Происхождение нефти

Тема 1: Нефть и нефтепродукты

МДК 1. Оборудование и эксплуатация заправочных станций

Происхождение нефти

В XVIII веке один богослов утверждал, что Земля в райский период ее существования состояла из жира. После того как планета погрязла во грехе, жир частично испарился, а частично ушел в землю. Там, смешавшись с разными веществами, под действием вод Всемирного потопа жир и превратился в темную густую субстанцию, которую мы называем нефтью.

Как на Земле образовалась эта темная жидкость, люди не понимают до сих пор. Какие-то гипотезы, конечно, отсеялись. Кроме «жировой», люди отказались еще от весьма популярной среди нефтепромышленников середины позапрошлого века «уриновой», по которой нефть была не чем иным. как… загустевшей мочой китов, причем не простых, а полярных. Сегодня умы ученых, кроме множества мелких, борются за две главные теории происхождения нефти: органическая и неорганическая.

Основоположником первой можно считать Михаила Васильевича Ломоносова. Наш ученый-академист считал, что нефть — это что-то вроде «сока», выжимаемого из угля, а тот, в свою очередь, получается из обугленных останков разных растений. В дальнейшем органическая теория происхождения нефти была во многом подтверждена и доказана на куда более прочной научной базе.

Самое сильное признание «органические» нефтяники получили в СССР. Уже потому, что органическую гипотезу происхождения нефти очень любил академик Иван Михайлович Губкин — самый главный советский нефтяник. В СССР инакомыслие не поощрялось, и губкинская гипотеза стала почти законом. Кто-то даже пустил фразу: «Плохой губкинец - плохой большевик»».

Но органическую, или биотическую, теорию подтверждают не только губкинская теория и марксистско-ленинское учение. В нефти найдены части молекул, похожие на следы хлорофилла — вещества, которое на нашей планете синтезируется только растениями. В структуре нефти есть стераны и гопаны — углеводородные структуры, присущие живому веществу. В ней же обнаружены изотопы углерода, характерные для живых организмов. Нефть вообще похожа на продукт живого — и по составу, и по свойствам. Более того, нефть обладает уникальным качеством, свойственным всему живому, и только лишь живому, — она оптически активна, то есть поляризует пропускаемый через нее свет лишь в одном направлении.

Поэтому во всех советских учебниках про образование нефти было написано примерно следующее. Миллионы лет тому назад жили и погибали животные и растения, в основном морские. Их останки оседали на дне океана, становясь постепенно илом. На них наслаивались все новые отмершие водоросли и рыбы, а также продукты деятельности вулканов и песок, который приносили с собой реки. Со временем все мертвые рыбы были погребены под споем отложений. Под действием их тяжести и без доступа воздуха отложения начали изменяться и со временем превратились в нефть и газ.

Неорганичная органика.

Но многие ученые даже в советские времена, несмотря на партийные установки, отказывалось видеть в нефти продукт разложения водорослей и рыб. По их мнению, это была скорее «кровь земли» — результат высокотемпературных реакций в недрах планеты. Исходные компоненты нефти — водород и углерод — есть во всей Вселенной, а условия реакции обеспечиваются сложным строением недр.

Великий российский химик Дмитрий Менделеев изначально тоже считал, что нефть — продукт живого. Но изучение нефтяных месторождений привело его к противоположному убеждению. Нефть — химическое вещество, получаемое в недрах, как в химическом реакторе, заявил он. И взялся доказать это опытом.

В 1877 году Менделеев пригласил к себе в лабораторию несколько «нефтяных людей», тогдашних нефтедобытчиков, и вручил им склянку с темной жидкостью. «Что это, по-вашему?» — спросил химик. Нефтяники долго изучали пробирку, смотрели на просвет, нюхали, растирали между пальцами. Но вердикт вынесли однозначный: это нефть. Даже заспорили, из какого месторождения.

Но в склянке была не нефть. Это была жидкость, синтезированная Менделеевым. Значит, в природе могут идти точно такие же реакции, как и в реторте. Нефть не обязательно должна быть «останками водорослей и рыб»!

Сегодняшние исследования отчасти подтверждают догадки Менделеева. Так, в нефтяных отложениях Мексиканского залива американские ученые нашли миниатюрные алмазы. Конечно, никакой ценности они не представляют, да и алмазами их назвать нельзя — они состоят всего из нескольких десятков атомов углерода. Ученые дали им имя диамондоиды. Однако как они образовались в нефти, непонятно: для этого нужно очень высокое давление. Возможно, это косвенное подтверждение абиогенной (неорганической) теории происхождения нефти.

