Физико-химические показатели топлив

СТАБИЛЬНОСТЬ ТОПЛИВ

Упомянутое ранее ухудшение качества судовых тяжёлых топлив связано с ростом использования остаточных продуктов крекинг-процессов. При этом значительно увеличивается доля асфальто-смолистых продуктов в тяжёлых топливах, что вызывает ряд эксплуатационных проблем при топливоподготовке и при хранении топлива. Осложнения проявляются в образовании отложений в топливных цистернах, фильтрах, подогревателях топлива, сепараторах, а также приводят к отказам в работе топливной аппаратуры.

Тяжёлое остаточное топливо является сложной дисперсной системой. Коллоидные частицы состоят из высокомолекулярных соединений типа асфальтенов и твёрдых парафинов и окружены поверхностными слоями (сольватными оболочками) низкомолекулярных соединений. Асфальтены являются твёрдыми веществами, хорошо растворимыми в ароматических углеводородах и плохо растворимыми в других компонентах нефти, и составляют наиболее тяжёлую часть топлива. В зависимости от фракционного состава топлива асфальтены либо образуют истинные растворы, либо находятся в коллоидно-диспергированном состоянии (во взвешенном виде), либо выпадают в виде твёрдой фазы (осадка).

Увеличение молекулярной массы, снижение температуры и ароматичности (содержания ароматических углеводородов) приводит к укрупнению отдельных частиц и образованию неустойчивой системы, то есть к выпадению осадка.

Топливо называется стабильным, если в течение месяца его хранения выпадение осадка не замечено.

В процессе бункеровочных операций, а также при целенаправленном смешивании топлив для достижения необходимой вязкости в судовых условиях смесь топлив может оказаться склонной к выделению осадка. Два топлива несовместимы, если их смесь нестабильна. Совершенно очевидно, что нестабильные смеси использовать не следует. Для повышения стабильности тяжёлых топлив рекомендуются специальные присадки, например, присадка "Бункерсол Д" фирмы Амероид, присадка 10804Х фирмы Эксон и другие.

 

ЗАДАЧА О СМЕШИВАНИИ ТОПЛИВ

На практике приходится сталкиваться со смешиванием тяжёлого и лёгкого топлив с целью получения смеси нужной вязкости. Разумеется, если система подогрева топлива позволяет получить необходимую вязкость, следует использовать именно этот способ во избежание возможной несовместимости. Однако не всегда такой способ имеется в распоряжении механика. Тогда приходится прибегать к смешиванию.

Задача о смешивании формулируется следующим образом.

- имеется тяжёлое топливо с вязкостью ν_т при температуре Т_т;

- имеется лёгкое топливо с вязкостью ν_л при температуре Т_л;

- известна температура, при которой будет происходить смешивание Т_см;

- задана рабочая вязкость смеси ν_р при рабочей температуре Т_р.

    

Определить процентное содержание тяжёлой %Т и лёгкой %Л составляющих.

Задача решается в 2 этапа. 1 этап – использование диаграммы температурно-вязкостной зависимости (рис.2).

1. По заданным ν_т и Т_т находим точку тяжёлого топлива и проводим линию этого топлива Т – Т как параллельную имеющейся на диаграмме линии какого-нибудь другого топлива, например, Д – Д.

2. Выполняем аналогичное построение для лёгкого топлива (линия Л – Л).

3. Выполняем аналогичное построение для смеси (линия С – С).

4. Проводим линию температуры смешивания как перпендикуляр к оси температур в точке Т_см.

5. На пересечениях этой линии с тремя построенными ранее считываем значения вязкостей, ν´_т,ν´_л, ν´_р.

 

        

 

Рис.2. Первый этап решения задачи смешивания.

 

Второй этап (рис.3). Строится диаграмма, ось абсцисс которой разбивается на равные части, а оси ординат по обе стороны от оси абсцисс представляют собой оси вязкости. Пусть левая из них соответствует лёгкому топливу, а правая – тяжёлому.

 

 

 Рис.3. Второй этап. Определение процентного содержания компонентов в смеси.

 На осях ординат откладываем соответственно ν´_л и ν´_т, эти точки соединяем прямой. На одной из осей откладываем ν´_р  и через полученную точку проводим горизонталь до пересечения с полученной прямой. Из полученной теперь точки опускаем перпендикуляр на ось абсцисс и считываем процентное содержание тяжёлого и лёгкого компонентов.

Возможна другая формулировка задачи: смешиваемые компоненты поступают на смешивание каждый при своей определённой температуре, например, лёгкое топливо поступает при температуре Т_смл, а тяжёлое – при температуре Т_смт. В этом случае по первой диаграмме определяют вязкости будущей смеси ν_смл и ν_смт при температурах Т_смл и Т_смт, затем на второй диаграмме вертикальные шкалы наносят так, чтобы ν_смл на левой шкале и ν_смт на правой оказались на одной горизонтали. После этого полученной диаграммой пользуются, как в первом варианте.

