Материал: 2129

е) изучение процессов, происходящих с топливо-смазочными материалами в двигателях, при хранении и транспортировке;

ж) установление влияния свойств топливо-смазочных материалов на надёжность, долговечность и экономичность двигателей и машин;

з) решение проблем по защите окружающей среды.

Химмотология разделяет свойства топливо-смазочных материалов на три группы:

-физико-химические;

-эксплуатационные;

-экологические.

К физико-химическим относят свойства, определяемые в лабораториях, например: плотность, вязкость, испаряемость, теплота сгорания и т.д. К эксплуатационным - свойства, проявляющиеся непосредственно в двигателе, например: детонационные свойства, склонность к образованию отложений, противоизносные, антикоррозионные свойства и др. К экологическим - свойства, оказывающие влияния на окружающую среду, например: загрязнение воздуха продуктами, выделяющимися при работе двигателя, пожаро- и взрывоопасность и др.

Отдельные свойства топливо-смазочных материалов и их комплекс используют для характеристики качества продукта по показателям качества, например: октановое число топлива, температура застывания, температура вспышки и т.д. С помощью специальных испытаний можно произвести оценку качества, т.е. количественно определить качество топливосмазочного материала. Качество топливо-смазочных материалов оценивают лабораторными (физико-химическими) и специальными методами.

Лабораторные методы используют при определении физикохимических показателей и для косвенной оценки отдельных функциональных свойств. Основным достоинством этих методов является то, что с их помощью можно выполнить дифференцированную оценку отдельных свойств топливо-смазочных материалов. Однако вследствие большой сложности и взаимосвязи процессов, происходящих в двигателе, лабораторные методы не дают возможности получить достаточно полное представление о работе топливо-смазочных материалов в реальных условиях.

Специальные методы предназначены для прямой оценки эксплуатационных свойств топливо-смазочных материалов. К ним относят эксплуа-

тационные испытания и квалификационные методы испытаний.

Эксплуатационные испытания проводят на натурных объектах в условиях, максимально приближённых к реальным условиям эксплуатации. Основной недостаток - большая длительность (до нескольких лет). Проводят при допуске новых сортов, при подборе к конкретным двигателям и машинам, при подборе к конкретным условиям эксплуатации, при разработке новых двигателей и машин.

21

Квалификационные методы испытаний проводят на стендах с ис-

пользованием модельных установок, натурных агрегатов, одноцилиндровых установок, полноразмерных двигателей. Эти методы по сравнению с лабораторными позволяют более точно и полно оценить эксплуатационные свойства топливо-смазочных материалов, а по сравнению с эксплуатационными методами - упростить условия и значительно сократить длительность испытаний. Кроме того, по сравнению с эксплуатационными квалификационные методы позволяют уменьшить, а иногда и устранить, влияние посторонних факторов на исследуемый показатель, следовательно, повысить точность и объективность испытаний. Используют для установления связей между показателями качества топливо-смазочных материалов и конструкцией двигателя, разработки требований к качеству топ- ливо-смазочных материалов и т.д. Однако окончательное решение принимают на основании эксплуатационных испытаний.

Однако повышение величины показателя ведет к увеличению производственных затрат. Поэтому повышение качества необходимо рассматривать в связи с повышением стоимости производства продукта и экономией, при его использовании. Использование топливо-смазочных материалов с необоснованным запасом качества приводит к нерациональным расходам в нефтеперерабатывающей промышленности, а потребление топливосмазочных материалов, не отвечающих требованиям эксплуатации, к снижению надёжности двигателей, машин и механизмов.

Не менее важным, а иногда и основным, является условие устранения отрицательного экологического воздействия продуктов переработки топ- ливо-смазочных материалов в двигателе.

Переработка нефти

Процесс разделения углеводородов нефти по температурам их кипения называется прямой перегонкой или дистилляцией. Полученные в ре-

зультате перегонки отдельные фракции нефти называют дистиллятами. Прямая перегонка нефти при атмосферном давлении является обязательным первичным процессом переработки нефти.

Установки по первичной переработки нефти являются обязательными для всех заводов. Наличие других установок определяется свойствами перерабатываемой нефти, профилем продукции, вырабатываемой на заводе и другими факторами.

Современная установка по переработке нефти работает по непрерывному циклу. Установка состоит из атмосферной и вакуумной ректификационных колонн (рис. 12), в которых создаются условия, обеспечивающие достаточно полное испарение, вводимого в неё сырья. Этими условиями являются температура и давление. Нефть под давлением подают насосами

22

в печь, где её нагревают до температуры 330…3500 С. Горячая нефть, вместе с парами попадает в среднюю часть атмосферной ректификационной колонны, где она вследствие снижения давления дополнительно испаряется и, испарившиеся углеводороды, отделяются от жидкой части нефти - мазута. Пары углеводородов поднимаются вверх, а жидкий остаток стекает вниз. По пути движения паров углеводородов устанавливаются ректификационные тарелки, на которых конденсируется часть паров углеводородов. Температура по высоте колонны уменьшается от максимальной в зоне ввода продукта до минимальной вверху. Таким образом, в ректификационной колонне по её высоте углеводороды нефти разделяют на фракции в зависимости от температуры кипения. Вверху колонны бензиновые фракции с температурой кипения от 30 до 180…2050 С, ниже легроиновый дистиллят (120…2400 С), далее керосиновый дистиллят (150…3150 С), дизельный дистиллят (150…3600 С), газойлевый (230…3600 С).