Еще одно подтверждение состоит в том, что нефть часто находится там, где живого нет и быть не может. В 70-е годы прошлого века люди научились бурить очень глубоко и добурились до таких глубин, где никаких осадочных пород не могло быть в принципе. К удивлению ученых, в недрах планеты, в совершенно неживом базальте, тоже обнаружилась нефть. Причем в промышленных количествах — сотни миллионов тонн. Самые известные из «невозможных» месторождений — «Ла-Пас» в Венесуэле, «Белый тигр» во Вьетнаме и «Ренгин» в Китае. Глубина «Белого тигра», например, более 4км. Никакой органики там быть не может, а нефть есть! Более того, следы нефти обнаружены в образцах Кольской сверхглубокой скважины, а это, между прочим, 11 км глубины. Ничего живого в такой толще, понятно, существовать не может.

Биогенная теория противоречит и физике. Ученые шутят: «Если бы это было правдой, утка разогревалась бы в холодильнике сама». Составляющие нефти имеют в 5-7 раз меньшую теплотворную способность, чем сама нефть. То есть нефть не может быть продуктом распада, а только синтеза, на который откуда-то надо было взять дополнительную энергию. Как такая энергия могла самопроизвольно накопиться, непонятно.

Классические химики тоже не согласны с губкинцами. Им не известны «идеальные» реакции синтеза — всегда должна оставаться масса не прореагировавших веществ, которых в нефти нет. Не все просто и с оптической активностью нефти: она ярко выражена в месторождениях близ поверхности, а в глубоких слоях постепенно сходит на нет.

Но самый коварный вопрос для «органиков» — проблема месторождений. По биогенной теории, для того чтобы нефть собралась в одном месте, она должна каким-то образом сползаться туда под землей, как жидкий металл, из которого состоял Т-1000 в фильме «Терминатор-2». Ученые не могут представить себе условий, при которых такое было бы возможно.

Так что же, теория о происхождении нефти из мертвых рыб опровергнута? Как бы не так! Ученые до сих пор не могут сказать наверняка, какая из теорий правильнее. Ведь у неорганической теории тоже не все в порядке с доказательствами. Опять протестуют химики: да, реакция в недрах земли идти может, только вот ближе к поверхности нефть тогда не может существовать. При температуре ниже той, при которой идет реакция, она должна опять разложиться на составляющие вещества! А про хлорофилл в нефти, который мог попасть в нее лишь благодаря живым организмом, мы уже сказали выше.

Целенаправленные поиски промышленных месторождений по неорганической теории не дают результата. Швеция даже решила пробурить скважину в кратере Сильян-Ринг — по неорганической теории, в этом месте должна была быть нефть. По данным геофизиков, на глубине 500м находилась гранитная «крышка» нефтяного резервуара, а ниже лежали пористые породы, которые могли задерживать нефть. Однако вложенные $60млн так и не дали отдачи. Пробурив скважину глубиной более 5 км, промышленных запасов нефти и газа не обнаружили. Только следы нефти в древних битумах, и то скорее органического происхождения…

В результате приходится констатировать: мы не знаем, что такое нефть, не понимаем толком, где ее искать, а главное — не можем точно определить, сколько ее осталось.

А ведь этот спор не просто научный диалог. Оттого, какая теория победит, зависит то, где нам искать новые месторождения. Если нефть действительно образовалась из «мертвой рыбы», то искать ее надо на том месте, где когда-то давно был древний океан. Если же это «кровь земли», которая в некоторых местах поднимается близко к поверхности, то искать нужно в местах крупных разломов земной коры.

Но удивительнее всего, что, похоже, срабатывает и тот и другой способ поисков. Поэтому некоторые ученые считают, что есть два вида нефти — органического и неорганического происхождения, и если первая — у нас под ногами, то запасы второй лежат глубоко в недрах. Зато там их, возможно, очень много: при потреблении нынешними темпами месторождений нефти в глубине земли (если она там, конечно, есть) должно хватить примерно на 50тыс. лет. Примерно столько же на Земле существует человек разумный.

