Магеррамов А.М., Ахмедова Р.А., Ахмедова Н.Ф. Нефтехимия и нефтепереработка

Подождите немного. Документ загружается.

497

При этом выход циклоалкановых колец в продуктах гидро-

крекинга резко уменьшается, основными продуктами крекин-

га являются алканы С

-С

+ цикло-C

2n+1

изо-C

+ цикло-C

n-3

2n-5

С увеличением температуры селективность реакции

уменьшается. Так, при повышении температуры гидрокре-

кинга тетраметилциклогексана с 291 до 348

С выход метил-

циклопентана уменьшается с 77 до 61 % мол.

Особенности гидкрокрекинга циклогексанов С

выше с короткими алкильными цепями объясняются сле-

дующей схемой механизма реакции:

C - C -CH

-H

Бициклические циклоалканы на катализаторах с высо-

кой кислотной активностью превращаются, главным обра-

зом, в моноциклические с высоким выходом производных

циклопентана; среди бициклических продуктов превращения

преобладают пенталаны.

На катализаторах с низкой кислотной активностью про-

текает в основном гидрогенолиз колец и алкильных замести-

телей. Так, на платине на некислотном носителе этилцикло-

пентан подвергается в основном следующим превращениям:

498

n-C

C-C-C-C-C

C-C

C-C-C-C-C

C-C

Гидрокрекинг циклоалканов на катализаторах с низ-

кой кислотной активностью даёт значительно большие вы-

ходы низших парафинов С

- С

Гидрирование ароматических углеводородов идёт с

выделением тепла. Константа равновесия полного гидри-

рования резко уменьшается с увеличением числа конден-

сированных колец в молекуле; так для бензола, нафталина

и фенантрена при 327

С соотношение констант равновесия

равно 1:10

-2

:10

-8

. Термодинамически более выгодно сту-

пенчатое гидрирование.

18.4. Технологическая схема установки гидрокрекинга

вакуумного газойля

На рис.18.1 приведена принципиальная технологическая

схема одной из двух параллельно работающих секций уста-

новки одноступенчатого гидрокрекинга вакуумного дистил-

лята (производительностью 1 млн. т/год по дизельному вари-

анту или 0,63 млн т/год при получении реактивного топлива).

Сырьё (350-500

С) и рециркулируемый гидрокрекинг-

остаток смешивают с ВСГ, нагревают сначала в теплообмен-

никах, затем в печи П-1 до температуры реакции и подают в

реакторы Р-1 (Р-2 и т. д.). Реакционную смесь охлаждают в

сырьевых теплообменниках, далее в воздушных холодильни-

ках и с температурой 45-55 °С направляют в сепаратор высо-

кого давления С-1, где происходит разделение на ВСГ и не-

стабильный гидрогенизат. ВСГ после очистки от H

S в аб-

499

сорбере К-4 компрессором подают на циркуляцию.

Рис.18.1. Принципиальная технологическая схема установки односту-

пенчатого гидрокрекинга вакуумного газойля: I -сырьё; II -ВСГ; III -

дизельное топливо; IV-легкий бензин; V -тяжелый ; VI -тяжелый газойль;

VII-углеводородные газы на ГФУ; VIII -газы отдува; IX –регенериро-

ванный раствор МЭА; X -раствор МЭА на регенерацию; XI–водяной пар

Нестабильный гидрогенизат через редукционный клапан

направляют в сепаратор низкого давления С-2, где выделяют

часть углеводородных газов, а жидкий поток подают через

теплообменники в стабилизационную колонну К-1 для от-

гонки углеводородных газов и лёгкого бензина. Стабильный

гидрогенизат далее разделяют в атмосферной колонне К-2 на

тяжёлый бензин, дизельное топливо (через отпарную колон-

ну К-3) и фракцию >360 °С, часть которой может служить

как рециркулят, а балансовое количество — как сырьё для

пиролиза, основа смазочных масел и т. д.

В табл. 18.1 представлен материальный баланс одно- и

двухступенчатого ГКВД с рециркуляцией гидрокрекинг-ос-

татка (режим процесса; давление 15 МПа, температура 405-410

С, объёмная скорость сырья 0,7 ч

-1

, кратность циркуляции

ВСГ 1500 м

/м

500

Таблица 18.1

Характеристики процессов получения средних дистиллятов

при одно- и двухступенчатом вариантах процесса ГКВД

Вид топлива Показатель

Дизельное Реактивное

1 2 3

Сырье:

плотность, г/см

0,905/0,909 0,894/ 0,909

н.к.

