Нефть

Нефть - это природная  горючая маслянистая жидкость, распространенная в осадочной оболочке Земли; важнейшее  полезное ископаемое. В состав нефти  входит смесь углеводородов самого разнообразного строения. Их молекулы представляют собой и короткие цепи атомов углерода, и длинные, и нормальные, и разветвленные, и замкнутые в кольца, и многокольчатые. Путем перегонки из нее получают различные продукты нефти: бензин, реактивное топливо, осветительный керосин, дизельное топливо, мазут".

Свойства нефти

Кроме углеводородов в состав нефти входит небольшое количество кислородных и сернистых соединений и совсем немного азотистых. Нефть и газ встречаются в земных недрах как вместе, так и раздельно. Нефть включает в себя большую и сложную группу жидких, газообразных и твердых углеводородов, т.е. соединения углерода и водорода, а также иных примесей (азот, кислород и серу).

По свойствам нефть  немного легче воды и практически  в ней не растворяется. Так как  нефть – смесь различных углеводородов, то у нее нет определенной температуры кипения. Среди определенных свойств нефти нет цвета - она варьирует от светло-коричневой, почти бесцветной, до темно-бурой, почти черной, а по свойствам плотности (от легкой 0,65-0,70 г/см3, до тяжелой 0,98-1,05 г/см3).

Различают легкую (0,65-0,87 г/см3), среднюю (0,871-0,910 г/см3) и тяжелую (0,910-1,05 г/см3) нефть. Теплота сгорания 43,7-46,2 МДж/кг (10 400-11 000 ккал/кг).

Нефть растворима в органических растворителях, в воде при обычных  условиях практически нерастворима, но может образовывать с ней стойкие эмульсии.

Состав нефти

В составе нефти выделяют углеводородную, асфальтосмолистую  и зольную составные части. Также  в составе нефти также  выделяют порфирины и серу. Углеводороды, содержащиеся в нефти, подразделяют на три основные группы: метановые, нафтеновые и ароматические. Метановые (парафиновые) углеводороды химически наиболее устойчивы, а ароматические - наименее устойчивы (в них минимальное содержание водорода). При этом ароматические углеводороды являются наиболее токсичными компонентами нефти. Асфальтосмолистая составная нефти частично растворима в бензине: растворяемая часть - это асфальтены, нерастворяемая - смолы. Интересно, что в смолах содержание кислорода достигает 93% от его общего количества в составе нефти. Порфирины - это азотистые соединения органического происхождения, они разрушаются при температуре 200-250°С. Сера присутствует в составе нефти либо в свободном состоянии, либо в виде соединений сероводородов и меркаптанов. Сера является наиболее широко распространённой коррозийной примесью, которую нужно удалять на нефтеперебатывающем заводе. Поэтому цена на нефть с высоким содержанием нефти оказывается на много ниже, чем на низкосернистую нефть.

Важнейшими характеристиками  свойств сырой нефти являются: плотность, содержание серы, фракционный состав, а также вязкость и содержание воды, хлористых солей и механических примесей. 
Плотность нефти, зависит от содержания тяжелых углеводородов, таких как парафины и смолы. Для ее выражения используется как относительная плотность нефти, выраженная в г/см3, так и плотность нефти, выраженная в единицах Американского института нефти - API, измеряемая в градусах.

Относительная плотность = масса соединения/ масса воды  
API = (141,5/ относительная плотность) - 131,5,

По плотности можно  ориентировочно судить об углеводородном составе сырой нефти и нефтепродуктов, поскольку ее значение для углеводородов различных групп различно. Более высокая плотность сырой нефти указывает на большее содержание ароматических углеводородов, а более низкая - на большее содержание парафиновых углеводородов. Углеводороды нафтеновой группы занимают промежуточное положение. Таким образом, величина плотности до известной степени будет характеризовать не только химический состав и происхождение продукта, но и его качество. Наиболее качественными и ценными являются легкие сорта сырой нефти (российская Siberian Light). Чем меньше плотность сырой нефти, тем легче процесс ее переработки нефти и выше качество получаемых из нее нефтепродуктов.