Сегодня нефтяники не любят говорить «месторождение нефти». Они говорят «месторождение жидких углеводородов», потому что так правильнее. Ведь нефть — это очень сложная смесь, коктейль из массы разнообразных химических соединений. Часть из них ученым пока даже не удалось выделить, не говоря уже о том, чтобы синтезировать настоящую нефть в лаборатории. У Менделеева тогда получилось лишь «что-то похожее» на нефть, но «настоящую» нефть синтезировать еще долго не удастся. Тем более что в разных месторождениях — разная нефть, и не ясно, какую считать «настоящей». А по свойствам нефть из разных мест может различаться значительно: может быть бурой, темной и почти прозрачной, иметь резкий запах или почти не пахнуть.

Да что там нефть, самый обычный бензин, который плещется в баках наших автомобилей, еще не до конца исследован. Мы в полном смысле слова ездим на «неизвестной горючей жидкости» — доля выделенных из бензина углеводородных цепочек составляет пока около 80%. Остальные 20% — неизвестная субстанция.

В общем, похоже, что проблему образования нефти — а вместе с ней и ключ к энергетическим запасам Земли — мы оставляем нашим потомкам. Нынешние нефтяники-практики шутят: «Нет смысла задумываться, как в недрах земли образовалась нефть. Считайте, что ее кто-то налил туда лишь для того, чтобы человечеству жилось немного лучше».

Общие сведения о нефтепродуктах

Нефть - это маслянистая жидкость темного красно-коричневого, иногда почти черного, цвета. В ее состав входит около 1000 веществ! Наибольшую часть из них (80-90%) составляют углеводороды, то есть органические вещества, состоящие из атомов углерода и водорода. Нефть содержит порядка 500 углеводородных соединений - парафиновых (алканов), составляющих половину всех углеводородов нефти, нафтеновых (цикланов) и ароматических (бензол и его производные). Имеются в нефти и высокомолекулярные соединения в виде смол и асфальтовых веществ.

Суммарное содержание углерода и водорода в нефти - около 97—98% (по весу), в том числе углерода 83—87% и водорода 11-14%.

В зависимости от количества атомов углерода и водорода в молекуле углеводороды могут быть газами, жидкостями или твердыми веществами. Углеводороды с числом атомов углерода, равным 1-4, в нормальных условиях — газы. Углеводороды, содержащие от 5 до 15 атомов углерода, — жидкости, а углеводороды, содержащие в молекуле более 15 атомов углерода, — твердые вещества. Газообразные парафиновые углеводороды (метан, этан, пропан и бутан) присутствуют в нефти в растворенном состоянии и при выходе нефти на поверхность выделяются из нее в виде попутных газов. Жидкие парафиновые углеводороды составляют основную жидкой часть нефти. Твердые парафиновые углеводороды растворены в нефти и могут быть выделены из нее.

Кроме углеводородной части, в нефти содержатся небольшая не углеводородная часть - соединения серы, азота и кислорода. Серы в нефти бывает довольно много – до 5%, и она приносит немало хлопот нефтяникам, вызывая коррозию металлов.

В незначительных количествах в нефтях встречаются ванадий, никель, железо, алюминий, медь, магний, барий, стронций, марганец, хром, кобальт, молибден, бор, мышьяк, калий и другие химические элементы. Сырую нефть практически не применяют. Ее подвергают очистке и переработке.

Различают первичную и вторичную переработку нефти. Процесс разделения нефти на фракции, имеющие разную температуру кипения, называется ректификацией.

Первичная переработка нефти - это перегонка, в результате которой нефтепродукты разделяются на составные части (их называют фракциями):

· сжиженный газ;

· бензины (автомобильный и авиационный),

· реактивное топливо,

· керосин,

· дизельное топливо (солярка),

· мазут.

Первые пять видов нефтепродуктов являются топливом. А мазут перерабатывают для получения:

· парафина,

· битума,

· жидкого котельного топлива,

· масел.

При смешивании битума с минеральными веществами получается асфальт (асфальтобетон), используемый в качестве дорожного покрытия. Жидкое котельное топливо используют для обогрева домов.

Из нефти выпускают широкий ассортимент смазочных материалов:

· смазочное масло;

· электроизоляционное масло;

· гидравлическое масло;

· пластичную смазку;

· смазочно-охлаждающую жидкость;

· вазелин.

Масла, получаемые из нефти, идут на приготовление мазей и кремов. Оставшийся после перегонки нефти концентрат называется гудроном. Он идет на дорожные и строительные покрытия.

