ХИМИЯ НЕФТИ

Бензины - это топлива, выкипающие в интервале температур 28-215°С и предназначенные для применения в двигателях внутреннего сгорания с принудительным воспламенением.

В зависимости от назначения бензины разделяются на автомобильные и авиационные.

Основными показателями качества автомобильного бензина являются:

• детонационная стойкость;
• октановое число;
• фракционный состав;
• давление насыщенных паров;
• химическая стабильность;
• содержание сернистых и ароматических соединений;
• испаряемость;

Детонационная стойкость бензина

Детонационная стойкость бензина - это свойство топлива не самовоспламеняться при повышении его давления в топливной системе автомобиля.

Детонация возникает в том случае, если скорость распространения пламени в двигателе достигает 1500-2500 м/с, вместо обычных 20- 30 м/с. В результате резкого перепада давления возникает детонационная волна, которая нарушает режим работы двигателя, что приводит к:

• перерасходу топлива;
• уменьшению мощности;
• перегреву двигателя;
• прогару поршней и выхлопных клапанов.

Детонационная стойкость оценивается октановым числом бензина.

Октановое число бензина

Октановое число - это условный показатель, характеризующий стойкость бензинов к детонации и численно соответствующий детонационной стойкости модельной смеси изооктана и н-гептана.

Октановое число изооктана принято за 100 пунктов, а н-гептана - за 0. Для автомобильных бензинов (кроме А-76) октановое число измеряется двумя методами:

• моторным;
• исследовательским.

Октановое число моторным методом определяется на специальных установках путем сравнения характеристик горения испытуемого топлива и эталонных смесей изооктана с н-гептаном в жёстком режиме, схожем с реальной работой карбюраторного двигателя, при следующих характеристиках:

• частота вращения коленчатого вала 900 об/мин;
• температура всасываемой смеси 149°С;
• переменный угол опережения зажигания.

Октановое число исследовательским методом определяется на специальных установках путем сравнения характеристик горения испытуемого топлива и эталонных смесей изооктана с н-гептаном в мягком режиме при следующих характеристиках:

• частота вращения коленчатого вала 600 об/мин;
• температура всасываемого воздуха 52°С;
• угол опережения зажигания 13 град.

Получают соответственно моторное (ОЧМ) и исследовательское октановые числа (ОЧИ). Разность между ОЧМ и ОЧИ называется чувствительностью бензина и характеризует степень пригодности бензина к разным условиям работы двигателя. Считается, что:

• октановое число исследовательским методом характеризует бензины при движении автомобиля в городских условиях;
• октановое число моторным методом характеризует бензины в условиях высоких нагрузок и скоростей при форсированном режиме работы двигателя.

Октановый индекс - это среднее арифметическое между ОЧМ и ОЧИ, которое приравнивается к дорожному октановому числу, нормируемому стандартами некоторых стран (например, США) и указываемому на бензоколонках, как характеристика продаваемого топлива.

При производстве бензинов смешением фракций различных процессов важное значение имеют так называемые октановые числа смешения (ОЧС), которые отличаются от расчетных значений. Октановое число смешения - это фактический показатель детанационной стойкости смесевого бензина зависящий от природы нефтепродуктов, их содержания в смеси и ряда других факторов:

• у парафиновых углеводородов ОЧС выше расчётного значения на 4 единицы;
• у ароматических углеводородов зависимость более сложная, различие может быть существенным и превышать 20 пунктов.

Октановое число смешения важно учитывать при добавлении в топливо оксигенатов.

Фракционный состав бензинов

Фракционный состав бензинов - это показатель характеризующий испаряемость топлива, от которой зависят:

• запуск двигателя;
• распределение топлива по цилиндрам двигателя;
• полнота сгорания;
• экономичность двигателя.

Испаряемость определяется температурой перегонки 10, 50 и 90% (об.) выкипания фракций бензина:

• температура выкипания 10 % (об.) бензина характеризует пусковые свойства. При температуре ниже предельных значений в системе питания двигателя могут образовываться паровые пробки, а при более высоких температурах запуск двигателя затруднен. В США пусковые свойства бензина характеризуют количеством топлива, выкипающего до 70 °С.
• температура выкипания 50% (об.) бензина характеризует скорость перехода двигателя с одного режима работы на другой и равномерность распределения бензиновых фракций по цилиндрам.
• температура выкипания 90% (об.) фракций и конца кипения влияет на полноту сгорания топлива и его расход, а также на нагарообразование в камере сгорания в цилиндре двигателя.

В ГОСТ Р 51105-97, который действует с 01.01.99 г., фракционный состав бензина определяется при температуре выкипания 70, 100 и 180°С (по аналогии с требованиями к бензинам в США).

Давление насыщенных паров бензина

Давление насыщенных паров бензина - это давление, которое создают пары углеводородов, находящихся в состоянии термодинамического равновесия с бензином, в замкнутом объёме при нормальных условиях.

Давление насыщенных паров дает дополнительное представление об испаряемости бензина, а также о возможности образования газовых пробок в системе питания двигателя. Чем выше давление насыщенных паров бензина, тем выше его испаряемость.

Бензины, предназначенные для применения в летних условиях, имеют более низкое давление паров. Чтобы обеспечить необходимые пусковые свойства товарного бензина, в его состав включают, как правило, до 30% (об.) легких компонентов (фракция НК - 62°С, изомеризат, алкилат и др.). Требуемое давление насыщенных паров обеспечивается также добавлением пропан-бутановой фракции:

• в летних бензинах - 2 - 3% об.;
• в зимних - до 5-8% (об.).

Химическая стабильность бензинов

Химическая стабильность бензинов - это способность бензина сохранять неизменность химического состава в процессе хранения, транспортирования и применения, исключая реакции окисления и полимеризации.

Окисление приводит к понижению октанового числа бензина и повышению его склонности к нагарообразованию. Для оценки химической стабильности бензинов используют показатели:

• содержания фактических смол;
• индукционного периода окисления.

Высокой химической стабильностью обладают компоненты, не содержащие алкенов:

• прямогонные бензины;
• бензины каталитического риформинга;
• алкилаты;
• изомеризаты.

В бензинах коксования, термического и каталитического крекинга, напротив, содержатся в достаточном количестве алкены, которые легко окисляются с образованием смол. Для повышения химической стабильности к топливам, содержащим компоненты вторичного происхождения, добавляют антиокислительные присадки:

• n-оксидифениламин;
• ионол (2,6-ди-трет-бутил-n-крезол);
• антиокислитель ФЧ-16;
• древесносмоляной антиокислитель и др.

Содержание сернистых и ароматических соединений

Активные сернистые соединения, содержащиеся в бензинах (сероводород, низшие меркаптаны) вызывают сильную коррозию топливной системы и транспортных емкостей; полнота очистки бензинов от этих веществ контролируется анализом на медной пластинке. Неактивные сернистые соединения (тиофены, тетрагидротиофены, сульфиды, дисульфиды, высшие меркаптаны) коррозии не вызывают, однако при их сгорании образуются оксиды серы (SO₂, SO₃), под действием которых происходит быстрый коррозионный износ деталей двигателя, снижается мощность, ухудшается экологическая обстановка.

Наибольшую опасность для людей представляют ароматические углеводороды, особенно бензол и полициклические ароматические углеводороды. Токсическое действие бензола объясняется возможностью его окисления в организме. В связи с этим в последних нормативных документах ограничено допустимое содержание серы, бензола и ароматических соединений в бензинах.