Мазут в зависимости от его состава можно использовать или в виде топлива, или подвергают дальнейшему разделению в вакуумной ректификационной колонне, или в качестве сырья используют на установке крекинга.

Перед поступлением в вакуумную ректификационную колонну мазут нагревают до 420…4300 С. Давление в вакуумной колонне 5300-7300 Па. Температура кипения в вакууме у углеводородов снижается, что позволяет испарить тяжелые углеводороды без разложения. При нагревании нефти выше 4300 С может начаться термическое разложение углеводородов. В вакуумной колонне вверху отбирают соляровый дистиллят (300…4000 С), ниже масляные фракции и далее полугудрон или гудрон, из которых путём глубокой очистки делают высоковязкие остаточные масла.

Сначала веретённый дистиллят, затем машинный или автоловый, и, последний, цилиндровый. В отличии от дистиллятных остаточные масла характеризуются большой малярной массой, а, следовательно, более высокой температурой кипения, плотностью и вязкостью. Большинство сложных кислородо-серосодержащих соединений также обладают большой малярной массой и остаётся в гудроне. Поэтому остаточные масла содержат эти соединения в большем количестве, чем дистиллятные.

Нефтепродукты первичной переработки нефти называют прямогонны-

ми.

Появление двигателей внутреннего сгорание привело к революции в нефтепереработке, т.к. потребовалось большое количество бензина.

Прямой перегонкой нефти можно получить только небольшое количество бензиновой фракции, которая непосредственно находится в нефти. Необходимо было повысить выход бензина из нефти за счёт превращения тяжёлых углеводородов с большим числом углеродных атомов молекуле в более лёгкие, с температурой кипения в пределах бензиновой фракции.

23

Рис. 12. Схема установки атмосферно-вакуумной перегонки нефти 1 – погруженные холодильники, 2 – теплообменники.

Процесс расщепления молекул тяжёлых углеводородов называют крекингом. Крекинг осуществляют путём нагрева обрабатываемого сырья до определённой температуры без доступа воздуха, без катализатора (терми-

ческий крекинг) или в присутствии катализатора (каталитический кре-

кинг). Крекинг позволил увеличить выход бензиновых фракций из нефти до 50...60 % против 20...25 %, получаемых прямой перегонкой.

Термический крекинг проходит при температура 470...5400 С и давлении 2...5 МПа. Вместе с расщеплением углеводородов при термическом крекинге протекают процессы синтеза и в результате создаются высокомолекулярные соединения. А также появляются отсутствующие в природной нефти химически неустойчивые непредельные углеводороды. Эти два фактора являются основным недостатком термического крекинга и причиной замены его другими процессами переработки нефти.

К таким процессам относится каталитический крекинг, который протекает при тех же температурах, что и термический крекинг, но при давлении близком к атмосферному и в присутствии катализатора. В качестве катализатора наибольшее распространение получили твёрдые алюмосиликатные катализаторы, в состав которых входят окись кремния и окись алюминия. Основной реакцией каталитического крекинга так же является расщепление сложных и больших молекул на более лёгкие с меньшим числом атомов углерода. Скорость расщепления значительно выше. Схема установки каталитического крегинга представлена на рис. 13.

24

В условиях каталитического крекинга большое значения имеют вторичные превращения образующихся углеводородов, например, атомы водорода отщепляются с образованием ароматических углеводородов - реакция ароматизации; водород, выделяющийся в процессе ароматизации может вступать в реакцию с углеводородами олефинового ряда с насыщением двойных связей - реакция гидрогенизации; углеводороды с прямой цепочкой углеродных атомов могут изменять взаимное расположение атомов внутри молекул без изменения общего числа атомов - реакция изоме-

ризации.

Рис. 13. Схема установки каталитического крекинга с подвижными шариками

Каталитический крекинг осуществляют по различным схемам: с неподвижным слоем катализатора, подвижным сферическим катализатором и с пылевидным или микросферическим катализатором.

Гидрокрекинг (деструктивная гидрогенизация) – разновидность ката-

литического крекинга, проводимого в атмосфере водорода при давлении 20...30 МПа и температуре 470...5000 С. В этом процессе образующиеся непредельные углеводороды гидрируются и превращаются в предельные. Кроме того, имеющиеся в сырье сернистые и кислородные соединения, расщепляясь, реагируют с водородом с образованием сероводорода и воды. Сероводород отмывается слабощелочной водой. В результате можно получать высококачественное топливо из нефтяных остатков, углеводородных смол и др. веществ.

В промышленных условиях используют и некоторые другие термические процессы переработки. Например, при нагревании нефтяных остатков до 5500 С при атмосферном давлении происходит образование кокса и об-

25