—

к. к. 282-494/350-500 250-463/ 350-550

Содержание:

сера, % мас. 2,75/2,55 1,8/ 2,55

азот, ррт 940/695 1000/ 695

Выход, % на сы

ьё:

S 3,03/2,20 2,03/ 2,20

+ С

0,40/0,58 1,47/ 0,60

+ С

0,79/3,40 4,10/ 3,77

легкий бензин 1,28/7,48 9,10/ 14,09

тяжёлый бензин 8,53/12,44 13,50/ 16,92

реактивное топливо — 73,33/ 60,52

дизельное топливо 88,03/75,36 —

Итого: 102,06/101,46 103,53/ 103,10

Расход водорода, м

/т 231/282 277/ 347

Реактивное топливо:

плотность, г/см

— 0,788/0,795

температура застывания,

°С

— -51 – -60

высота некоптящего

пламени, мм

— 27/25

Дизельное топливо:

плотность, г/см

0,842/0,820 —

цетановое число 54/58 —

темпе

ат

ур

а застыв

ния

-18

-30

—

содержание серы, ррт 100/10 —

501

Глава 19

ГИДРООЧИСТКА

19.1. Превращения гетероатомных соединений

в процессе гидроочистки

Гидроочистка — процесс удаления из нефтепродуктов

гетероатомов в результате гидрирования серу-, азотсодер-

жащих и конденсированных соединений. При этом проис-

ходит гидрогенолиз гетероатомных соединений в результа-

те разрыва связей С-S, С-N и С-О и насыщении водородом

образующихся гетероатомов. Одновременно гидрируются

диеновые, олефиновые и частично полициклические аро-

матические углеродороды и удаляются металлы, содержа-

щиеся в виде металлоорганических соединений.

Меркаптаны гидрируются до сероводорода и соответ-

ствующего углеводорода:

RSH + H

RH + H

Сульфиды гидрируются через образование меркаптанов:

RSR' + H

R'H + RH + H

RSH + R'H

Дисульфиды гидрируются аналогично:

RSSR' + H

R'H + RH +RSH + R'H

Циклические сульфиды, например, тиофан и тиофен,

гидрируются с образованием соответствующих алифатиче-

ских углеводородов, бенз- и дибензтиофены гидрируются

по схеме:

Гидрогенолиз азоторганических соединений. Азот в

нефтяном сырьё находится преимущественно в гетероцик-

502

лах в виде производных пиррола и пиридина. Гидрирова-

ние их протекает в общем аналогично гидрированию суль-

фидов:

+ NH

Гидрогенолиз кислородсодержащих соединений.

Кислород в топливных фракциях может быть представлен

соединениями типа спиртов, эфиров, фенолов и нафтено-

вых кислот. В газойлевых фракциях и нефтяных остатках

кислород находится в основном в мостиковых связях и в

циклах полициклических ароматических и смолисто-

асфальтеновых соединений нефти.

При гидрировании кислородных соединений образу-

ются соответствующие углеводороды и вода:

COOH

+ H

19.2. Катализаторы гидроочистки

Используемые в промышленных гидрогенизационных

процессах катализаторы являются сложными композиция-

ми, и в их состав входят, как правило, следующие компо-

ненты:

1) металлы VIII группы: Ni, Co, Pt, Pd, иногда Fe;

2) окислы или сульфиды VI группы: Mo, W, иногда Сr;

3) термостойкие носители с развитой удельной по-

верхностью и высокой механической прочностью, инерт-

ные или обладающие кислотными свойствами.

503

Никель, кобальт, платина или палладий придают ката-

лизаторам дегидро-гидрирующие свойства, но они не об-

ладают устойчивостью по отношению к отравляющему

действию контактных ядов и не могут быть использованы в

отдельности в гидрогенизационных процессах.

Молибден, вольфрам и их оксиды являются n-

полупроводниками (как и Ni, Co, Pt и Pd). Их каталитиче-

ская активность по отношению к реакциям окисления-

восстановления обусловливается наличием на их поверх-

ности свободных электронов, способствующих адсорбции,

хемосорбции, гомолитическому распаду органических мо-

лекул. Однако Мо и W значительно уступают по дегидро-

гидрирующей активности Ni, Co и особенно Pt и Pd.

