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.

     Фракційний  склад є важливим показником якості бензину та його випаровуваності, тобто здатності переходити з рідкого в газоподібний стан. Від випаровуваності палива залежать утворення пальної суміші, тривалість прогріву і легкість пуску двигуна. Фракційний склад палива, яке застосовують у карбюраторних двигунах, повинен відповідати кліматичним умовам, в яких експлуатується автомобіль, і конструктивним особливостям двигуна.

     Для забезпечення легкого пуску та швидкого прогрівання двигуна взимку бензин повинен мати досить низьку температуру випару окремих фракцій та високий тиск насичених парів. Для експлуатації в умовах більш високих температур придатний бензин з більш високою температурою випаровування окремих фракцій та низьким тиском насичених парів. Відповідно до цього, а також залежно від величини тиску насиченої пари (ТНП) автомобільні бензини поділяють на зимові та літні. Для бензину зимового виду температура википання 10% палива має бути не більше 55°С, а літнього виду — не більше 70°С.

     Зимові  марки бензинів мають ТНП не більше 66,7 кПа (500 мм рт. ст.) і рекомендовані до використання з 1 жовтня до 1 квітня, літні - 66,7-93,3 кПа (500-700 мм рт. ст.) з 1 квітня до 1 жовтня. Міжсезонні марки мають ТНП не більше 79,9 кПа (600 мм рт. ст.).

     Терміни "зимовий" та "літній" мають  різне значення для різних країн. Для виключення перешкод у міжнародній торгівлі прийнято автомобільні бензини поділяти на класи випаровування, що дає змогу використовувати в різних кліматичних умовах зимові , літні  або проміжні  марки бензинів.

     Зимові  бензини мають більшу здатність  до випарування, тобто мають більш легкий фракційний склад, ніж літні. Температура початку перегонки та перегонки 10 % фракцій цих бензинів відносно низька, що дозволяє взимку пускати холодні двигуни автомобілів без їх попереднього підігрівання. Літні бензини мають вищу температуру, завдяки чому під час роботи двигуна в теплий період виключається можливість утворення парових пробок. У випадку застосування зимових бензинів улітку можливе перегрівання двигуна внаслідок утворення парових пробок. У північній та північно-східній кліматичних зонах незалежно від пори року зазвичай використовують зимові бензини. У середній - літні бензини впродовж з 1 квітня по 1 жовтня, а зимові - з 1 жовтня по 1 квітня. Однак у весняний та осінній періоди необхідно застосовувати бензини відповідно до температури навколишнього середовища, а також суміші літніх і зимових бензинів. У південній кліматичній зоні, як правило, протягом року застосовують літні бензини.

     Наявність сірки викликає корозію робочих  органів двигуна і знижує детонаційну  стійкість палива, сприяє утворенню смоли. Чим менший вміст сірки в бензині, тим вища його якість. Наявність сірки визначають випробуванням бензину на корозію відполірованої пластинки з чистої міді. У залежності від марки бензину вміст сірки не повинен бути більше 0,10—0,15%.

     Корозія від контакту з бензином виникає  внаслідок електрохімічних процесів, які мають місце при контакті бензину зі сталевими, мідними, латунними та іншими деталями паливної системи автомобілів та матеріалами, з яких виготовлені трубопроводи та бензосховища (цистерни, резервуари тощо). Ступінь корозійного впливу бензину на метали залежить від домішок, зокрема, сірчистих і кисневих сполук, водорозчинних кислот і лугів. Водорозчинні кислоти і луги в бензині непостійні: сліди лугу виявляються в ньому внаслідок неретельного промивання бензину після процесу обробки лугами. Водорозчинні кислоти і луги можуть потрапити в бензин також з погано очищеної тари, з цистерн і трубопроводів. Кисневі з'єднання в бензині постійно присутні та виникають в ньому внаслідок процесу переробки нафти, впродовж терміну зберігання і транспортування. У випадку тривалого збереження в бензині значно зростає концентрація смолистих сполук та одночасно підвищуються його корозійні властивості. На корозійну активність бензину, особливо в процесі його згоряння, також впливають активні сірчисті з'єднання (сірководень, елементарна сірка, меркаптани). Для зменшення корозійного впливу в автомобільні бензини вводять антикорозійні присадки.

     Хімічна стабільність характеризується стійкістю бензину до окислювання, смоло- і нагароутворення та інших хімічних змін у двигуні, залежить від фракційного складу і вмісту смол та смолоутворюючих речовин. Смоли та окислення бензину можуть утворюватися під час його транспортування та збереження внаслідок впливу атмосферного кисню. При тривалому збереженні автомобільний бензин окислюється, внаслідок чого в ньому підвищується зміст фактичних смол, які утворюють в паливній системі та камерах згоряння смолисті відкладення (нагар). На вміст фактичних смол у бензині, крім тривалого збереження, впливають також умови збереження: зовнішня та внутрішня температура, колір і герметичність місткості, тари, ступінь їх заповнення тощо. Вміст смол установлюється спеціальними стандартами і для різних марок бензину не повинен перевищувати 7—15 мг/100 мл. Для підвищення хімічної стійкості в паливо додають антиокислювачі (деревносмольний, детонафтал й ін.), що підвищують індукційний період окислювання бензину [6, c.101-104]

     Фізична стабільність бензинів характеризується відсутністю легких фракцій, що випаровуються з бензину під час його збереження та транспортування. Фізичну стабільність автомобільного бензину підвищують шляхом додавання антиоксидних присадок (інгібіторів), які протягом визначеного часу уповільнюють розвиток окисних процесів. Для стабілізації автомобільних бензинів на вітчизняних підприємствах застосовують деревносмолисту та параоксидіфеніламінову присадки.

     Забруднення бензину зумовлене попаданням до його складу різних механічних домішок або води під час збереження та транспортування. Наявність цих домішок впливає на працездатність паливної системи, внаслідок чого вона виходить з ладу, а взимку може спричинити її замерзання.

     Основними причинами забруднення бензину  механічними домішками і водою можуть бути порушення герметичності резервуарів, цистерн, паливних баків автомобілів, а також недотримання правил фільтрації при заливанні бензину в паливні баки автомобілів.

1.5 Асортимент (марки) бензину

     Нафтова промисловість налічує різні бензини, призначені для експлуатованих вітчизняних та імпортованих автомобілів.  До них належать бензини марок А-66, А-72, А-76, АИ-93 та АИ-98:

     АИ-80 (А-76) («стандарт»)

     АИ-92 («регуляр»)

     АИ-93 («регуляр»)

     АИ-95 («преміум»)

     АИ-98 («супер»)

Чільне місце посідають бензини для автомобілів спеціального призначення (картів) з реверсивними двигунами. Ці бензини мають октанове число 100 і вище.

     У марці бензину цифрами вказують мінімальне октанове число визначене за моторним чи дослідним методом; літерою "А" - бензин автомобільний. У бензинах А-72 і А-76 октанове число (72 і 76) встановлено моторним методом, а в бензинах АИ-93 і АИ-98 друга буква «И» показує, що октанове число (93 і 98) установлено дослідницьким методом. Для підвищення детонаційної стійкості в бензини вводять антидетонатори (тетраетилсвинцеві рідини — ТЕС), які дуже отруйні, хімічно активні. Такі бензини називаються етилованими. Вони забарвлюються. Бензин А-72 випускається неетилованим: А-76 забарвлюються в жовтий колір, АИ-93 — в оранжево-червоний і АИ-98 — у синій.

     Бензини марок А-66, А-72, А-76, АИ-93 виробляють зимовими та літніми. Бензини марок АИ-95, АИ-98 універсальні; їх можна застосовувати як узимку, так і влітку. Зокрема основні показники представлені у поданій нижче схемі [6, c.103-104] : 

      Автомобільні бензини товарних марок - суміш компонентів, які отримують  в процесі переробки нафтопродуктів. Тому одна й та сама маса марки бензину, залежно від технологічного устаткування НПЗ, може мати різний компонентний склад.

     Енергетичний  ресурс бензинів підвищують за рахунок розширення фракційного складу компонентів. Так, підвищення температури кінця кипіння компонентів бензинів до 215-220°С (зокрема, бензини риформінгу і крекінгу) є реальним джерелом розширення об'ємів їх виробництва. Крім того, бензини риформінгу містять ароматичні вуглеводні, що сприяє підвищенню їх детонаційної стійкості. Проте збільшення вмісту високооктанових ароматичних компонентів не може бути безмежним, оскільки вони збільшують нагар, негативно впливають на гумові та пластмасові деталі в паливній системі, збільшують вихлопи в атмосферу шкідливих речовин. Особливо це стосується бензолу внаслідок його високої токсичності.

     Упродовж  тривалого часу проблема виробництва  високооктанових бензинів вирішувалася введенням до їх складу етилової рідини, що містить токсичний свинець. Законодавством більшості країн заборонено їх використання. Повністю заборонено застосування етилованих бензинів в Австрії, Швеції, США і Японії [3,  c.155-164].  

     1.6 Особливості застосування автомобільних бензинів

     Застосування певної марки бензину визначається виробником автомобілів залежно від конструктивних особливостей двигунів (ступеня стиску пальної суміші, діаметра циліндрів тощо), а також від умов його експлуатації. Як правило, марка бензину, що рекомендується для використання певній моделі автомобіля, визначається за результатами тривалих заводських випробувань.

     На  практиці можна заміняти бензин рекомендованої марки іншою маркою з меншим або більшим октановим числом чи сумішшю бензинів. Необхідність такої заміни може виникнути через тимчасову відсутність бензину необхідної марки, у зв'язку з різким підвищенням чи зниженням температури повітря або з інших причин. Невідповідність бензину коригується октан-коректорним шляхом встановлення кута випередження запалювання. Заміна бензину з більшим, ніж рекомендований, октановим числом до детонації двигуна не призводить. Проте виникає ймовірність перегрівання двигуна, падіння його потужності, порушення випускних клапанів, оскільки ступінь стискання пальної суміші у двигуні не відповідає властивостям високооктанових бензинів.