По содержанию серы сырую  нефть в Европе и России подразделяют на малосернистую (до 0,5%), сернистую (0,51-2%) и высокосернистую (более 2%), в США - на сладкую (до 0,5%), среднесладкую/ среднекислую (0,51-2%) и кислую (более 2%). Классификация, принятая в США, кажущаяся на первый взгляд необычной, имеет, однако, прямое отношение к вкусу. На заре добычи нефти в Пенсильвании, получаемый из нее керосин использовался в качестве лампового масла для освещения помещений. Керосин с большим содержанием серы давал отвратительный запах при сгорании, поэтому больше ценился керосин с низким содержанием серы, сладкий на вкус. Отсюда и произошла эта терминология.

Нефть является смесью нескольких тысяч химических соединений, большинство  из которых - комбинация атомов углерода и водорода - углеводороды; каждое из этих соединений характеризуется собственной  температурой кипения, что является важнейшим физическим свойством нефти, широко используемым в нефтеперерабатывающей промышленности. На каждой из стадий кипения нефти испаряются определенные соединения, этот процесс называют перегонкой нефти. Соединения, испаряющиеся в заданном промежутке температуры, называются фракциями, а температуры начала и конца кипения - границами кипения фракции или пределами выкипания. Фракции, выкипающие до 350°С, называют светлыми дистиллятами. Фракция, выкипающая выше 350°С, является остатком после отбора светлых дистиллятов и называется мазутом. Мазут и полученные из него фракции - темные. Названия фракциям присваиваются в зависимости от направления их дальнейшего использования.

Как правило, сырая нефть  содержит следующие фракции из которых  потом получаются и основные продукты нефти:

Различные нефти сильно отличаются по составу. В легкой нефти  обычно больше бензина, нафты и керосина, в тяжелых - газойля и мазута. Наиболее распространены нефти с содержанием бензина 20-30%.

Присутствие механических примесей в составе  сырой нефти объясняется условиями ее залегания и способами добычи. Механические примеси состоят из частиц песка, глины и других твердых пород, которые, оседая на поверхности воды, способствуют образованию нефтяной эмульсии. В отстойниках, резервуарах и трубах при подогреве сырой нефти часть механических примесей оседает на дне и стенках, образуя слой грязи и твердого осадка. При этом уменьшается производительность оборудования, а при отложении осадка на стенках труб уменьшается их теплопроводность. Массовая доля механических примесей до 0,005% включительно оценивается как их отсутствие.

Вязкость определяется структурой углеводородов, составляющих нефть, т.е. их природой и соотношением, она характеризует свойства распыления и перекачивания нефти и нефтепродуктов: чем ниже вязкость жидкости, тем  легче осуществлять ее транспортировку  по трубопроводам, производить ее переработку. Особенно важна эта характеристика для определения качества масленых фракций, получаемых при переработке нефти и качества стандартных смазочных масел. Чем больше вязкость нефтяных фракций, тем больше температура их выкипания.

Плотность нефтепродуктов

Плотность принадлежит  к числу наиболее распространенных показателей, определяемых для нефтепродуктов. В России стандартизированы 2 метода определения плотности: ареометрический  и пикнометрический (ГОСТ 3900-85). Сущность метода определения плотности ареометром заключается в погружении ареометра в испытуемый нефтепродукт, снятии показания по шкале ареометра при температуре определения и пересчете результатов на плотность при температуре 15о С.

Плотность нефтепродукта  принято определять при температуре 15° С и относить к плотности воды при 4° С, принятой за единицу.

Если необходимо определить плотность нефтепродукта для  установления его количества в цистерне, пробоотборник опускают до 1/з высоты цистерны от ее дна, выдерживают на этом уровне не менее 5 мин, затем извлекают его из цистерны, быстро выливают содержимое обратно в цистерну, снова опускают до того же уровня, извлекают его и определяют плотность и температуру нефтепродукта.

Дизельное топливо

Ди́зельное то́пливо — жидкий продукт, использующийся как топливо в дизельном двигателевнутреннего сгорания, а также — и в газодизелях.

Различают так называемое зимнее и летнее дизельное топливо. Основное отличие в температуре  предельной фильтруемости< и температурах помутнения и застывания указанной в стандартах на это топливо. Требования межгосударственного стандарта ГОСТ 305-82 «Топливо дизельное. Технические условия» регламентируют кинематическую вязкость при 20 °C для летних сортов в пределах 3,0÷6,0 сст, для зимних сортов 1,8÷5,0 сст, для арктических 1,5÷4,0 сст. Этот стандарт требует также отсутствия воды во всех марках топлива.

Физические свойства дизельного топлива.

Летнее дизельное топливо: Плотность: не более 860 кг/м³. Температура  вспышки: +62 °C. Температура застывания: −5 °C.

Зимнее дизельное топливо: Плотность: не более 840 кг/м³. Температура  вспышки: +40 °C. Температура застывания: −35 °C.

Арктическое дизельное  топливо: Плотность: не более 830 кг/м³. Температура  вспышки: +35 °C. Температура застывания: −50 °C.

Бензин

Бензи́н — горючая смесь лёгких углеводородов с температурой кипения от 35 до 215 °C. Плотность около 0,750 г/см³. Температура замерзания ниже −60°С.

В России применяются  следующие марки автомобильных  бензинов:

Н-80 (А-76) («нормаль»)

АИ-92 («регуляр»)

АИ-95 («премиум»)

АИ-98 («супер»)

На Российском рынке  встречаются различные по качествам  бензины, например, в соответствии с  современными экологическими требованиями ряд заводов выпускает бензины  марок АИ-92ЭК, АИ-95ЭК с повышенными  экологическими показателями.

Октановое число

Показатель по условной шкале детонационной стойкости бензинов — топлива для двигателей с искровым зажиганием. Определяется в испытательных двигателях сравнением с образцовым топливом. Испытуемое топливо сравнивают с эталонным топливом по способности вызвать детонацию в двигателях. Существуют различные методы испытания.

Широко используют моторный и исследовательский методы.

Испытания на детонационную  стойкость проводят или на полноразмерном автомобильном двигателе, или на специальных установках с одноцилиндровым  двигателем. На специальных установках с одноцилиндровым двигателем определение октанового числа принято проводить в двух режимах: более жёсткий (моторный метод) и менее жёсткий (исследовательский метод). Октановое число топлива, установленное исследовательским методом, как правило, несколько выше, чем октановое число, установленное моторным методом. Точность определения октанового числа, более правильно именуемая воспроизводимостью, составляет 0,6. Это означает, что бензин с октановым числом 93 может показать на другой установке при соблюдении всех требований метода определения октанового числа совсем другую величину, например 92,5.

Исследовательский метод  определения октанового числа

Исследовательское октановое  число (ОЧИ) определяется на одноцилиндровой  установке с переменной степенью сжатия, называемой УИТ-85, при частоте вращения коленчатого вала 600 об/мин, температуре всасываемого воздуха 52°С и угле опережения зажигания 13 град. Оно показывает, как ведёт себя бензин в режимах малых и средних нагрузок. 

Моторный метод определения  октанового числа

Моторное октановое число (ОЧМ) определяется так же на одноцилиндровой установке, при частоте вращения коленчатого вала 900 об/мин, температуре всасываемой смеси 149°С и переменном угле опережения зажигания. ОЧМ имеет более низкие значения, чем ОЧИ. ОЧМ характеризует поведение бензина на режимах больших нагрузок. Оказывает влияние на высокую скорость и детонацию при частичном дроссельном ускорении и работе двигателя под нагрузкой, движении в гору и т.д. 

Основные характеристики бензинов

Чтобы более точно  сформулировать требования к маслу для дизелей, полезно посмотреть на некоторые особенности их рабочего процесса, который заметно отличается от рабочего процесса бензиновых моторов.

Дизельные двигатели  более теплонапряженны, работают на более бедных горючих смесях, а  смесеобразование и сгорание у них происходит в сотни раз быстрее. В результате у дизелей труднее обеспечить полное сгорание топлива, и в продуктах сгорания всегда содержится большое количество частиц сажи. Из-за большого давления в камере сгорания прорыв газов в картер и, соответственно, окисление масла в дизеле существенно выше. Значит, ускоряется процесс, называемый старением масла.

Суть процесса старения заключается в том, что при  работе двигателя свойства смазочных  материалов постепенно меняются: происходит загрязнение механическими примесями, водой, продуктами износа деталей и сгорания топлива. Одновременно накапливаются продукты окисления. а введенные в масло при его производстве присадки быстрее срабатываются, причем часть присадок сгорает за счет расхода масла на угар. Скорость старения масла у изношенных двигателей значительно выше, чем у новых. Поэтому для дизеля особенно важна стабильность всех свойств масла, чтобы обеспечить максимальную его долговечность, Каким должно быть масло для дизеля Обычно моторные масла, предназначенные для дизелей, требуют несколько иной композиции (пакета) присадок, чем для бензиновых двигателей. Так, из-за уже упомянутой неполноты сгорания топлива необходимо увеличить количество диспергирующих и моющих присадок. Первые поддерживают частицы сажи во взвешенном состоянии, вторые снижают нагарообразование на деталях цилиндропоршневой группы и газораспределительного механизма. Поскольку дизельное топливо содержит большое количество серы, то для увеличения стойкости масла против окисления в него вводят больше противоокислительных и щелочных присадок.

В то же время современная  технология производства ГСМ и новые  научные разработки в этой области  позволили создать масла с  действительно универсальными свойствами как по диапазону вязкости, так  и по применяемости для различных типов двигателей.

Качество и вязкость масла

Обратимся к принятому  в мире обозначению масел для  автомобильных двигателей различных  типов. При этом мы. естественно, вынуждены  повторить то, о чем не раз писали, и что большинству наших читателей, наверное, хорошо известно. Но, во-первых, "повторенье — мать ученья". А, во-вторых, к автомобильному делу каждый день и каждый час прирастают новички. И для них все это — чистое откровение. Первым в обозначении указан индекс вязкости по SAE (Society of Automotive Ingeneers — Американское общество автомобильных инженеров). Например, 10W-40. Далее следует указание качества масел по АР) (American Petroleum Institute — американский институт нефти) — например SF/CC.

Рассмотрим эти параметры более подробно и начнем со спецификации. Первая буква S (Service) говорит о применимости масла в бензиновых двигателях, а С (Commercial) — в дизельных. Форма записи через дробь означает универсальность масла — оно допущено к применению как в бензиновых, так и в дизельных моторах. Вторая буква в обозначении означает уровень эксплуатационных свойств (класс качества). Чем дальше буква от начала латинского алфавита, тем выше уровень удовлетворяемых требований. Для дизелей это выглядит так:

- СС — дизели атмосферные или с умеренным наддувом, работающие в тяжелых условиях;

- CD—с высоким наддувом, работающие в тяжелых условиях на высокосернистом топливе:

- СЕ — с высоким наддувом выпуска после 1983 г.;

-  CF-4 — четырехтактные выпуска после 1990 г.;

- CG-4—выпуска после 1994 г. Улучшены характеристики CF-4 и ужесточены требования к токсичности.

Масла классов СА и  СВ в продаже не встречаются, a CD-11 и CF-2 — означают допуск к применению в двухтактных дизелях.

Помимо спецификации по API, в обязательном порядке указывается класс масла по АСЕА (Ассоциация европейских производителей автомобилей). Применительно к дизельным двигателям это выглядит так:

-  В1 -96 — для легковых автомобилей без турбонаддува;

- B2-96 — для легковых автомобилей с турбонаддувом или без него (стандартный класс):

- B3-96 — для легковых автомобилей с турбонаддувом или без него (экстракласс);

-  Е1-96 — для грузовых автомобилей с высоким наддувом, работающих в тяжелых условиях (стандартный класс);

-  Е2-96 — то же, но с лучшими, чем у Е1 -96, свойствами;

-  ЕЗ-96 — для грузовых автомобилей с высоким наддувом, работающих в тяжелых условиях (экстракласс).

Итак, резюмируем: в современных  легковых дизелях без наддува  не следует применять масла классом  ниже CD по API или В1 по АСЕА, а в  турбодизелях выпуска после 1990 года — ниже СЕ или В2. Более высокие требования к маслу для двигателей с турбонаддувом связаны не только с большими нагрузками на детали, но и с обеспечением надежности и долговечности турбокомпрессора — агрегата весьма недешевого.

Другим важнейшим параметром, определяющим выбор масла для дизеля, является индекс вязкости, Как известно, масла  в зависимости от этого параметра  делятся на летние, зимние и всесезонные. Наиболее вязкие летние масла имеют  обозначение вязкости в виде числа (например, SAE 30). Зимние обозначаются аналогично, но с буквой W. Всесезонные масла под влиянием загущающих присадок приобретают свойства летних и зимних масел одновременно и обозначаются двумя числами. Но не всякое всесезонное масло хорошо для дизеля. Например, масло с индексом вязкости SAE 10W-30 хотя и обеспечивает удовлетворительные условия холодного пуска, но в современных легковых дизелях, как правило, применяться не может из-за недостаточного класса качества, Необходимый класс качества и индекс вязкости масла всегда указываются в инструкциях по эксплуатации автомобиля, Этим рекомендациям надо следовать неукоснительно.

Минеральное или синтетическое?

Выбор типа масла не столь принципиален, как выбор класса качества и индекса  вязкости. Определяющим здесь является скорее известный критерий «качество/цена». В самом деле, эксплуатация двигателя на минеральном масле дешевле, но синтетическое или полусинтетическое имеет более стабильные характеристики в течение всего срока службы, обеспечивает снижение износа двигателя и увеличение его ресурса. Кроме того, «синтетика» предпочтительнее из-за лучших низкотемпературных свойств. В то же время лишено какого-либо основания часто высказываемое мнение о необходимости применения в современном турбодизеле только синтетического масла. И если минеральное масло соответствует рекомендуемому инструкцией по вязкости и классу качества, значит, его можно применять без ограничений, и оно обеспечит заданный межремонтный ресурс мотора.

Castrol, Shell... или Лукойл?

Вопрос о выборе производителя масла обычно встает не только перед владельцем дизельного автомобиля, но и перед механиком, его обслуживающим, и вызывает некоторые трудности. Совсем недавно советский автолюбитель делал выбор между двумя сортами масел — М63/10Г1 или М63/12Г1. Теперь же глаза разбегаются от изобилия вариантов. Сравнивать продукцию известных производителей масел — дело совершенно неблагодарное. И можно быть уверенным в том, что масло любого из них соответствует всем необходимым требованиям. если, конечно, это не подделка. Однако не следует часто переходить с одного сорта используемого масла на другой: несмотря на то, что все они в обязательном порядке проходят тест на совместимость, у разных фирм-производителей используются разные пакеты присадок. И при взаимодействии два разных масел могут образовываться плохорастворимые отложения, ведь в моторе всегда есть пусть и небольшой, но несливаемый остаток.

Задача:

Дизельное топливо, плотностью при 20оС равно 8323 кг/м3 (0.832). Определить плотность  топлива при следующих температурах: а) -10 оС б) 0 оС в) +10оС г) +30 оС

Испарения не учитываются.