Сульфиды же Мо и W являются р-полупроводниками

(дырочными). Дырочная их проводимость обусловливает

протекание гетеролитических (ионных) реакций, в частно-

сти, расщепление C-S, C-N и С-0 связей в гетероорганиче-

ских соединениях.

Сочетание Ni или Со с Мо или W придаёт их смесям и

сплавам бифункциональные свойства — способность осу-

ществлять одновременно и гомолитические, и гетеролити-

ческие реакции и, что особенно важно, стойкость по отно-

шению к отравляющему действию сернистых и азотистых

соединений, содержащихся в нефтяном сырье.

Применение носителей позволяет снизить содержание

активных компонентов в катализаторах, что особенно важ-

но в случае использования дорогостоящих металлов. В за-

висимости от типа реакторов катализаторы на носителях

изготавливают в виде таблеток, шариков или микросфер.

Носители нейтральной природы (оксиды алюминия,

кремния, магния и др.) не придают катализаторам на их ос-

нове дополнительных каталитических свойств.

Носители, обладающие кислотными свойствами, как,

например, синтетические аморфные и кристаллические

алюмосиликаты и цеолиты, магний- и цирконийсиликаты,

фосфаты, придают катализаторам дополнительно изомери-

504

зующие и расщепляющие (крекирующие) свойства. Отсю-

да понятно, почему катализаторы гидрообессеривания вы-

сококипящих и остаточных нефтяных фракций, особенно

гидрокрекинга, изготавливают с использованием кислотно-

активных носителей. Катализаторы на таковых носителях,

содержащие металлы VI и VIII групп, являются по сущест-

ву полифункциональными.

В мировой практике наибольшее распространение в

гидрогенизационных процессах получили алюмокобальт-

молибденовые (АКМ), алюмоникельмолибденовые (АНМ)

и смешанные алюмоникелькобальтмолибденовые (AHKM),

а также алюмоникельмолибденсиликатные (АНМС) ката-

лизаторы. В процессах глубокого гидрирования азотсодер-

жащих ароматических соединений парафинов и масляных

фракций применяют алюмоникель- или алюмокобальт-

вольфрамовые катализаторы (АНВ или АКВ). В последние

годы распространение получают цеолитсодержащие ката-

лизаторы гидрообессеривания и гидрокрекинга. АКМ и

АНМ катализаторы гидроочистки содержат 2-4 % мас. Со

или Ni и 9-15 % мас. МоО

на активном γ-оксиде алюми-

ния. На стадии пусковых операций или в начале сырьевого

цикла их подвергают сульфидированию (осернению) в токе

S и H

, при этом их каталитическая активность сущест-

венно возрастает.

Сырьём процессов гидрооблагораживания являются

бензиновые, керосиновые и дизельные фракции, вакуум-

ный газойль и смазочные масла.

Для гидрирования применяется циркулирующий во-

дородосодержащий газ (ВСГ) с высокой концентрацией

водорода 60 % об. Кратность циркуляции ВСТ в зависимо-

сти от качества сырья изменяется в пределах от 150 до

1000 м

сырья.

Регенерация катализатора. В процессе эксплуатации

катализатор постепенно теряет свою активность в резуль-

тате закоксовывания и отложения на его поверхности ме-

таллов сырья. Для восстановления первоначальной актив-

505

ности катализатор подвергают регенерации окислительным

выжигом кокса. В зависимости от состава катализатора

применяют газовоздушный или паровоздушный способ ре-

генерации. Цеолитсодержащие катализаторы гидрообессе-

ривания и гидрокрекинга нельзя подвергать паровоздуш-

ной регенерации.

Газовоздушную регенерацию обычно проводят сме-

сью инертного газа с воздухом при температуре до 530 °С.

При этом регенерируемый катализатор ускоряет реакции

горения кокса.

Паровоздушную регенерацию проводят смесью, на-

гретой в печи до температуры начала выжига кокса. Смесь

поступает в реактор, где происходит послойный выжиг

кокса, после чего газы сбрасывают в дымовую трубу.

19.3. Технологическая схема установки

гидрообессеривания нефтяных остатков

В современной мировой нефтепереработке наиболее

актуальной и сложной проблемой является облагоражива-

ние (деметаллизация, деасфальтизация и обессеривание)

нефтяных остатков — гудронов и мазутов, потенциальное

содержание которых в нефтях большинства месторождений

составляет 20-55 %.

Из промышленно-освоенных процессов оригиналь-

ным, наиболее технологически гибким и достаточно эф-

фективным является процесс гидрообессеривания тяжелых

нефтяных остатков "Хайвал", разработанный Французским

институтом нефти.

Принципиальная технологичная схема представлена

на рис. 19.1.

Реакторный блок установки состоит из поочередно

работающих защитных реакторов Р-1 а и Р-1 б, двух по-

следовательно работающих основных реакторов Р-2 и Р-3

глубокой гидродеметаллизации и двух последовательно

работающих реакторов гидрообессеривания Р-4 и Р-5.

506

Рис.19.1. Принципиальная технологическая схема установки

гидрообессеривания нефтяных остатков

Защитные реакторы P-1 а и Р-1 б работают в режиме

взаимозаменяемости; когда катализатор в работающем ре-

акторе теряет свою деметаллизирующую активность, пере-

ключают на другой резервный реактор без остановки уста-

новки. Продолжительность непрерывной работы реакторов

составляет: защитных — 3-4 месяца, а остальных — 1 год.

Исходное сырье (мазуты, гудроны) смешивают с ВСГ,

реакционную смесь нагревают в печи П-1 до требуемой

температуры и последовательно подают в защитный и ос-

новные реакторы гидродеметаллизации и реакторы гидро-

обессеривания. Продукты гидрообессеривания подвергают

горячей сепарации в горячем и холодном газосепараторах,

далее стабилизации и фракционированию на атмосферных

и вакуумных колоннах.

В качестве катализатора в процессе используют моди-

фицированный гидрирующими металлами оксид алюминия,

обладающий высокой металлоемкостью (катализатор имеет

шероховатую поверхность с порами в форме "ежа").

507

Глава 20

ГЛУБОКАЯ ПЕРЕРАБОТКА НЕФТИ

В XXI веке актуальной проблемой мировой экономи-

ки является исчерпание запасов в условиях реально насту-

пающего дефицита нефти. Существующая практика нера-

ционального расходования нефтяных ресурсов не может

быть оправдана. Нефть должна полностью и без остатка

перерабатываться с получением только высококачествен-

ных и экологически чистых продуктов, прежде всего мо-

торных топлив, высокоиндексных смазочных масел и сы-

рья для нефтехимического синтеза. Для решения этой ак-

туальной проблемы необходимы углубление и химизация

переработки нефти. Эта генеральная линия развития со-

временной мировой нефтепереработки связана с разработ-

кой и внедрением гибких технологических схем и совре-

менных высокоинтенсивных экологически безвредных

термокаталитических процессов глубокой переработки

нефтяных остатков с получением высококачественных мо-

торных топлив и других нефтепродуктов. На рисунке 20.1

представлена принципиальная схема комплексной перера-

ботки нефти.

Нефть после двухступенчатой электрообессоливаю-

щей установки поступает на атмосферно-вакуумную пере-

гонку, в результате которой получается несколько светлых

дистиллятов, тяжелый газойль и гудрон. Головку бензина и

фракцию реактивного топлива после очистки направляют

на смесительную станцию для компаундирования. Фрак-

цию тяжёлого бензина подвергают каталитическому ри-

формингу для получения высокооктанового компонента

бензина или ароматических углеводородов. Кроме того,

риформингу подвергается бензиновый дистиллят коксова-

ния.

508

509

Оба компонента сырья предварительно проходят гид-

роочистку. Предусмотрена экстракция ароматических уг-

леводородов из жидких продуктов риформинга, которая

при получении на установке риформинга бензина служит

одновременно для отделения и возврата на повторный ри-

форминг непревращённой части сырья. Полученный экс-

тракт путём ректификации разделяют на требуемые ком-

поненты или углеводороды. Керосиновый дистиллят и лег-

кий газойль проходят гидроочистку и используются после

этого как компоненты дизельного топлива.

Тяжёлый вакуумный газойль подвергают каталитиче-

скому крекингу в смеси с газойлем коксования.

Для увеличения выхода светлых продуктов на уста-

новке каталитического крекинга предусмотрена рецирку-

ляция. Гудрон поступает на установку коксования; жидкие

продукты этого процесса являются сырьём для установок

каталитического риформинга и каталитического крекинга,

лёгкий газойль коксования после гидроочистки использу-

ется как компонент дизельного топлива. Кроме того, на ус-

тановке получают кокс, который можно использовать в ка-

честве топлива для технологических установок или элек-

тростанции завода. Газ разделяют на компоненты на газо-

фракционирующей установке (ГФУ). Сероводород, полу-

чаемый в результате очистки газа, а также с установки гид-

роочистки, перерабатывают на отдельной установке произ-

водства элементарной серы. Тем самым достигается утили-

зация серы, содержавшейся в исходном сырье, и предот-

вращается опасность отравления атмосферы.

Газообразные углеводороды перерабатывают на уста-

новках алкилирования (фракция С

) и полимеризации (фрак-

ция С

) с получением высокооктановых компонентов. Общий

отбор светлых продуктов составляет 69,0 % на нефть.

На заводе имеется установка производства водорода.

Поточная схема, представленная на рис. 20.1, характеризу-

ется глубокой переработкой нефти в виде жидкого остатка

— котельного топлива.

В связи с внедрением в промышленность процесса

510

гидрокрекинга последний может быть введен в поточную

схему завода для переработки газойлей прямой перегонки

нефти, каталитического крекинга и коксования или же ос-

татков. По этой схеме гидрокрекингу подвергается вакуум-

ный газойль; сырьём каталитического крекинга служит

смесь тяжёлого дистиллята гидрокрекинга, гидроочищен-

ного газойля коксования и тяжёлого рафината с установки

экстракции. Для повышения октанового числа бензина ис-

пользуется установка изомеризации лёгкой головки бензи-

на, предусмотрено разделение ароматических углеводоро-

дов на индивидуальные компоненты, в том числе на изоме-

ры ксилола. С целью увеличения ресурсов ароматических

углеводородов в схему введены установки каталитического

гидродеалкилирования — для производства бензола из ме-

нее ценного толуола и для производства нафталина из лёг-

кого газойля каталитического крекинга.

На установке карбамидной депарафинизации выраба-

тывают зимние сорта дизельного топлива; с этой же уста-

новки получают жидкий парафин — сырьё для производ-

ства жирных кислот и других химических продуктов. Для

увеличения ресурсов газообразных олефинов имеется ус-

тановка пиролиза этана и бутана.

В схеме широко используются процессы гидроочист-

ки и экстракции. Большая часть гудрона идет на получение

кокса. Остальной гудрон идет на производство битума, а

часть остатка атмосферной перегонки используется как ко-

тельное топливо для нужд завода.

Установки гидроочистки необходимы для всех заво-

дов, перерабатывающих сернистые нефти, относительное

количество которых неуклонно возрастает. Что же касается

процессов переработки тяжелой части нефти, то её можно

использовать в различных направлениях: при неглубокой

переработке нефти непосредственно, в виде котельного то-

плива, а при глубокой переработке — превращением в бо-

лее ценные светлые нефтепродукты и сырьё для нефтехи-

мического синтеза.

511

Глава 21

МОТОРНЫЕ ТОПЛИВА

Моторные топлива в зависимости от принципа рабо-

ты двигателей подразделяются на:

1. Автомобильные и авиационные

2. Реактивные

3. Дизельные

21.1. Автомобильные и авиационные топлива

21.1.1. Принцип работы поршневых двигателей

с принудительным зажиганием

На большинстве легковых и грузовых автомобилей, а

также на некоторых самолетах установлены поршневые дви-

гатели внутреннего сгорания с принудительным зажиганием.

По роду топлива эти двигатели разделяют на двигатели жид-

кого топлива и газовые, по способу заполнения цилиндра све-

жим зарядом — на четырёхтактные и двухтактные.

Для превращения жидкого топлива в пары и смешения

его с воздухом в двигателях внутреннего сгорания с при-

нудительным зажиганием от искры, используют процесс

карбюрации, который заключается в раздроблении жидко-

го топлива на мелкие капли, интенсивном перемешивании

с воздухом и испарении. Прибор, в котором совершается

этот процесс, называют карбюратором.

На современных автомобильных и авиационных дви-

гателях используется также непосредственный впрыск бен-

зина с помощью форсунок.

В двигателях, оборудованных системой электронного

впрыска топлива, обеспечивается более равномерное рас-

пределение топлива по цилиндрам, и вследствие этого они

обладают рядом преимуществ по сравнению с карбюратор-

ными по топливной экономичности, динамичности, токсич-

ности отработанных газов.

512

Рабочий цикл четырёхтактного карбюраторного

двигателя. Такт впуска обеспечивает заполнение цилиндра

горючей смесью. За этот такт коленчатый вал (рис. 21.1.а),

вращаясь по часовой стрелке, перемещает поршень 5 от ВМТ

до НМТ. При этом открывается клапан, через который в ци-

линдр, имеющий разрежение, поступает рабочая смесь. В

конце хода поршня клапан закрывается. Кулачковый вал га-

зораспределительного механизма толкает штангу, обеспечи-

вая согласованную работу впускных и выпускных клапанов.

Воздушный фильтр очищает воздух от пыли.

Такт сжатия (рис.21.1) приводит к повышению давления

и температуры рабочей смеси вследствие уменьшения её объёма

при движении поршня от НМТ до ВМТ (клапаны 7 и 9 закрыты).

Рис. 21.1. Схема работы четырехтактного карбюраторного двигателя

С возрастанием степени сжатия смеси повышается

мощность и экономичность двигателя. Но увеличение сте-

пени сжатия сверх меры приведет к преждевременному

513

воспламенению топлива (детонации) и по этой причине —

к снижению мощности и расстройству двигателя.

Такт расширения (рабочий ход) совершается при дви-

жении поршня вниз. Перед этим, а именно в конце такта

сжатия, рабочая смесь воспламеняется свечой 1 (рис. 21.1

в), топливо быстро сгорает, вследствие чего давление газов

сильно возрастает. Действуя на поршень, газы гонят его к

НМТ, приводя во вращение коленчатый вал. Клапаны при

этом продолжают оставаться закрытыми.

Такт выпуска. Коленчатый вал продолжая вращаться,

начнет перемещать поршень вверх. Выпускной клапан от-

крывается и продукты горения (отработавшие газы) через

него выталкиваются поршнем через выпускной трубопро-

вод (рис. 21.1 г) в атмосферу.

Основным (базовым) компонентом топлив для авто-

мобильных двигателей с зажиганием от искры долгое вре-

мя был бензин прямой перегонки нефти. Этот продукт вви-

ду его низких эксплуатационных качеств повсеместно за-

меняется бензинами каталитического риформинга и кре-

кинга. Кроме них в состав автомобильных бензинов вклю-

чают алкилаты, продукты изомеризации легких бензино-

вых фракций, бензиновые фракции висбрекинга, термиче-

ского крекинга и коксования, рафинаты от экстракцион-

ного выделения бензола и толуола, гидрооблагороженные

пиролизные бензины, бутан, бутан-бутиленовую фракцию.

Для улучшения свойств и увеличения ресурсов в состав ав-

томобильных бензинов во всё возрастающих количествах

вводят кислородсодержащие соединения — метиловый и

вторичный бутиловый спирты, метилтретичнобутиловый и

метилтретичноамиловый зфиры (МТБЭ и МТАЭ).

В качестве топлива для автомобильных карбюратор-

ных двигателей в последнее время применяют сжатый или

сжиженный природный газ, сжиженную пропан-бутановую

смесь.

В качестве базовых компонентов авиационных бензи-

нов используют бензины каталитического крекинга, в не-

514

которых случаях — катализаты риформинга. Для улучше-

ния эксплуатационных свойств добавляют алкилат, толуол,

антидетонационные и антиокислительные присадки.

Эксплуатационные характеристики бензинов должны

обеспечивать нормальную работу двигателей в различных

режимах. Основными показателями качества автомобиль-

ных топлив являются детонационная стойкость, фракцион-

ный состав, химическая и физическая стабильность, со-

держание серы. Авиационные бензины, помимо этого, ха-

рактеризуются температурой кристаллизации, содержани-

ем смолистых веществ, теплотой сгорания.