Вторичная переработка нефти включает в себя изменение структуры ее компонентов - углеводородов. Она дает сырье, из которого получают:

• синтетические каучуки и резины;
• синтетические ткани;
• пластмассы;
• полимерные пленки (полиэтилен, полипропилен);
• моющие средства;
• растворители, краски и лаки;
• красители;
• удобрения;
• ядохимикаты;
• воск;

и многое другое.

Даже отходы переработки нефти имеют практическую ценность. Из отходов перегонки нефти производится кокс. Его используют в производстве электродов и в металлургии. А сера, которую извлекают из нефти в процессе переработки, идет на производство серной кислоты.

Видео-2. Продукты нефтепереработки – 14 мин.

Топливо для бензиновых двигателей

Топливом для бензиновых автомобильных двигателей служит бензин.

Основными свойствами бензина являются:

· испаряемость,

· теплотворная способность

· антидетонационная стойкость.

Антидетонационная стойкость является очень важным свойством бензина и определяет возможную степень сжатия двигателя. Детонация — это взрывное сгорание рабочей смеси в камере сгорания. При нормальном сгорании фронт пламени распространяется со скоростью 20...40 м/с, а давление в цилиндре составляет 3...4 МПа (30...40 кгс/см2). При детонации скорость распространения горения достигает 2500 м/с, а давление — 10... 15 МПа (100... 150 кгс/см2).

Причиной возникновения детонации рабочей смеси может быть применение низкооктанового топлива, сильный перегрев двигателя, перегрузка, установка раннего зажигания. Детонацию можно устранить путем уменьшения подачи топлива или переходом на более низкие передачи.

При детонационном сгорании смеси в двигателе слышны резкие металлические стуки и звон, объясняемые ударами волн высокого давления о стенки камер сгорания, цилиндров и днищ поршней и возникновением вибрации в деталях. При детонации рабочей смеси под действием очень больших давлений на днище поршней создаются ударные нагрузки и начинают стучать поршневые пальцы, поршневые кольца в канавках, поршни о зеркало цилиндров, коренные и шатунные подшипники. Вибрируют все детали двигателя. При детонации наблюдается дымный выпуск с искрами вследствие неполного сгорания топлива и закипания воды в системе охлаждения из-за усиленной теплоотдачи стенкам камер сгорания и цилиндрам. В результате резко снижаются мощность и экономичность двигателя. Длительная работа при детонационном сгорании может привести не только к повышенному износу деталей двигателя, но и к их поломке или образованию крупных дефектов в виде трещин и изгиба деталей с последующим их разрушением.

Показателем, характеризующим антидетонационные свойства бензина, является его октановое число. Чем больше октановое число бензина, тем меньше он детонирует и тем большая степень сжатия может быть принята для двигателя. Для повышения октанового числа и уменьшения опасности возникновения детонации в двигателях, имеющих повышенные степени сжатия, к бензину подмешивают антидетонаторы.

Наиболее сильным антидетонатором является этиловая жидкость, которую добавляют к бензину в объеме не более 1,5...3,0 мл на 1 л бензина. Этилированные бензины ядовиты, поэтому обращаться с ними нужно осторожно (применяются в основном в сельском хозяйстве).

Детонационная стойкость определяется на специальном двигателе с использованием чистых углеводородов изооктана и гептана. Октановое число изооктана условно равно 100, а у нормального гептана стойкость принимают равной нулю. На двигателе определяют моменты детонации используемого топлива, а затем из изооктана и нормального гептана подбирают такую смесь, которая будет детонировать так же, как и испытуемое топливо. Процент содержания изооктана в этой смеси и дает октановое число испытуемого бензина.

Промышленность вырабатывает бензины марок АИ--80, -92, -95 и -98. Буква А в маркировке означает, что бензин автомобильный. Цифры показывают октановое число. Чем выше октановое число, тем больше стойкость бензина к детонации. Буква И указывает, что октановое число определено исследовательским способом. У остальных бензинов октановое число определяется по моторному методу

Топливо для дизельных двигателей

Отличительной чертой процессов, происходящих в дизельном двигателе, является особенность приготовления и воспламенения рабочей смеси. В дизельном двигателе воздух и топливо подаются в камеру сгорания раздельно. Топливо под давлением впрыскивается непосредственно в среду сжатого нагревшегося в цилиндре двигателя воздуха, где за очень небольшой период образуется топливно-воздушная смесь, которая самовоспламеняется. Более высокая экономичность дизельных двигателей в сравнении с карбюраторными определяется своевременным воспламенением и полным сгоранием впрыснутого топлива благодаря увеличенной степени сжатия и до­статочному количеству кислорода для сгорания.