Задача о смешивании топлив может быть решена и с помощью номограммы Виноградова (рис.4).

 

На шкале вязкости отмечаются вязкости лёгкого и тяжёлого компонентов при одинаковых температурах. Правая шкала строится с указанием процентного содержания тяжёлого компонента. Для бóльшей точности желательно так выполнять построения, чтобы крайние точки шкал образовывали квадрат. Проводятся прямые через точки ν_л и 0, а также через ν_т и 100 и получают точку М. Теперь линия, проведенная из точки с определённым содержанием тяжёлого компонента %Т через точку М, пересечет шкалу вязкости в точке, соответствующей вязкости смеси при этой температуре.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ТОПЛИВ

1. Плотность ρ, [кг/м³]. Для различных топлив она варьирует в диапазоне от 700 до 1015. Меньшие значения относятся к бензинам, бóльшие – к мазутам. Именно отсюда происходят термины "лёгкие" и "тяжёлые" топлива. Плотность дизельных топлив составляет 830…860 кг/м³.

Плотность топлив заметно изменяется с изменением температуры, понижаясь с повышением последней. Для пересчёта плотности ρ₁ при температуре Т₁  на плотность ρ₂ при температуре Т₂ пользуются формулой

 

                                  ,

где у – температурный коэффициент плотности, определяемый по таблицам в зависимости от плотности. На основании статистической обработки данных фирмы Шелл автором получено приблизительное выражение для коэффициента у:

                                    у = 0,95 – 0,0003ρ₁,

с хорошей точностью описывающее свойства топлив в реальном диапазоне плотностей.

2. Вязкость. Существуют понятия динамической и кинематической вязкости. Динамическая вязкость μ [Па*с] характеризует внутреннее трение в жидкости и её единица представляет собою силу взаимодействия между двумя параллельными слоями топлива, каждый площадью 1м², находящимися на расстоянии 1м один от другого и движущимися один относительно другого со скоростью 1м/с. Кинематическая вязкость ν[м²/с] представляет собой отношение динамической вязкости к плотности                             

                                            .

В судовой практике понятие динамической вязкости используется редко. Вследствие неудобства использования слишком большой единицы измерения [м²/с] для кинематической вязкости используются такие единицы, как стокс,                          

                               1Ст = 1*10^-4 м²/с

и чаще сантистокс,

                              1сСт = 1*10^-6 м²/с.

Помимо указанных единиц измерения, вязкость выражают в условных единицах, таких, как градусы Энглера. Эта единица распространена на европейском континенте. Вязкость в градусах Энглера [°Е] (у нас часто именуется "вязкость условная", [°ВУ]) представляет собою отношение времени истечения 200мл топлива при температуре измерения к времени истечения 200мл воды при 20°С на приборе Энглера. Отметим, что вода при температуре 20°С имеет вязкость 1сСт.

В Великобритании пользуются такой единицей, как секунды Редвуда [с R-1] – это время истечения в секундах 50мл топлива на приборе Редвуда при 100 по Фаренгейту (37,8°С). На американском континенте распространена единица измерения секунда Сейболта [с Su]. Вязкость в секундах Сейболта – это время истечения 60мл топлива на приборе Сейболта при 20°С.

Вязкость зависит от температуры, понижаясь с повышением последней. Известна следующая эмпирическая формула, выражающая температурно-вязкостную зависимость:

                              lg lg (ν + 0.8) = A – B lgT,

где ν – кинематическая вязкость, Ст;

Т – температура топлива, °С;

А и В – коэффициенты, характерные для данного топлива.

Диаграммы температурно-вязкостной зависимости строятся обычно таким образом, что неравномерный масштаб по оси вязкости позволяет представить температурно-вязкостную зависимость топлив в виде прямых, многие из которых практически параллельны (рис. 1). Линии более вязких топлив располагаются выше. С помощью такой диаграммы можно определить температуру, до которой следует греть топливо для обеспечения необходимой вязкости. Предположим, что нам известна вязкость некоторого топлива ν₁ при температуре Т₁. Проведя соответствующие линии на диаграмме, получим точку температурно-вязкостной зависимости этого топлива А. Через эту точку проведём линию температурно-вязкостной зависимости данного топлива как параллельную имеющейся на диаграмме линии С – С какого-нибудь другого топлива. Проведя теперь горизонталь через отметку ν₂ требуемой вязкости до пересечения с линией нашего топлива в точке В и опустив из точки В перпендикуляр на ось абсцисс, получим требуемую температуру подогрева Т₂ .

Пересчёт вязкости, выраженной в одних единицах, в другие может быть выполнен опять-таки с помощью диаграммы либо, более точно, с помощью специальных таблиц, имеющихся во многих литературных источниках по рассматриваемому вопросу.

Как правило, при одинаковых температурах топлива более высокой плотности имеют более высокую вязкость.

 

 

Рис. 1. Определение температуры подогрева топлива.

