Бензин – основний вид моторного палива

     Вступ

     З комплексу глобальних проблем сучасності найпріоритетнішою є екологічна. Найбільша увага приділяється проблемі забруднення атмосфери шкідливими речовинами, що утворюються при застосуванні нафтопродуктів, зокрема автомобільних бензинів. В останні роки переглядаються та жорсткішають стандарти, що обмежують викиди до атмосфери шкідливих сполук під час експлуатації транспортних засобів та регламентують показники якості моторних палив. Проблема забезпечення транспорту екологічно чистим паливом визнана проблемою національної безпеки, яка вимагає запровадження невідкладних надзвичайних заходів.

       Запаси нафти в надрах Землі обмежені, затрати на її добування та транспортування постійно зростають і, за умови збереження сучасних темпів росту видобування і споживання, розвіданих запасів нафти вистачить лише на 40-50 років.

     Сьогодні  нафта є практично єдиним джерелом виробництва моторних палив, на одержання  яких витрачається біля 50 % (1,7 млрд. т  із 3,5) нафти, що видобувається, тому практично  у всіх країнах ведуться пошуки замінників нафтових палив. Альтернатива – здоров‘я планети. Альтернативою звичайному паливу сьогодні є природний газ метан, зріджений газ пропан-бутан, спирти (метанол і етанол), водневе паливо, біопаливо, ДТ. Перспективним є також використання сонячної енергії – сонцемобілі.

     Нагальною проблемою сучасності є розробка та освоєння новітніх технологій виробництва автомобільних бензинів, які б відповідали самим жорстким екологічним вимогам, посилення екологічних вимог до транспортних засобів та моторних палив. У світовій спільноті розглядаються аспекти перспективного використання нешкідливих – біологічних джерел палива з метою збереження навколишнього середовища.

     У даній роботі розглядається бензин – як основний вид моторного палива та можливі альтернативні замінники бензину: газ, водневе паливо, ДТ, біопаливо, сонячна енергія (використання сонячних батарей) та перспективи їх впровадження. 
 

1.1 Історія винайдення

     Офіційно  першим отримав бензин англійський  фізик - випробувач Майкл Фарадей. З усіх сполук вуглецю та водню у 1825 році він виділив одну, здатну швидко займатися. А так як він синтезував його з нафти, видобутої в Малій Азії, то й назвав його арабським словом. Однак ще за 80 років до цього, в 1745 році в російській глибинці один купець побудував на річці Ухті невеликий завод з перегонки нафти в технічне масло. Крім бензину він отримував також і гас.

     Перший  завод для очищення нафти був  побудований у Росії на Ухтінскому нафтовому промислі у 1745 р. В ті часи в Москві і в Петербурзі для освітлення приміщень використовували свічки, а в маленьких містах і селах - лучінкі. Але вже тоді в багатьох церквах горіли лампади, в які наливати суміш очищеної нафти з рослинною олією. Купець Набатов єдиний постачав очищену нафту соборам  та монастирям. Наприкінці XVIII сторіччя була винайдена лампа, з появою якої збільшився попит на керосин. Брати Дубіни побудували в Моздоку нафтеперегонний завод, у якому одержували гас, бензин та інші нафтопродукти випарюванням нафти, і відправляли їх до Росії.

     Бензин як пальне почав використовуватись лише в кінці XIX століття, коли Г. Даймлер створив бензиновий двигун внутрішнього згоряння. Бензиновий мотор замінив коней в перших автомобілях. Популярність машин швидко зростала, тому їх виробництво постійно набирало обертів. Наслідком цього стало збільшення обсягів виробництва бензину. Одержуване при перегонці нафти паливо не могло задовольнити зростаючий попит. Перед нафтопереробною промисловістю постало серйозне завдання - знайти додаткові джерела отримання бензину.

     У 1891 р. російський інженер Шухов винайшов крекінг. Це процес розщеплення вуглеводнів нафти на більш летючі речовини. Крекінг дає можливість значно підвищити вихід бензину з нафти. Здатність цього палива протистояти детонації характеризують так званим октановим числом. Цей параметр визначає сорт бензину [14]. 

1.2 Одержання бензину

     Рідке паливо одержують, головним чином, у  результаті переробки нафти —  єдиного рідкого пального, яке  одержують з копалин. Нафта утворюється  із залишків рослинних і тваринних  мікроорганізмів на дні давніх морів і являє собою маслянисту рідину жовтого чи темно-коричневого, а іноді і чорного кольору, у залежності від її складу. Продуктами переробки нафти є високоефективні палива, мастильні і спеціальні олії, бітуми, парафін, сажа й ін. З продуктів нафтопереробки виробляють пластмаси, синтетичні волокна, каучук, барвники, миючі засоби, отруйні хімікати.

     Нафта — це суміш великого числа вуглеводнів  різної молекулярної маси і хімічної побудови з домішкою сірчистих, азотних і смолистих речовин. В'язкість нафти досягає 80— 100 мм²/с, а щільність 0,73 — 0,95 г/см³. Нафта майже не містить золи; теплота її загорання близько 10 000 ккал/кг, чи 41 900 кДж/кг. Вона як паливо безпосередньо майже не використовується, а переробляється в товарні нафтопродукти. Перед переробкою нафту направляють у газовідокремлювачі і виділяють попутний нафтовий газ, а потім очищують від інших домішок (мінеральних солей, води, піску, глини).

     Основними способами одержання нафтопродуктів є пряма перегонка і крекінг. У процесі прямої перегонки нафта розділяється на окремі легкі фракції в залежності від температури кипіння і конденсації. Різні вуглеводні конденсуються при різних температурах: соляровий дистилят — приблизно при 350—300°С, газойлевий — при 300—250 °С, лігроїн — при 250—200°С, бензин — нижче 200 °С. Сконденсовані фракції (дистиляти) охолоджуються в теплообмінниках і водяних холодильниках та перетворюються в рідину.

     Відносно  невисокий відсоток виходу світлих  нафтопродуктів, особливо бензину, при  прямій перегонці нафти обумовив необхідність застосування крекінг-процесу, заснованого на розщепленні довгих молекул важких вуглеводнів на більш короткі молекули, які можуть кипіти при низькій температурі. Розрізняють термічний (високотемпературний) і каталітичний крекінг. При термічному крекінгу (температура його 450—550°С і тиск 3 — 6 МПа) переробляють гас, соляровий дистилят, мазути і гудрон. Однак бензини термічного крекінгу, що представляють собою суміш вуглеводнів, фізично і хімічно недостатньо стійкі, тому використовуються як компоненти автомобільних бензинів. Для одержання бензинів більш високої якості застосовують каталітичний крекінг, при якому бензин виробляється в присутності каталізатора — речовини, що прискорює і поліпшує процеси розщеплення важких вуглеводнів. Температура каталітичного крекінгу 450—500°С, тиск 0,2—0,3 МПа. Як каталізатори застосовуються синтетичні алюмосилікати і деякі глини. Різновидом каталітичного крекінгу є риформінг, призначений для одержання ароматичних вуглеводнів, що є основою високоякісних бензинів. При каталітичному крекінгу як вихідну сировину використовують гасові і солярові фракції прямої перегонки і дистиляти нафтопродуктів

     Класична  технологія виробництва автомобільного бензину на сучасних НПЗ припускає його змішування з кількома складовими, головними з яких є:

• прямогонний бензин (легка нафта)
• ізомерізат (продукт ізомеризації попереднього)
• риформат (продукт риформінгу важкої нафти)
• бензин каталітичного крекінгу (продукт розкладання важких фракцій первинної перегонки)
• алкілат (продукт алкіліруванія попереднього)
• бензин гідрокрекінгу (продукт розкладання найбільш важких рідких фракцій, які залишились після атмосферної, а потім вакуумної перегонки)
• модифікуючі присадки і добавки

       Найпростіша схема отримання  автомобільного бензину включає відбір легких фракцій за грубої перегонки нафти кустарним способом з подальшим підвищенням октанового числа введенням великої кількості присадок [1, c.177-179] 

     1.3 Класифікація, призначення, характеристика

     і маркірування рідкого палива

     Нафтове паливо за призначенням підрозділяється  на дві основні групи: моторне, або світле, що застосовується для спалювання в двигунах, і котельно-пічне (котельне, газотурбінне і побутове), яке використовується для топок парових котлів, промислових і побутових пічних установок.

     Моторне паливо, залежно від виду двигуна, у свою чергу поділяється на карбюраторне і дизельне, що використовується в двигунах внутрішнього згорання, і паливо для повітряно-реактивних двигунів та ін. На рис. 1 і 2 показані основні види і марки моторних палив [6, c.100-101] 

     Рис.1 Види і марки моторного палива 

Рис.2.   Характеристики моторних палив 

     1.4 Основні характеристики бензину.

     Хімічний  склад автомобільних  бензинів.

     Бензин  є одним з основних видів карбюраторного палива. Він являє собою суміш легких ароматичних, нафтенових і парафінових вуглеводнів. До складу бензину входять вуглець (85%) і водень (близько 15%), а також кисень, азот та сірка. Бензин — безбарвна чи трохи жовтувата рідина з характерним запахом, щільністю 0,7 — 0,8 г/см³. Температура спалаху нижче — 40 °С, застигання — нижче — 60 °С. Бензин застосовується також як розчинник жирів, смол та інших матеріалів. Основну частину бензину одержують прямою перегонкою і каталітичним крекінгом. Основними експлуатаційно-технічними властивостями автомобільних бензинів є детонаційна стійкість, теплота згорання, фракційний склад, карбюраційні та антикорозійні властивості, хімічна та фізична стабільність, а також ступінь забруднення (вміст сірки та інших шкідливих домішок). Бензини поділяють за призначенням: для автомобільного (карбюраторні, інжекторні двигуни) та авіаційного (поршневі двигуни) транспорту.

     Детонаційна стійкість — здатність бензину  до згоряння в двигуні з номінальною швидкістю без вибухів. Згоряння бензину, що супроводжується детонацією, викликає передчасне зношування і руйнування деталей двигуна. Вона визначається октановим числом, яке встановлюють моторним або дослідним методом. Методологія останнього передбачає проведення випробувань з менш напруженим режимом роботи двигуна, тому октанове число бензину, встановленого дослідним методом, як правило, перевищує октанове число, отримане моторним методом.

     Як  еталонне паливо прийнята суміш двох вуглеводнів: ізооктану (С₈Н₁₂), що володіє високими антидетонаційними властивостями, і нормального гептану (С₇Н₁₆), що легко детонує. Октановим числом називається умовна одиниця, чисельно рівна відсотку (за об'ємом) озооктану в суміші, що складається з ізооктану і нормального гептану та рівноцінна за своїми антидетонаційними властивостями даному паливу, випробуваному в одноциліндровому двигуні зі змінним ступенем стиску в стандартних умовах на збідненій робочій суміші. Октанове число ізооктану приймається за 100, а нормального гептану за 0. Так, якщо бензин детонує при роботі суміші, яка складається із 76% ізооктану і 24 % нормального гептану, то октанове число такого бензину дорівнює 76. Чим вище октанове число, тим більше може бути стиснута в циліндрі пальна суміш.

     Експлуатація  автомобілів у містах характеризується порівняно низьким тепловим режимом роботи двигуна. Це відповідає умовам проведення випробувань детонаційної стійкості бензинів за дослідним методом. Режим роботи двигуна автомобіля в умовах міжміських перевезень на значні відстані, під час їзди по дорогах 2-го і 3-го класів, а також при перевезеннях великих вантажів, тобто тоді, коли двигун працює у більш жорсткому тепловому режимі, відповідає умовам випробувань бензинів за моторним методом.

     У випадку застосування бензину з  октановим числом, нижче необхідного для двигуна, виникає детонація. Для підвищення детонаційної стійкості бензинів до них додають антидетонаційні присадки. Бензини, що містять присадку тетраетилу свинцю (етиловані бензини), отруйні, тому їх використання вимагає дотримання правил техніки безпеки. Етиловані бензини відрізняються від неетилованих жовтогарячим, синім, зеленим або жовтим кольорами.

     Карбюраційні  властивості бензину характеризуються здатністю забезпечувати легкий пуск і швидке прогрівання холодного двигуна, а також повнотою випарування та згоряння палива. Вони визначаються переважно його фракційним складом, який зумовлює температуру початку перегонки, температуру перегонки 10,50 і 90 % фракцій, температуру кінця перегонки та величину тиску насичених парів бензину.