В качестве топлива для дизельных двигателей используются дизельные топлива различных марок, которые должны отвечать следующим требованиям:

1. Дизельное топливо должно отличаться высокой самовоспламеняемостью. Самовоспламеняемость — это характеристика тех свойств дизельного топлива, которые оказывают влияние на мягкость или жесткость работы двигателя. Определяют самовоспламеняе­мость, сравнивая работу стандартного двигателя на испытуемом топливе и на соответствующим образом подобранной смеси эталонных топлив.

Оценочным показателем самовоспламеняемости дизельного топлива служит его цетановое число. Оно равно процентному (по объему) содержанию цетана в такой смеси его с α-метилнафталином, которая обладает той же самовоспламеняемостью, что и испытуемое топливо в стандартном двигателе.

Условия пуска и работы дизельного двигателя удовлетворены, если цетановое число летних сортов топлива 40—45, а зимних — 45—50 единиц.

2. Дизельное топливо должно обеспечивать нормальное смесеобразование, которое зависит от следующих факторов:

· температуры и давления в камере сгорания,

· надежности подачи топлива,

· степени распыливания топлива при впрыске,

· физико-химических свойств топлива.

Температура и давление в, камере сгорания зависят в первую очередь от степени сжатия, охлаждения двигателя, частоты вращения коленчатого вала, наддува и др. В рабочем режиме особое влияние, на эти факторы оказывает частота вращения коленчатого вала. Ее уменьшение сопровождается падением температуры, снижением давления впрыска топлива, увеличением времени на цикл, что в целом ухудшает условия смесеобразования и сгорания топлива.

Надежность подачи топлива является необходимым условием для его нормального смесеобразования и сгорания. Решающим фактором обеспечения надежной работы приборов системы питания дизельного двигателя служит чистота дизельного топлива. Существенное влияние оказывает наличие в дизельном топливе механических примесей, которые вызывают интенсивный износ прецизионных деталей приборов системы питания, что приводит к нарушению работы двигателя (подтекание топлива из-под иглы распылителя форсунки, падение давления впрыска топлива и др.).

Степень распыливания топлива во многом определяет условия смесеобразования и испарения. Образование мелких частиц топлива способствует быстрейшему смесеобразованию. Размеры образующихся частиц топлива в большой степени зависят от давления впрыска; с его увеличением возрастает скорость струи и уменьшается диаметр капелек. На тонкость и однородность распыливания влияют также противодавление в цилиндре, диаметр сопла, вязкость, плотность, поверхностное натяжение топлива и др.

Физико-химические свойства топлива (вязкость, испаряемость, поверхностное натяжение, плотность, температура застывания и др.) сильно влияют на процесс смесеобразования. Важнейшим эксплуатационным требованием, предъявляемым к дизельному топливу, является его хорошая прокачиваемость через приборы системы питания при различных температурах окружающей среды.

Прокачиваемость дизельного топлива зависит от его вязкости, температуры застывания, склонности к образованию твердых пара­финовых углеводородов. На вязкость дизельного топлива значитель­но влияет температура. С уменьшением температуры вязкость увеличивается, что приводит к ухудшению распыливания.

Не менее важен показатель дизельного топлива — его нижний температурный предел, при котором парафиновые углеводороды могут переходить в твердое состояние. Образовавшиеся парафиновые кристаллы забивают топливные фильтры и нарушают или прекращают подачу топлива в камеру сгорания. Применять топливо, в котором идет образование твердой фазы, нельзя. Такое состояние топлива можно оценивать по температуре помутнения, при которой теряется фазовая однородность топлива.

Температурой застывания топлива, которая характеризует его низкотемпературные свойства, называется такая, при которой топливо теряет подвижность. С целью понижения температуры помутнения и застывания топливо подвергается депарафинизации, т. е. из него удаляют часть парафиновых углеводородов.

Температура застывания дизельных топлив зимних сортов составляет минус 35—45° С, а летние минус 10° С, что отвечает требованиям эксплуатации. Температура помутнения обычно на 5—10 ° С выше температуры застывания.

3. Дизельное топливо должно обладать надлежащей испаряемостью, которая определяет скорость смесеобразования и полноту испарения топлива.

Испаряемость дизельного топлива определяется его фракционным составом. Чем лучше распыливается топливо, тем больше поверхность его испарения. Кроме того, с уменьшением размера частиц ускоряется их нагревание. В связи с этим скорость испарения впрыскиваемого топлива возрастает при улучшении качества распыливания.

Скорость испарения топлива, которое имеет плохую испаряемость и выкипает при высоких температурах, может уменьшаться настолько, что оно не успевает перейти в газообразное состояние, а значит, и полностью сгореть. Неполное сгорание топлива сопровождается не только увеличением его расхода, но и повышенным износом деталей цилиндро-поршневой группы, так как несгоревшее топливо смывает масло со стенок гильз цилиндров.

Пусковые свойства топлива оценивают температурой выкипания 50% топлива.

4. Дизельное топливо не должно вызывать образования смол, осадков и коррозии. Нагарообразующие свойства дизельного топлива характеризуют его склонность к образованию в результате сгорания специфических отложений на деталях цилиндропоршневой группы и газораспределительного механизма, что приводит к значительному нарушению работы двигателя, в частности ухудшается теплоотдача, зависают клапаны, подгорает игла форсунки и др.

На процесс нагарообразования оказывает непосредственное влияние неполное сгорание из-за утяжеленного фракционного состава топлива, повышенного его состава, а также содержание в топливе высокомолекулярных смолисто-асфальтовых соединений и непредель­ных углеводородов. В связи с этим ограничивают содержание в топливе целого ряда соединений и механических примесей.

Коррозионные свойства топлива определяются содержанием в нем водорастворимых кислот и щелочей, органических кислот, воды и сернистых соединений.

Промышленностью выпускается дизельное топливо следующих марок:

· Л — летнее, рекомендуемое для эксплуатации дизелей при темпе­ратуре окружающего воздуха 0° С и выше;

· 3 — зимнее для эксплуатации дизелей при температуре окру­жающего воздуха минус 20° С и выше;

· ЗС — зимнее северное для эксплуатации дизелей при температуре окружающего воздуха минус 30° С и выше;

· А — арктическое для эксплуатации при температуре окружающе­го воздуха минус 50° С и выше

.

По содержанию серы дизельное топливо делится на две подгруппы:

· 1-я, содержащая серы не более 0,2%;

· 2-я, содержащая серы свыше 0,2 до 0,5%.

Для быстроходных дизелей промышленностью выпускаются дизельные топлива ДЛ, ДЗ, ДА и ДС, которые представляют собой горючую жидкость; взрывоопасная концентрация паров топлива в смеси с воздухом составляет 2—3%.

Температура воспламенения для марок топлива следующая:

· ДЛ—310° С,

· ДЗ — 240° С,

· ДА — 230° С, Д

· С — 345° С.

Температура воспламенения топлива всех марок 76—119° С.

Видео – 3. Дизельное топливо – 7 мин

Газовое топливо

Газообразные топлива являются альтернативным видом энергоносителей по отношению к традиционным жидким топливам, получаемым из нефти. Физико-химические и эксплуатационные свойства газообразных топлив существенно отличаются от бензинов и дизельных топлив, что влияет на конструкцию газовых систем питания и их эксплуатацию. Техническое обслуживание и ремонт газового оборудования, переоборудование, хранение ГБА и их заправка, подготовка ремонтных рабочих имеют существенные особенности.

К газообразным углеводородным топливам, которые достаточно широко применяются в настоящее время и имеют перспективы расширения их использования, относятся:

· компримированный (сжатый) природный газ (КПГ) (метан);

· газ сжиженный нефтяной (ГСН) (пропан-бутановая смесь).

Другие виды газообразных топлив - сжиженный природный газ (метан), биогаз (метан и другие составляющие), диметилэфир, водород - пока не нашли коммерческого применения.

Основными компонентами газообразных углеводородных топлив являются углеводородные газы - метан, пропан, бутан и ряд других. Эти газы могут храниться на автомобиле в сжиженном или газообразном агрегатном состоянии. Агрегатное состояние газа зависит от физико-химических свойств его компонентов, температуры и давления в баллоне. Основные физико-химические свойства компонентов газообразных углеводородных топлив, влияющих на конструкцию и эксплуатацию ГБА, и бензина представлены в табл. 2.1.

От агрегатного состояния компонентов газообразного топлива зависят способы заправки и его хранения, существенно влияющие на конструкцию и эксплуатацию ГБА.

Из табл. 2.1 следует, что все компоненты газообразных топлив при атмосферном давлении имеют температуру кипения ниже 0 °С. Однако если в емкости с газом повысить давление, то температура кипения газа существенно увеличится. Эти давления и температуры имеют пределы, называемые критическими. Очень низкие температуры кипения при атмосферном давлении (- 161,5 °С) и критическая температура (- 82 °С) метана делают технически сложными заправку и хранение метана в сжиженном состоянии, для чего используются изотермические баллоны с комплексной термоизоляцией. Поэтому в настоящее время большое распространение получил способ заправки и хранения метана на автомобилях в сжатом, или так называемом компримированном, состоянии под высоким давлением.

На автомобильных газонаполнительных компрессорных станциях (АГНКС) для заправки ГБА в странах СНГ рабочее давление - 20,0 МПа. Использование сжиженного метана получило в настоящее время распространение при доставке природного газа. В перспективе при освоении криогенных баллонов сжиженного природного газа для ГБА этот вид топлива может стать конкурентом дорогостоящим бензинам. Над этой проблемой работают в настоящее время ученые и конструкторы различных отраслей машиностроения.

При снижении давления метана в газовом редукторе высокого давления температура резко снижается (эффект Джоуля-Томпсона). Например, при снижении давления с 10,0 до 1,0 МПа падение температуры газа составит около 30 °С. Даже в летний период влага, содержащаяся в газе, может образовать кристаллы льда и стать препятствием при подаче газа в двигатель. Таким образом, важными мероприятиями для эксплуатации ГБА являются: очистка (осушение) газа от воды при заправке на автомобильных газонаполнительных компрессорных станциях; своевременная замена фильтров в системе питания автомобиля; эффективный подогрев газа перед снижением давления в редукторе, особенно в зимний период эксплуатации.

Пропан и бутан - основные компоненты ГСН - по сравнению с метаном имеют значительно более высокие температуры кипения при атмосферном давлении (- 42,5 и - 0,5 °С, соответственно) и критические температуры (+ 96,8 и + 152,9 °С, соответственно). Такие свойства позволяют хранить пропан и бутан в сжиженном состоянии в диапазоне эксплуатационных температур от - 40 до + 45 °С при относительно низком давлении (до 1,6 МПа).

Основными преимуществами газов, находящихся в сжиженном состоянии, по сравнению с комбинированным газом являются: большая концентрация тепловой энергии в единице объема, значительно меньшее рабочее давление в баллонах и, соответственно, меньшие прочность и толщина стенок баллона и запорной арматуры, их меньшие масса и стоимость.

Например, один 50 - литровый баллон, заправленный ГСН, для автомобиля ВАЗ рассчитан на 500 км пробега, а КПГ - только на 100 км.

Давление насыщенных паров оказывает большое влияние на конструкцию и работу газобаллонного оборудования. По максимальному давлению газа рассчитывают прочность баллона. Газы поступают из баллона в редуцирующие устройства двигателя ГБА в отличие от бензина под действием избыточного давления в баллоне для преодоления сопротивления редуцирующего устройства. Это свойство особенно актуально при эксплуатации ГБА в условиях низких температур, когда компоненты ГСН переходят в жидкое состояние и, следовательно, их избыточное давление приближается к нулю.

Для метана доминирующим является давление заправки, которое по мере выработки газа из баллона уменьшается до предельного значения.

Для сжиженных газов давление в значительной степени зависит не от количества газа в баллоне, а от температуры. Так как каждый из компонентов имеет определенную температуру кипения, давление паровой фазы смеси сжиженных газов зависит как от температуры, так и от компонентного состава.

Давление смеси газов можно определить по значению составляющих (парциальных) давлений углеводородных газов, входящих в состав смеси, пропорционально концентрациям. Свойства сжиженных газов определяются по параметрам отдельных углеводородов, входящих в смесь.

Компоненты ГСН в сжиженном виде имеют большой коэффициент объемного расширения, поэтому во избежание разрушения баллона запрещается заправлять его полностью. Для этого необходимо оставлять так называемую паровую «подушку» (фазу). Степень заполнения (полезная емкость) автомобильных газовых баллонов должна быть в пределах 80...85 %. Арматура автомобильных газовых баллонов имеет специальное устройство, автоматически прекращающее заправку баллона при достижении предельного уровня топлива.

Основные компоненты ГСН - пропан, бутан и этан – имеют большие по сравнению с метаном показатели плотности и тяжелее воздуха. Таким образом, они, скапливаясь в канавах и на полу рабочих зон автотранспортных предприятий, представляют большую опасность по сравнению с метаном. Метан, благодаря низкой плотности (почти в два раза легче воздуха), в случае утечки устремляется вверх в вентиляционные устройства.

Плотность паровой фазы газа оказывает влияние на массовый заряд газовоздушной среды, поступающей в цилиндры двигателя, а следовательно, и на мощность, и на топливную экономичность. В зимнее время, когда плотность газовоздушной смеси достигает максимальных значений, двигатель ГБА имеет наилучшие эксплуатационные показатели. Ряд зарубежных конструкций двигателей имеют отключение подогрева впускного коллектора для увеличения плотности заряда.

Все компоненты газообразных топлив первоначально не имеют цвета и запаха, поэтому для обнаружения утечек и обеспечения безопасности при использовании этих видов топлива на автомобилях их одорируют, т.е. придают особый запах.

Анализ теплофизических свойств топлива и его горючей смеси (теплота сгорания газа и теплотворность горючей смеси) показывает, что все газы превосходят бензин по теплотворной способности, однако в смеси с воздухом их энергетические показатели снижаются, и это является одной из причин уменьшения мощности газобаллонных автомобилей на ГСН до 7 % и на КПГ до 20 %. Вместе с тем высокие октановые числа газообразных топлив позволяют увеличить степень сжатия газовых двигателей за счет изменения конструкции и поднять показатель мощности. Высокие октановые числа требуют увеличения угла опережения зажигания. Раннее зажигание может привести к перегреву деталей двигателя. В практике эксплуатации наблюдаются случаи

прогорания днищ поршня и клапанов при слишком раннем зажигании и работе одновременно на бедных смесях.

Компоненты газового топлива имеют пределы воспламенения, значительно смещенные в сторону бедных смесей, что дает дополнительные возможности повышения топливной экономичности.

Газообразные углеводородные топлива относятся к наиболее чистым в экологическом отношении моторным топливам. Выбросы токсичных веществ с отработавшими газами газобаллонных автомобилей по сравнению с бензиновыми значительно ниже.

Газ сжиженный нефтяной в качестве топлива для автомобилей представляет собой смесь пропана, нормального бутана, изобутана, пропилена, этана, этилена и других углеводородов. Его получают как продукт переработки нефти на нефтеперерабатывающих заводах или при добыче нефти и природного газа в виде отдельной жидкой фракции.

Компонентный состав сжиженного нефтяного газа регламентируется ГОСТ 25578 - 87 «Газы сжиженные нефтяные. Топливо для газобаллонных автомобилей. Технические условия». Стандарт предусматривает две марки газа: зимнюю - ПА (пропан автомобильный) и летнюю - ПБА (пропан-бутановая смесь автомобильная). В марке ПА содержится 90 ± 10 % пропана, в марке ПБА – 50 ± 10 % пропана, остальное - бутан, не более 1 % непредельных углеводородов. В газе сжиженном нефтяном марки ПА давление насыщенных паров при температуре - 35 °С не менее 0,07 МПа (избыточное), в газе марки ПБА при температуре + 45 °С - не более 1,6 МПа, а при температуре - 20 °С - не менее 0,07 МПа. Давление газа в баллоне практически не зависит от его количества.

На автомобильные газонаполнительные станции часто поступает газ зимней и летней марок по ГОСТ 20448 - 90 «Газы углеводородные сжиженные для коммунально-бытового и промышленного потребления. Технические условия». Этот ГОСТ имеет более широкие допуски на содержание компонентов, в том числе вредных с точки зрения воздействия на двигатель и топливную аппаратуру (например, серу и ее соединения, непредельные углеводороды и др.). По этим техническим условиям поступают ГСН двух марок: смесь пропан-бутановая зимняя (СПБТЗ) и смесь пропан-бутановая летняя (СПБТЛ).

В ГСН, поставляемом для автомобильного транспорта, по техническим причинам может содержаться некоторое количество масла, поступающего из компрессоров и насосов. Примеси в ГСН масла, тяжелых остатков адсорбируются на резинотехнических изделиях газовой аппаратуры, что отрицательно сказывается на надежности ее работы.

Тема № 2 Технологическое оборудование АЗС

Смазки