 

3. Теплота сгорания [кДж/кг] – это количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 килограмма топлива. Различают два понятия теплоты сгорания: высшая рабочая  и низшая рабочая теплота сгорания . Высшая рабочая теплота сгорания – это количество теплоты, выделившееся при сгорании топлива с учётом теплоты конденсации паров воды из продуктов сгорания. Низшая рабочая теплота сгорания – это количество теплоты за вычетом теплоты конденсации паров воды. Поскольку температура уходящих газов для всех механизмов, преобразующих энергию топлива в теплоту, выше температуры конденсации паров воды, во всех расчётах используется понятие низшей рабочей теплоты сгорания.

Высшая и низшая рабочая теплота сгорания с хорошей точностью могут быть вычислены по формулам Д. И. Менделеева:

          ;

        .

В этих формулах С, Н, S, О, W – процентное содержание в топливе по массе соответственно углерода, водорода, серы, кислорода и воды.

Формулы приведены с использованием старых единиц теплоты, автор данного пособия этим отдаёт должное простоте и изяществу их вида. Напомним, что

                             1ккал = 4,187 кДж.

Как следует из приведенных формул, наиболее энергетически ценным компонентом топлива является водород, наименее ценным – сера. Низшая рабочая теплота сгорания для жидких топлив составляет от 43000 кДж/кг (бензины, керосины) до 39000 кДж/кг (высокосернистые обводнённые мазуты).

Низшая рабочая теплота сгорания может быть также вычислена по формуле Standard ISO 8217 (в МДж/кг):

где ρ – плотность топлива при 15°С, S, Y, W – содержание в процентах по массе соответственно серы, золы и воды.

Как следует из формул Менделеева, наличие кислорода в топливе снижает его энергетическую ценность. Так, например, этиловый спирт С₂Н₆О вследствие содержания кислорода почти 35% по массе имеет низшую рабочую теплоту сгорания всего 27500 кДж/кг, то есть в полтора раза меньше, чем у дизельного топлива (около 42000 кДж/кг).

При нормативных расчётах двигателей внутреннего сгорания в качестве топлива принимается дизельное, имеющее  кДж/кг, и расчёты удельных расходов топлива ведутся именно на такую теплоту сгорания.

            Температурные показатели.

4. Температура вспышки – это такая наинизшая температура, при которой пары топлива в смеси с воздухом вспыхивают при контакте с открытым огнём. Есть два способа измерения температуры вспышки: в открытом и в закрытом сосуде. Во втором случае она выше, чем в первом, на 10…15 градусов. В судовой технике употребляется первый способ.

5. Температура воспламенения - наинизшая температура, при которой пары топлива в смеси с воздухом вспыхивают и горение продолжается на поверхности не менее 5 секунд. Она выше температуры вспышки на 10…15 градусов.

6. Температура помутнения – наивысшая температура, при которой в топливе начинается выпадение кристаллов парафина, при более высоких температурах растворённого в более лёгких фракциях. Топливо при этом мутнеет.

7. Температура застывания - наивысшая температура, при которой топливо теряет подвижность. Критерий потери подвижности – топливо, налитое в пробирку, после наклона пробирки на 45° не изменяет положения своей верхней границы в течение одной минуты.

8. Сера в топливе – попадает в топливо из исходной нефти. Содержание серы в дизельных топливах по стандартам СНГ не более 0,5%, в мазутах – не более 3,5%, по стандартам ISO (международная организация по стандартизации) – до 5%.

9. Вода в топливе – попадает в топливо при хранении и транспортировке (конденсация из атмосферы на стенках цистерн и трубопроводов, случайные протечки, использование для разогрева топлива прямого пропускания пара). В дистиллятных топливах не допускается, в мазутах – не более 1%, а если для разогрева топлива используется прямое пропускание пара – до 2%.

10. Механические примеси в топливе имеют неорганическое и органическое происхождение. К неорганическим относятся ржавчина, песок, глина, которые могут попадать в топливо извне. К органическим – карбены и карбоиды, это твёрдые частицы, образующиеся в процессе переработки нефти.

11. Кокс – остаток после нагревания топлива без доступа воздуха. Определяется на приборе Конрадсона. В дистиллятных топливах допускаются доли процента, в мазутах по стандартам СНГ не более 10%, по стандартам ISO – до 22%.

12. Зола – остаток после сжигания топлива. Включает в себя различного рода неорганические примеси (песок, глина, ржавчина). В дистиллятных топливах допускается содержание золы до 0,01%, в мазутах не более 0,2%.

13. Алюминий и кремний – попадают в топливо в процессе каталитического крекинга.

14. Натрий и ванадий. Натрий попадает в топливо из морской атмосферы, ванадий – из исходной нефти.

15. Цетановое число. Применяется только для дистиллятных топлив. Характеризует время задержки самовоспламенения топлива в камере сгорания дизеля. Определяется как процентное содержание цетана С₁₆ Н₃₄ в смеси с альфаметилнафталином С₁₁Н₁₀, когда в эксперименте на опытном двигателе подобранная смесь имеет такое же время задержки самовоспламенения, как и испытуемое топливо.