Реферат: Одержання та переробка нафтопродуктів

Більш багаті і бідні суміші горять повільніше. Із збільшенням у робочій суміші залишкових газів, швидкість горіння зменшується. Турбулентність робочої суміші у циліндрі значно збільшує швидкість поширення полум'я. Порівняно з швидкістю поширення полум'я при згорянні палива у спокійному стані, поширення полум'я у циліндрі збільшується за рахунок турбулентності у 10 разів.

При нормальному горінні палива, тиск у циліндрі зростає плавно. Проте у ряді випадків згоряння супроводжується дуже високим місцевим підвищенням температури і тиску, що відбувається майже миттєво, та носить вибуховий характер і називається детонацією .

Рис. 1.1 Індикаторні діаграми роботи бензинового двигуна:

а) – при нормальному згорянні робочої суміші; б) – при детонаційному згорянні

Детонація – це «ненормальна» робота двигуна із займанням від іскри, яка викликана вибуховим, детонаційним згорянням частини горючої суміші, що супроводжується різкими металевимистуками, димним вихлопом, перегрівом двигуна, зниженням потужності та іншими шкідливими наслідками, навіть механічне пошкодження деталей двигуна.

Виникнення явища детонації можна пояснити на підставі теорії перекисного окислення акад. А.Н. Баха та теорії ланцюгових реакцій, розробленої акад. М.М. Семеновим і його школою. Згідно з теорією А.Н. Баха, у період, який передує займанню робочої суміші, відбуваються реакції попереднього окислення вуглеводнів. Інертна молекула кисню при цьому активізується під дією енергії окислювального тіла, що виражається у послабленні зв'язків, які з'єднують атоми кисню в молекулу. Початковим продуктом окислення вуглеводнів є перекиси. Кисень входить до складу молекули перекису у вигляді -0–0-, включаючись у молекулу вуглеводню по С-Н зв'язку.

Перекиси представляють собою малостійкі з'єднання, схильні до різних перетворювань. Важливим фактором, який визначає напрям вторинних реакцій, є температура. Чим вища температура горючої суміші до моменту займання, тим інтенсивніше утворюються у ній хімічно-активні речовини. Згідно з теорією акад. М.М. Семенова, горіння палива носить характер ланцюгових реакцій. У цьому випадку активні центри, що утворились спочатку, співударяючись з молекулами палива, утворюють у числі продуктів реакції активні центри, які знову реагують з молекулами палива, утворюючи нові активні центри. Протягом реакції активні центри відновлюються і реакція розвивається ланками. Не завжди активні центри відновлюються. У результаті співударяння активного центру змолекулою вихідної речовини можуть виникнути не один, а кілька активних центрів, і тоді реакція набуває вигляду розгалуженої ланцюгової реакції. У випадку, коли процес утворення активованих молекул буде перебільшувати процес обриву ланцюгів, нормальне горіння може перетворитися у детонацію, для виникнення якої концентрація перекисів повинна досягти критичного значення. Дослідження показують, що при детонації критична концентрація перекисів створюється у тій частині палива, яка догоряє в останню чергу. Тривалість детонації становить 0,0001 с, що відповідає приблизно 2 градусам повороту колінчастого вала. Критична концентрація перекисів створюється у кінці фази тиску. При високій концентрації перекисів, внаслідок їх бурхливого розпаду та прискорення ланцюгової реакції, відбувається детонація. При цьому виділяється велика кількість енергії у малому об'ємі, що призводить до виникнення ударної пружної хвилі, після чого займання кожного наступного шару частини суміші, яка не згоріла, відбувається внаслідок удару хвилі, а тиск і температура у цьому шарі зростають скачкоподібно. Ударна хвиля у двигуні, рухаючись з надзвуковою швидкістю, досягає стінок циліндра і багаторазово відбиваючись від них, викликає вібрацію стінок, яка сприймається, як детонаційний звук. Таким чином, виникнення детонації є результатом нагромадження у частині заряду, що не згоріла, робочої суміші перекисів. Чим інтенсивніше будуть утворюватись перекиси, тим швидше може перейти нормальне горіння у детонаційне.

Вплив конструкційних і експлуатаційних факторів та складу палива на процес горіння

Детонаційна стійкість бензинів залежить від їх вуглеводного складу, а при однаковому вуглеводному складі – від їх молекулярної ваги.

Найбільш висока детонаційна стійкість у ароматичних вуглеводнів та алканів ізобудови. Найгірші антидетонаційні якості у нормальних алканів.

Бензини каталітичного крекінгу, що складаються в основному з ізопарафінових та ароматичних вуглеводнів, мають високі антидетонаційні властивості. З другого боку, автомобільні бензини прямої перегонки з парафінових нафт, у складі яких є нормальні алкани, мають дуже низьку детонаційну стійкість. Крім природи самого палива, на детонацію впливають такі фактори, як ступінь стиску, число обертів двигуна, кут випередження запалювання, склад суміші, ступінь відкриття дросельної заслінки, розміри циліндрів, кількість і розташування запалювальних свічок, нагароутворення .

При збільшенні ступеня стиску підвищується тиск і температура робочої суміші, що прискорює процес нагромадження перекисів, а потім утворюються сприятливі умови для виникнення детонації.

При збільшенні числа обертів колінчастого валу двигуна зменшується час для утворення перекисів, а зростання завихрення робочої суміші збільшує швидкість нормального горіння, що також зменшує нагромадження перекисів. Все це знижує інтенсивність детонації або запобігає її виникненню.

При зменшенні кута випередження запалювання детонація зменшується. Від величини цього кута залежить тиск при згорянні суміші в циліндрі; із зменшенням кута тиск знижується, а звідси послаблюється або зовсім зникає детонація. Від складу суміші залежить швидкість горіння. Збагачуючи суміш, можна збільшити швидкість нормального горіння і зменшити детонацію, але витрата палива при цьому збільшиться.

При перекритті дросельної заслінки зменшується ваговий заряд суміші, що призводить до зменшення тиску у циліндрі, і як наслідок – до послаблення детонації.

Від розмірів циліндра, так само як і від кількості запалювальних свічок та їх розташування, залежить довжина шляху полум'я. Із зменшенням діаметра циліндра та збільшенням кількості запалювальних свічок довжина шляху полум'я до найбільш віддаленої точки зменшується, суміш згоряє швидше і виникнення детонації ускладнюється.

Нагароутворення на днищі поршня та стінках камери згоряння сприяє детонації. При нагарі, внаслідок гіршої тепловіддачі, підвищується температура у циліндрі, а крім того, при значному відкладенні нагару підвищується ступінь стиску. За цих умов інтенсивність утворення перекисів зростає і полегшується виникнення детонації.

Детонація порушує нормальну роботу двигуна й шкідливо впливає на його технічний стан.

Під час детонації двигун працює жорстко, нестійко, спостерігаються металічні стуки. Внаслідок підвищення тепловіддачі газів стінкам циліндра двигун перегрівається. При тривалій роботі з детонацією прогорають поршні, клапани, поршневі кільця, пошкоджуються підшипники та інші деталі. Детонація викликає падіння потужності двигуна та перевитрату палива.

Оцінка детонаційної стійкості бензинів та методи її підвищення

Здатність палива протистояти детонації називається детонаційною стійкістю . Детонаційна стійкість палива оцінюється октановим числом .

Октанове число автомобільних бензинів визначають двома методами: моторним і дослідницьким. Обидва методи стандартизовані. Для визначення октанового числа використовують моторні установки із одноциліндровими двигунами з перемінним ступеням стиснення (e= 4…І0).

Визначення октанового числа за моторним методом ведеться при обертах вала двигуна 900 хв^-1 з підігрівом робочої суміші до 149±1 °С, та при перемінному куті випередження запалювання; визначення октанового числа за дослідницьким методом ведеться при обертах вала двигуна 600 хв^-1 , температурі повітря 52±1 °С і постійному куті випередження запалювання – 13 град. В іншому, методики визначення октанового числа за обома методами однакові. У цілому, умови випробування за дослідницьким методом легше ніж за моторним, тому октанове число бензину визначене по дослідницькому методу вище, ніж за моторним на 7…10 одиниць.

Моторний метод визначення октанового числа характеризує детонаційну стійкість бензину у режимі роботи двигуна завантаженого автомобіля, при його русі по маршрутам за містом (висока форсованість та найбільша теплонапруженість двигуна).

Дослідницький метод визначення октанового числа характеризує детонаційну стійкість бензину у режимі роботи двигуна легкового автомобіля при його русі в умовах міста (обмежені потужності, чисельні зупинки, низька теплонапруженість двигуна).

При визначенні октанового числа двигун працює на випробуваному паливі. Під час роботи поступово підвищується ступінь стиснення, доки не виникне детонація, інтенсивність якої фіксується.

Потім закріпляється ця ступінь стиснення та підбирається еталонне паливо, при роботі на якому виникає детонація тієї же сили, що і у випробуваному паливі.

Таким чином, октанове число – це умовна одиниця визначення детонаційної стійкості палива, яка показує відсоток вмісту по об'єму ізооктану у штучно приготовленій суміші, що складається із ізооктану (детонаційна стійкість дорівнює 100) та н-гептану (детонаційна стійкість дорівнює 0), що за своєю детонаційною стійкістю еквівалентна випробуваному паливу. Якщо, наприклад, еталона суміш містить 76% ізооктану і 24% н-гептану, та за своєю детонаційною стійкістю дорівнює випробуваному бензину, тоді октанове число палива дорівнює 76.

Відомі альтернативні методи в оцінці октанового числа (ОЧ), наприклад, по діелектричної проникності бензину, а також по показникам фракційної розгонки (температур кипіння 10% та 90% фракцій) і густини [1]: