих собой камеру сгорания, внутри которой движется поршень. Поршень, посредством шатуна, соединен с коленчатым валом. Рабочие цилиндры установлены в блоке двигателя. На верхней части двигателя – головке блока имеются свечи зажигания и впускные и выпускные клапаны. Двигатель может состоять из одного или нескольких цилиндров. Попадая в цилиндр двигателя, топливно-воздушная смесь сгорает. Образующиеся, при этом дымовые газы под большим давлением давят на поршень, совершая при этом работу. Поступательное движение поршня преобразуется во вращательное движение коленчатого вала. И уже с вала снимается мощность. Чем до большей степени сжали топливно-воздушную смесь, т.е. чем больше отношение полного объема цилиндра к объему сжатия, тем большую работу совершат дымовые газы. Отношение полного объема цилиндра к объему сжатия называется - степень сжатия. Полный объем цилиндра достигается тогда, когда поршень находится в крайнем нижнем положении, а минимальный объем – объем сжатия – в крайнем верхнем положении. Эти два положения получили названия, соответственно, нижней и верхней мертвых точек, сокращенно н.м.т. и в.м.т. Топливно-воздушная смесь подготавливается в специальном устройстве – карбюраторе. В последнее время стали довольно распространены двигатели с непосредственным впрыском топлива в цилиндры – двигатели с инжектором и прочие. Для того, чтобы топливо быстро и полностью сгорело необходим избыток кислорода. Поетому, воздуха всегда берется больше, чем требуется теоретически. Отношение реального количества воздуха к теоретическому носит название коэффициент избытка воздуха α=GP/GT , где GP и GT соответственно реальное и теоретическое массовое количество воздуха. На горение топлива в таком двигателе особое влияние оказывает испаряемость. В связи с этим их фракционный состав довольно широк – от 35 до 200оС. Такие топлива получают в основном из легких бензиновых фракций нефти. Они получили название – бензины.

Рассмотрим четыре основные такта работы такого двигателя на примере одного цилиндра.



Первый тактвсасывание: поршень из в.м.т. движется вниз, впускной клапан открыт, выпускной закрыт. За счет создаваемого разряжения, в цилиндр поступает топливная смесь.

Второй такт – сжатие: поршень из н.м.т. движется вверх, оба клапана закрыты. При сжатии топливной смеси увеличивается температура, топливо испаряется. В конце такта сжатия, когда поршень находится вблизи в.м.т. на свечу зажигания подается искра и смесь воспламеняется. Образующиеся при сгорании топлива дымовые газы имеют значительно больший объем, вследствие чего, давление в цилиндре резко повышается.

Под действием давления дымовых газов и закрытых обоих клапанах, поршень движется вниз от в.м.т. совершая работу. Это третий такт рабочий ход.

По достижении поршнем н.м.т. открывается выпускной клапан, и, когда поршень движется вверх от н.м.т. происходит выпуск отработанных газов, получивших название выпускных или выхлопных газов. Это четвертый такт – выпуск.

Далее цикл повторяется. Каждый такт соответствует 1\2 оборота коленчатого вала. На два оборота колечатого вала работа совершается один раз.

Такого рода двигатели устанавливаются на легковых и грузовых автомобилях, самолетах и вертолетах, лодках, катерах и другой техники. Они получили название – бензиновые двигатели. К топливам для двигателей летательных аппаратов предъявляются более высокие требования, чем к топливам для наземной техники, поэтому они выделены в отдельный класс и, таким образом, существуют два типа бензинов – авиационные и автомобильные. Авиационные бензины маркируются буквой "Б", поле чего идет значение октанового числа и сортности. Например, Б-95/130. Поскольку авиационные бензины применяются ограниченно, в основном, в малой и спортивной авиации, в настоящем пособии не будем на них останавливаться подробно. Уделим больше внимания автомобильным бензинам.



Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2   3   4   5   6   7   8   9


База данных защищена авторским правом ©ekollog.ru 2017
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал