Химмотология. ДВС и переработка нефти [Константин Владимирович Ефанов] (fb2) читать онлайн

Константин Ефанов Химмотология. ДВС и переработка нефти

Введение

Настоящая монография является дополнительной главой к существующим объемным изданиям по этой теме.

Главный в работе является рассмотрение вопроса влияния процесса сгорания топлива в двигателе на структуру процессов в нефтепереработке и на проектирование нефтеперебатывабщих заводов.

Показано, что для структуры нефтепереработки исходными данными являются характеристики процесса сгорания топлива в двигателе. Это связано с тем, что под нужные свойства необходим соответствующий состав топлива. Под выпуск товарного топлива нужного состава выстраиваются производственные цепочки и процессы на нефтеперабатывающих заводах.

На двигателестроение химмотология влияния практически не оказывает. Автомобильные двигатели внутреннего сгорания проектируются под какой-либо тип топлива, например, бензин. А затем, совершенствуется конструкция двигателя и ужесточаются к требования к его работе в том числе экологические по выбросу в атмосферу продуктов окисления. Это можно увидеть при историческом прочтении развития нефтепереработки. И уже под более жесткие требования к топливам, в нефтепереработке меняются технологические процессы, направленные на его выработку.

Вместе с тем, для обеспечения новых норм по экологии двигателестроение производит новые модели двигателей, работающие на новых топливах с пониженным содержанием серы и тд. Например, стандарты Евро 3, 4, 5…

Влияние конструкций ДВС на применяемые топлива

Бензин впрыскивается в камеру сгорания форсункой с приготовлением топливовоздушной смеси. Испаряемость бензина определяют [1]: углеводородный состав бензиновой фракции, давление насыщенных паров, теплоту испарения, вязкость , теплоемкость, плотность, коэффициент диффузии паров, поверхностное натяжения. Больше всего на испаряемость бензина влияет состав бензиновой фракции и давление насыщенных паров. Испарение и образование паровоздушной смеси необходимо для возможности воспламенения от искры, вырабатываемой свечой.

Все перечисленные параметры определяются для топлива в лабораторных условиях.

Фракционный состав топлива определяет процессы нефтепереработки, используемые для получения бензина [6].

Кроме того, сейчас в проектировании двигателей внутреннего сгорания применяется концепция универсального цилиндра. То есть модуля, являющегося полноценным одноцилиндровым двигателем, сопряжением нескольких таких модулей можно получить, например, рядный четырехцилиндровый двигатель или V-образныйный восьмицилиндровый двигатель.

Для образцов техники, в которых применялись двухтактные двигатели теперь возможно устанавливать четырехтактные двигатели на основе универсального цилиндра и тем самым произойдет изменение в необходимых горюче-смазочных материалах.

Современные двигатели работают с высокой степенью сжатия и для их требуются бензины с высокими октановыми числами. В настоящее время наиболее распространённом является бензин АИ-95.

Октановое число является мерой склонности бензина к сгорания с процессом детонации. Испытывают бензин на октановое число на лабораторной установке, содержащей один цилиндр [1]. Отметим сходство с одноцилиндровым двигателем на основе унифицированного цилиндра. Под бензин подбирают смесь изооктана и гептана. Для изооктана число равно 100, для гептана 0, при смешивании можно получить число 95.

Рассмотрим процесс детонации и влияние на детонации химической структуры углеводородов бензиновой фракции.

При без детонационном сгорании смесь бензина с воздухом равномерно сгорает в камере сгорания двигателя. При детонации часть смеси самовоспламеняется и возникает волна (ударная), распространяющаяся со сверхзвуковой скоростью, то есть со скоростью на порядки выше скорости без детонационного сгорания. При многократном отражении волны от стенок в двигателе слышен характерный стук. В результате снижается ресурс ДВС.

На области топливовоздушной смеси в камере на максимальном расстоянии от искры свечи происходит наиболее длительное воздействие высокой температуры, которая выше температуры самовоспламенения [1]. Задержка самовоспламенения выше времени сгорания остатков топлива в фронте пламени. Если задержки самовоспламенения не происходит, несгоревшая часть топливовоздушной самовоспламеняется с детонацией, то есть с ударной волной.

Из конструктивных особенностей двигателя на склонность к детонационному сгоранию влияет [1]: высокая степень сжатия в камере, относительно длинный путь прохождения фронта пламени, недостаточное охлаждение последних порций топливной смеси.

Конструкция двигателя внутреннего сгорания и конкретно камеры горения влияют на равномерность протекания процессов горения, то есть окисления топлива. В этом наблюдается сходство с аппаратами, в которых получают бензин при переработке нефти, где также требуется равномерность процесса по объему аппарата, за счет чего достигается равномерность состава продукта.

Процессы сгорания топлива в камере моделируются в программных пакетах методом конечных элементов в учетом гидро- и газодинамики, температурного поля и химических реакций. Лучшей из таких программ можно отметить пакет ANSYS. В работе [2] представлена последовательность моделирования процессов методом конечных элементов. При моделировании процесса сгорании при расчете и проектировании двигателя, в расчет методом конечных элементов закладывают все протекающие физико-химические процессы. По результатам расчета получают блок цилиндра с оптимальной конструкцией.

Приведем общий порядок расчета процесса сгорания топлива методом конечных элементов:

1. Построение геометрии или экспорт из программ для твердотельного моделирования,

2. Выбор условий расчета и назначение вариантов расчета для разных условий работы цилиндра,

3. Задание материалов и их физико-химических параметров,

4. Введение ограничений в модель, таких как стенка цилиндра и др.,

5. Построение расчетной сетки из конечных элементов, в узлах которой будут решаться уравнения, описывающие совокупность протекающих процессов, составляющих общий процесс горения топливовоздушной смеси,

6. Поиск решений, проверка сходимости и др. расчетные операции.

7. Получение цветных диаграмм с результатами расчетов и интерпретация данных, выполнения заключения по результатам расчета о протекании процесса и конструкции двигателя.

Механический расчет в программе ANSYS представлен в работе [3].

Остальные факторы относятся к самому топливу и будут рассмотрены ниже.

Горение топлива в камере

Рассмотрим влияние структуры углеводородов на детонационную стойкость.

Максимальное количество энергии от сгорания единицы массы топлива может быть рассчитано при известных составе топлива и средней температуре сгорания [4]. Введем комментарий. Наиболее точные результаты получаются если использовать для теплоемкости форму степенной зависимости [5], однако для смесей углеводородов коэффициенты не всегда известны и необходим фиксированный состав фракций (учитывается вклад каждой фракции). Потому используют средние значений. В целом тепловой эффект рассчитывается по разности энтальпий сырья и продуктов.

В работе [4] приводятся данные по теплоте сгорания некоторых видов топлив в размерности кДж/г:

– водород (газ) – 286,

– метан – 56,

– н-Бутан (газ) – 50,

– н-Октан – 48,

– циклогексан – 47,

– этилен – 50,

– ацетилен – 48,

– бензол – 42,

– метанол – 23,

– этанол – 30.

Из приведенный данных следует, что наибольшую энергию выделяет водород, углеводороды алканы дают больше энергии, чем ненасыщенные углеводороды и соединения, содержание кислород.

Наилучшим топливом по критерию выделяемой энергии при сгорании является водород. К недостаткам относят его опасность при эксплуатации.

В работе [4] приводятся теплоты образования углеводородов различного строения. Авторы делают два вывода по анализу проблемы зависимости энергии от структуры углеводорода:

1. Разветвленные углеводороды более устойчивы (до 12 кДж на каждую метильную группу). Энергия связи углерод-углерод максимальна в структурах с четвертичным атомом углерода. Изомеры не эквивалентны по энергии. Разветвленные изомеры устойчивее неразветвленных линейных изомеров.

2. В разветвленных изомерах углеводородов между группами возникает отталкивание, если расстояние сокращается радиуса взаимодействия Ван-дер-Ваальса. Пространственная неустойчивость снижает стабильность разветвленных изомеров углеводородов.

Отметим, что в настоящее время расчеты молекулярных эффектов выполнятся методами квантовой механики в специальных программах, например, HyperChem [10].

На макроуровне, то есть на уровне расчета процесса горения расчет выполняется в программе ANSYS конечно-разностным методом, в котором учитываются химические реакции горения.

Процессы цепных реакций окисления подробно рассмотрены в работах академика Семенова [8], [9].

Франк-Каменецкий в работе [11] указывает, что для при выделении большого количества энергии радикалы, свободные атомы, лабильные молекулы (такие как перекись) с избыточной химической энергией, которые затем переходят в стабильные химические соединения. Это обстоятельство определяет процесс горения. Наиболее изучены на момент написания [11] цепные реакции окисления водорода.

Для реакции окисления углеводородов используют модельные схемы элементарных реакций, протекающих в несколько стадий.

В работе [11] отмечается, что при окислении высших углеводородов процесс происходит по нескольким схемам.

Точный расчет по-видимому можно выполнить на современной этапе времени используя программу квантово-механических расчетов HyperChem.

В программе Chemkin ANSYS используется термодинамический принцип выбора схемы.

В работе [11] отмечается двух стадийность процесса воспламенения.

Так на первой стадии образуется холодное пламя в определенной области давлений и температур. Реакции окисления не протекают до завершения.

Холодное воспламенение самопроизвольно переходит в горячее воспламенение.

Распространение пламени является последней стадией горения. Конечные продукты для разных углеводородов являются одинаковыми. В раюоте [11,с.284] делается вывод о том, что скорость распространения всех углеводородных племён ограничивается реакцией догорания окиси углерода.

В теории распространения пламени находится стационарный режим, в котором пламя распространяется с постоянной скоростью (нормальной скоростью пламени) [11].

Повышение детонационной стойкости бензина

Гуреев называет три способа [1]:

1. использование высокооктановых фракций,

2. добавление в товарный бензин высокооктановых фракций,

3. добавление специальных присадок к топливу.

Гуреев приводит таблицу октановых чисел в зависимости от способа получения бензина на нефтеперерабатывающем заводе: [1]

– термический крекинг мазута из куйбышевскиой нефти 71,2 ОЧИ и 64,2 ОЧМ,

– каталитический крекинг легкого дистилятоного сырья из смести куйбышевских нефтей 82,6 ОЧИ и 74,9 ОЧМ,

– термический крекинг полугудрона 75,6 ОЧИ и 68,5 ОЧМ,

– замедленное коксование гудрона 68,2 ОЧИ и 62,4 ОЧМ,

– каталитический крекинг тяжелого нефтяного сырья из ромашкинсковой нефти 83,8 ОЧИ и 76,2 ОЧМ,

– гидрокрекинг 75 ОЧИ и 71 ОЧМ,

– каталитический риформинг, платформинг мягкого режима 83,6 ОЧИ и 77 ОЧМ

– каталитический риформинг, платформинг жесткого режима 96,6 ОЧИ и 86 ОЧМ.

В бензинах первичной переработки нефти содержатся в больших количествах неразветвленные изомеры. Поэтому вторичные процессы нефтепеработки направлены на синтез разветвленных углеводородов из неразветвленнпых. А присадки к топливам добавляют на стадии приготовления (смешения) товарных продуктов.

Процессы первичной первичной переработки подробно описаны в работе [6], процессы вторичной переработки максимально детально разобраны в работе [7].

Свойства высокооктановых компонентов, добавляемых к ьензинам по 2 способу приведены Гуреевым в следующих данных [1]:

– бензин газовый – 89 ОЧИ, 86 ОЧМ

– изооктан технический – 100 ОЧИ, 100 ОЧМ,

– изомеры С5-С6 – 81…87 ОЧИ, 79…85 ОЧМ,

– бутановая фракция – 94 ОЧИ, 89 ОЧМ,

– изобутановая фракция – 101 ОЧИ, 97 ОЧМ

– изопентановая фракция – 93 ОЧИ, 90 ОЧМ

– алкилбензол 107 ОЧИ, 100 ОЧМ,

– толуол – 115 ОЧИ, 103 ОЧМ.

Гуреев отмечает [1], что октановое число углеводорода в чистом виде отличается от числа в составе смеси. Октановые числа бензиновой фракции прямой перегонки близки к октановым числам для чистых веществ вне смеси. Бензиновые фракции каталитических процессов имеют октановые числа в смеси выше, чем в числом виде. Алкилированные бензолы имеют числа в смеси ниже, чем в чистом виде, толуолы и ксилолы, наоборот, выше. При подборе рецептуры топлива обеспечивается равномерное октановое число по всем фракциям.

Заключение

Химмотология является совместным прочтением процессов сгорания топлив в двигателях и состава и свойств топлив. Прямой связи между конструкцией двигателя и свойствами топлива химмотология не устанавливает в целом.

Конструкция двигателя проектируется и оптимизируется по процессам сгорания топлива. Двигатели определенных типов могут выбираться исходя из доступного топлива. Однако, для новых топлив по новым экологическим стандартам Евро 3, 4, 5… проектируются и новые двигатели. В результате происходит обновление и двигателей и смена топлив на топлива с низким содержанием серы и др.

Данные по процессу сгорания топлив в двигателе, например, по экологии или теплотехническим характеристикам топлива, детонационным свойствам, имеют важное экономическое значение и определяют структуру нефтеперабатывающих производств по применению технологических процессов, направленных на выработку востребованного топлива в нужных количествах.

На наличие технологических процессов в составе завода влияет качество добываемой на месторождении нефти, например, по содержанию серы или компонентному составу углеводородов.

Нетфепереработчику рекомендуется ознакомиться с химмотолигией по существующим объемным изданиям углубленно и с конструкцией двигателей внутреннего сгорания – для более глубокого понимания основ проектирования в нефтепереработке.

Литературные источники

1. Гуреев А.А., Фукс И.Г., Лашхи В.Л., Химмотология. – М.: Химия. 1986. – 368 с.

2. Шаблий Л.С., Кривцов А.В., Колмакова Д.А. Компьютерное моделирование типовых гидравлических и газодинамических процессов двигателей и энергетических установок в ANSYS FLUENT: учеб. пособие. – Самара.: Изд-во Самар. ун-та, 2017. – 108 с.

3. Бруяка В.А., Фокин В.Г., Солдусова Е.А., Глазунова Н.А., Адеянов И.Е. Инженерный анализ в ANSYSWorkbench: Учеб. пособ. – Самара: смр. гос. техн. ун-т, 2010. – 271 с.

4. Бартон Д., Оллис У.Д., под ред. Стоддарта Дж.Ф. Общая органическая химия. Т.1. Стереохимия, углеводороды, галогенсодержащие соединения. Под ред. Кочеткова. – М.: Химия, 1981. – 736 с.

5. Мищенко К.П., Равдель А.А., Краткий справочник физико-химических величин. – Л.: Химия, 1974 г. – 200

6. Капустин В.М., под ред. Глаголевой. Технология перерботки нефти. В 4-х частях. Часть первая. Первичная переработка нефти. – М.: КолоС, 2012. – 456 с.

7. Капустин В.М., Гуреев А.А. Технология переработки нефти. Часть 2. Деструктивные процессы. – М.: КолосС, 2007. – 334 с:

8. Семенов Н.Н. Цепные реакции. – 2-е изд. – М.: Наука, 1986. – 535 с.

9. Семенов Н.Н. О некоторых проблемах химической кинетики и реакционной способности. 2-е изд. – М.: Изд-во АН СССР, 1958. – 686 с.

10. Климов В.В., Алейникова Т.П, Козловцев В.А. Основы квантовохимического анализа. – Волгоград: Изд-во ВолгГТУ, 2017. – 32 с.

11. Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. – М.: Наука, 1987. – 502 с.

Оглавление

Введение

Влияние конструкций ДВС на применяемые топлива

Горение топлива в камере

Повышение детонационной стойкости бензина

Заключение

Литературные источники