21.1.2. Детонационная стойкость

Авиационные, автомобильные и тракторные поршне-

вые двигатели внутреннего сгорания с принудительным

воспламенением от искры работают по четырехтактному

циклу. В первом такте — всасывание — топливно-воз-

душная рабочая смесь заполняет цилиндр двигателя и на-

гревается к концу такта в двигателях, работающих на бен-

зине до 80-130 °С, и до 140-205 °С в керосиновых двигате-

лях. Во втором такте—сжатие—давление смеси возрастает

до 10-12 бар (бар=10

н/м

), а температура — до 150-350

°С. В конце хода сжатия с некоторым опережением смесь

воспламеняется от электрической искры. Хотя время сго-

рания топлива очень мало — тысячные доли секунды, но

оно все же сгорает постепенно, по мере продвижения

фронта пламени по камере сгорания. Фронтом пламени на-

зывается тонкий слой газа, в котором протекает реакция

горения. При нормальном сгорании фронт пламени рас-

пространяется со скоростью 20-30 м/сек. Температура сго-

рания достигает 2200-2800 °С, а давление газов сравни-

тельно плавно возрастает до 30-50 бар в автомобильных

двигателях и до 80 бар в авиационных. В третьем такте

(рабочий ход) реализуется энергия сжатых продуктов сго-

рания и во время четвертого такта цилиндр двигателя ос-

515

вобождается от продуктов сгорания.

В поршневых авиационных и автомобильных двигате-

лях в качестве топлива применяются бензины, а в трактор-

ных — керосины. Важнейшее эксплуатационное требова-

ние к этим видам моторных топлив — обеспечение нор-

мального бездетонационного сгорания в двигателях, для

которых эти топлива предназначены.

Детонацией называется особый ненормальный харак-

тер сгорания топлива в двигателе. При детонации только

часть рабочей смеси после воспламенения от искры сгорает

нормально с обычной скоростью. Последняя порция топ-

ливного заряда (до 15-20 %), находящаяся перед фронтом

пламени, мгновенно самовоспламеняется, в результате

скорость распространения пламени возрастает до 1500-

2500 м/сек, а давление нарастает не плавно, а резкими

скачками. Этот резкий перепад давления создает ударную

детонационную волну. Удар такой волны о стенки цилинд-

ра и ее многократное отражение от них приводит к вибра-

ции и вызывает характерный металлический стук, являю-

щийся главным внешним признаком детонационного сго-

рания. Другие внешние признаки детонации: появление в

выхлопных газах клубов чёрного дыма, а также резкое по-

вышение температуры стенок цилиндра. Детонация — яв-

ление очень вредное. На детонационных режимах мощ-

ность двигателя падает, удельный расход топлива возрас-

тает, работа двигателя становится жесткой и неровной.

Кроме того, детонация вызывает прогорание и коробление

поршней и выхлопных клапанов, перегрев и вывод из строя

электрических свечей и другие неполадки. Износ двигателя

ускоряется, а межремонтные сроки укорачиваются. При

длительной работе на режиме интенсивной детонации воз-

можны и аварийные последствия. Особенно опасна дето-

нация в авиационных двигателях.

Явление детонации находит объяснение в кинетиче-

ских и химических особенностях реакций окисления и сго-

рания углеводородов топлива. Эти реакции очень сложны,

516

протекают по радикально-цепному механизму и в сильной

степени зависят от температуры. Уже во время всасывания

и сжатия происходит как бы предварительная химическая

подготовка топливной смеси к сгоранию. Углеводороды

топлива вступают в реакции окисления кислородом возду-

ха. Первыми промежуточными продуктами являются гид-

роперекиси (ROOH). Это нестойкие, высокоактивные ве-

щества. Они разлагаются с образованием свободных ради-

калов, вовлекают в реакцию все новые и новые молекулы

углеводородов. Следовательно, реакции окисления идут с

самоускорением. Возникают новые активные центры, раз-

виваются новые цепи реакций.

Перекиси относят к разряду весьма нестойких соеди-

нений, которые при высоких термобарических условиях

могут самопроизвольно разлагаться и стать причиной воз-

никновения детонации. Теоретическим обоснованием ги-

потезы Баха по радикально-цепной теории Семенова яв-

лялся следующий механизм окисления углеводородов:

R + O

ROO

ROO + R

ROOH + R

ROOH

RO + OH

RH + O

+ HOO

т.е. образование трёх радикалов – R

. 1

, RO

и ОН

, что и вы-

зывает самоускорение процесса горения.

Однако теория Баха-Семенова не объясняет влияние

молекулярного строения углеводородов на их детонацион-

ную стойкость (ДС) и не даёт ответа на вопрос: почему

изоалканы, циклоалканы, арены, эфиры и спирты более

стойки к детонации, чем н-алканы.

В высокотемпературных условиях ДВС гидропереки-

си практически не могут образовываться. Ими предложена,

так называемая, альдегидная теория детонационного горе-

ния по следующему механизму: