Топливо и смазочные материалы

      УДК [665.73/76+621.89](075.8)
      ББК 31.353:40.72я73
           К93


   ФЗ    Издание не подлежит маркировке  
№ 436-ФЗ в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1

     Рецензенты:
        Медовник А.Н., доктор технических наук, профессор кафедры ремонта машин и материаловедения Кубанского Государственного аграрного университета;
        Шепелев А.Б., кандидат технических наук, доцент кафедры ремонта машин и материаловедения Кубанского Государственного аграрного



      Курасов В.С.
К93        Топливо и смазочные материалы : учебное пособие / В.С. Курасов,
      В.В. Вербицкий. — Москва : ИНФРА-М, 2020.           —   82 с. — (Высшее
      образование: Бакалавриат).


      ISBN 978-5-16-109344-3 (online)

                     Рассмотрены эксплуатационные свойства топлив, характеристики смазочных материалов и специальных жидкостей, их ассортимент, основные показатели качества, влияющие на технико-экономические характеристики машин. Даны сведения об экологических свойствах топлива и смазочных материалов, рациональном использовании различных сортов и марок, области их применения. Приведены методики лабораторного исследования качества автомобильных бензинов, дизельного топлива и моторных масел. Описаны методы контроля консистентных смазок.
                     Предназначено для студентов инженерных специальностей, обучающихся по направлениям подготовки бакалавриата «Агроинженерия», «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов» и специалитета «Наземные транспортно-технологические средства».


УДК [665.73/76+621.89](075.8)
ББК 31.353:40.72я73

ISBN 978-5-16-109344-3 (online)

© Курасов В.С., Вербицкий В.В., 2020

Содержание
1 Основные сведения о нефти................................... 4
1.1 Значение нефти в мировом хозяйстве........................ 4
1.2 Свойства углеводородов нефти.............................. 4
2 Получение топлив и масел.................................... 7
2.1 Методы получения жидких топлив............................ 7
2.2 Прямая перегонка нефти.................................... 7
2.3 Переработка мазута в вакуумной ректификационной колонне...    8
2.4 Крекинг................................................... 9
2.5 Риформинг................................................. 10
2.6 Очистка топлив и масел.................................... 11
3 Общие свойства жидких топлив................................ 12
3.1 Т еплота сгорания топлив.................................. 12
3.2 Расчетное количество воздуха, необходимое для сгорания.... 13
3.3 Основные свойства жидких топлив........................... 14
4 Процесс сгорания............................................ 16
4.1 Протекание процесса сгорания.............................. 16
4.2 Протекание детонации...................................... 18
4.3 Антидетонаторы............................................ 19
5 Топливо для карбюраторных двигателей........................ 20
5.1 Основные требования и ассортимент автомобильных бензинов....  20
5.2 Определение октанового числа бензина...................... 20
5.3 Карбюрационные свойства .................................. 21
5.4 Основные показатели качества бензина...................... 22
5.5 Изменение свойств бензина при транспортировке и хранении . 23
5.6 Меры борьбы с потерями бензина............................ 24
5.7 Лабораторное исследование качества бензина................ 24
6 Топливо для дизельных двигателей ........................... 28
6.1 Эксплуатационные требования и ассортимент дизельных топлив... 29
6.2 Основные свойства дизельных топлив........................ 29
6.3 Определение цетанового числа дизельного топлива .......... 30
6.4 Показатели качества дизельных топлив ..................... 31
6.5 Изменение свойств топлива при транспортировке и хранении . 31
6.6 Меры борьбы с потерями дизельного топлива ................ 32
6.7 Лабораторное исследование качества дизельного топлива ...     33
7 Трение и смазка ............................................ 38
7.1 Общие понятия о трении и смазке........................... 38
7.2 Жидкостное трение в подшипнике ........................... 38
7.3 Классификация смазочных материалов........................ 40
8 Присадки к смазочным маслам................................. 41
8.1 Антиокислительные присадки................................ 41
8.2 Антикоррозийные присадки.................................. 42
8.3 Противоизносные и противозадирные присадки................ 42
8.4 Депрессорные и моюще-диспергирующие присадки.............. 43
8.5 Антипенные присадки....................................... 45

9 Моторные масла........................................... 46
9.1 Условия работы моторных масел.......................... 46
9.2 Классификация и ассортимент моторных масел............. 48
9.3 Классификация моторных масел США....................... 49
9.4 Основные свойства масел................................ 50
9.5 Основные пути экономии масел........................... 51
9.6 Лабораторное исследование качества моторного масла..... 51
10 Синтетические моторные масла............................ 59
10.1 Основные виды синтетических масел..................... 59
10.2 Характеристика отдельных видов синтетических масел.... 60
10.3 Сравнительные свойства нефтяных и синтетических масел. 62
11 Трансмиссионные и гидравлические масла.................. 63
11.1 Условия работы и основные свойства трансмиссионных масел.... 63
11.2 Ассортимент трансмиссионных масел..................... 64
11.3 Масла для гидросистем ................................ 64
11.4 Индустриальные масла ................................. 65
12 Консистентные смазки.................................... 65
12.1 Состав и основные свойства консистентных смазок....... 65
12.2 Ассортимент консистентных смазок...................... 66
12.3 Твердые слоистые смазки............................... 67
12.4 Методы контроля качества консистентных смазок......... 67
13 Технические жидкости.................................... 70
13.1 Охлаждающие жидкости.................................. 70
13.2 Тормозные жидкости ................................... 71
14 Рациональное использование ТСМ.......................... 72
15 ТСМ и экология ......................................... 76
15.1 Токсичное влияние на людей жидких нефтепродуктов...... 76
15.2 Токсичность отработавших газов........................ 77
15.3 Загрязнение нефтепродуктами почвы и почвенных вод .... 78
15.4 Пожарная и взрывная опасность топлив ................. 79
15.5 Причины пожаров и взрывов ............................ 79
Список использованных источников........................... 81

1 Основные сведения о нефти

       1.2 Значение нефти в мировом хозяйстве

       Нефть является основным энергоносителем и важнейшим сырьем для химической промышленности. Углеводороды не только являются основой производства многих химических продуктов, химических волокон и пластмасс, но и позволяют заменить пищевое сырье при производстве этилового спирта, каучука, моющих средств и др.
       Ежегодная добыча нефти (млн. тонн) составляет: Россия - 500, Саудовская Аравия - 500, США - 360, Иран - 200, Китай - 140, Мексика - 140, Норвегия - 140, Великобритания - 130, Венесуэла - 130, ОАЭ - 115.
       Ежегодное потребление нефти (млн. тонн) составляет: США - 680, Россия - 240, Япония - 220, Китай - 160, Германия - 105, Великобритания -85, Саудовская Аравия - 80, Франция - 75, Италия - 75. США потребляют 28% углеводородов от общемировой добычи.
       Цена на нефть до начала 70-х годов составляла 3,2 $ за баррель (159 литров). После создания ОПЕК эта цена в 1975 году возросла до 32 $ за баррель, что президент США назвал удушением индустриального мира и заявил о готовности противодействовать этому военной силой. Вскоре король Саудовской Аравии - центральная фигура ОПЕК - был убит. После этого в 1980-1985 гг. цена на нефть снизилась до 10-15$ , но в 2004 г. она снова возросла до 50 $, а в 2007 г. - до 100 $ и в 2008 г. - до 140 $ за баррель. В последние годы эта цена установилась на уровне около 100 $ за баррель. Нефть является важнейшим предметом геополитических интересов многих государств, истинной причиной большинства войн и вооруженных конфликтов современности. Примеры тому Ирак, Ливия, Иран и др.
       Советский Союз с 1970 по 1985 гг. ежегодно добывал 620 млн. тонн нефти, экспортируя при этом 120 млн. тонн. Россия увеличила добычу с 400 млн. тонн в 2000 г. до 500 в 2008 г., причем экспорт возрос до 250 млн. тонн. Затраты на добычу и транспортировку нефти в России составили в 2010 году около 16-24 $ за баррель и имеют устойчивую тенденцию к росту.


       1.2 Свойства углеводородов нефти

       Нефть является основным сырьем для получения топлив и масел. Она представляет собой горючую вязкую маслянистую жидкость темно-бурого, темно-зеленого, иногда светло-желтого цвета, будучи по химическому составу сложной смесью углеводородов. Плотность нефти колеблется от 0,73 до 1,00 г/см³. Элементарный состав нефти: углерод 83-87%, водород 11-14%, кислород и азот 0,1-1,5%, сера 0-5%. В нефти содержатся, главным образом, углеводороды трех классов - парафиновые, нафтеновые и ароматические.
       Наиболее распространены в нефти парафиновые углеводороды (алканы), которые имеют эмпирическую формулу СпН2п+2. При числе атомов угле

рода в молекуле от 1 до 4 - это газы, от 5 до 15 - жидкости, а свыше 15 -твердые углеводороды. Атомы углерода в молекулах парафинов соединены между собой одинарными связями. Это цепочное или нитевидное строение и чем больше углеродных атомов, тем длиннее цепь. Такие углеводороды называются нормальными парафинами: СН3-СН2-СН2-СН2-СН3.
      Нормальные парафины легко окисляются при повышенной температуре и снижают детонационную стойкость бензинов. В зимних сортах дизельных топлив наличие нормальных парафинов нежелательно, т.к. многие из них имеют высокие температуры застывания.
      Кроме нормальных парафинов могут быть изомерные углеводороды -изопарафины. Они имеют ту же формулу, что и углеводороды нормального ряда, но иное пространственное расположение атомов углерода, например, ответвления от цепочки атомов углерода, что является причиной различия физических и химических свойств.
СН3-СН2-СН-СН3

СНз
      Изопарафины при температуре выше 250оС устойчивы к действию кислорода, что делает их желательным компонентом в бензинах.
      При нормальной температуре и атмосферном давлении все парафиновые углеводороды слабо взаимодействуют с другими веществами, поэтому содержащие их топлива и смазки обладают высокой стабильностью. Под действием высокой температуры алканы способны расщепляться с образованием низкомолекулярных углеводородов, свободного водорода и углерода в виде кокса.
      Нафтеновые углеводороды (цикланы) в составе нефти имеют, главным образом, моноциклическое строение с 5-6 атомами углерода в кольце. Эмпирическая формула нафтенов СпН2п.
СН2

       Циклическое строение обусловливает высокую химическую прочность молекул этих углеводородов - на них не действуют кислоты и щелочи, они способны только к реакциям замещения и при высокой температуре - к распаду.
       Кроме моноциклических нафтенов в высших соляровых и масляных фракциях могут находиться полициклические углеводороды, составленные из двух или более нафтеновых колец. Нафтены обладают обычно более высокой плотностью и температурой кипения, чем парафины одинакового молекулярного веса. Нафтены более устойчивы к окислению, чем нормальные

парафины при высоких температурах, что делает их желательными в составе бензинов. Нафтены имеют низкую температуру застывания, поэтому они

входят в состав зимних сортов дизельных топлив.
       Ароматические углеводороды (арены) имеют формулу СпН2п-6. Их молекулы содержат бензольное кольцо, в котором три одинарные связи чере

дуются с двойными.

       Для ароматических углеводородов не свойственны реакции присоединения, но они легко вступают в реакции замещения. При высокой температуре и в присутствии катализатора арены могут переходить в нафтены, присоединяя водород. Ароматические углеводороды имеют более высокую вязкость, температуру кипения и плотность, чем нафтены и парафины той же молекулярной массы. Их отличает резкое возрастание вязкости при снижении температуры, что ограничивает их содержание в зимних сортах нефтепродуктов.
       Высокая термическая устойчивость ароматиков в присутствии кислорода обеспечивает их антидетонационные свойства в бензинах и одновременно делает их нежелательными в составе дизельных топлив. При высокой температуре ароматические углеводороды способны образовывать полициклические соединения, в том числе канцерогенное вещество - 3,4 бензпирен. Поэтому содержание органических углеводородов в топливах сейчас ограничивают.
       Непредельные углеводороды (алкены или олефины) характеризуются двойными или тройными связями между атомами углерода. Эти связи непрочны и легко рвутся, образуя из молекулы два осколка - радикала, которые активно вступают в химические реакции.
СН3 - СН2 - СН = СН - СН3
       Основная часть непредельных углеводородов образуется в процессе термической переработки нефти, когда происходит расщепление, разрушение отдельных углеводородов. Все непредельные углеводороды очень склонны к реакциям присоединения и полимеризации. При окислении их образуются окислы, органические кислоты и смолистые вещества, а при полимеризации - высокомолекулярные смолисто-асфальтовые вещества, как растворенные в нефтепродуктах, так и выпадающие в виде смолообразных масс.
       Нефти могут содержать также в небольшом количестве кислородные и сернистые соединения. Кислородные соединения в виде нафтеновых кислот и смолистых соединений хорошо растворяются в углеводородах нефти, а эти соединения в виде асфальтенов, продуктов глубокого полимерного процесса, трудно растворимы в углеводородах нефти.

Сернистые соединения входят в состав нефти в виде таких органических соединений, как меркоптаны - летучие вещества с неприятным запахом, трудно удаляемые из нефти при ее переработке. В нефти хорошо растворяется сероводород - ядовитый газ, который легко удаляется из нефти при высокой температуре. Свободная сера в природной нефти практически отсутствует.

       Контрольные вопросы
   1. Перечислите основные классы углеводородов в составе нефти.
   2. Какова структура и основные свойства парафиновых углеводородов?
   3. В составе какого вида топлив желательны парафиновые углеводороды?
   4. Какова структура и основные свойства нафтеновых углеводородов?
   5. В составе какого вида нефтепродуктов желательны нафтеновые углеводороды?
   6. Какова структура и основные свойства ароматических углеводородов?
   7. В составе какого вида топлив желательны ароматические углеводороды?
   8. Какова структура и основные свойства непредельных углеводородов?




       2 Получение топлив и масел

       2.1 Методы получения жидких топлив

       Первая в мире промышленная установка для переработки нефти была построена в 1823 году в г. Моздоке братьями Дубиными. Металлический куб заполнялся нефтью, наглухо закрывался и соединялся со змеевиком, охлаждаемым водой. При нагреве куба из змеевика вытекал керосин, а в кубе оставался мазут.
       Жидкое топливо невысокого качества изготавливают переработкой углей, сланцев и полимеризацией углеводородов, а высококачественное топливо - из газового конденсата. В связи с повышением цен на нефть активно применяется процесс изготовления биотоплива из растительного сырья (отходы сахарного тростника и сахарной свеклы, кукуруза, рапс и другие культуры).


       2.2 Прямая перегонка нефти

       В настоящее время первой стадией переработки нефти является очистка ее от воды и породы, для чего применяются такие методы, как отстаивание, центрифугирование, химическая очистка и др. После очистки нефть подвергается прямой перегонке - рисунок 2.1.

1 - насос, 2 - трубчатая печь, 3 - ректификационная колонна.
Рисунок 2.1 - Установка для прямой перегонки нефти

       Для этого она нагревается в трубчатой печи до 330-350оС и подается в нижнюю часть ректификационной колонны. Пары углеводородов поднимаются вверх, открывая колпачки на перегородке (тарелке) колонны и постепенно охлаждаясь. Температура нижних тарелок выше, чем верхних. В результате на каждой тарелке колонны конденсируется сравнительно однородная жидкость - на верхней бензин, затем лигроин, керосин, газойль и соляр. Температуры кипения этих фракций: бензин 40-200оС, лигроин 110-230оС, керосин 140-300оС, газойль 230-330оС и соляр 280-380оС. Легкокипящие газовые фракции отводятся из верхней части колонны и направляются в конденсатор, где они переходят в жидкую фазу.
       Для более полного испарения в нижнюю часть колонны вводят водяной пар. Каждый пузырек водяного пара, проходящего через толщу нефти, имеет для ее паров (согласно закону Дальтона о парциальных давлениях взаимно не реагирующих паров и газов) значение, аналогичное вакууму. Поэтому каждый пузырек водяного пара может включать в себя значительное количество паров нефти. Таким образом, удается понизить температуру кипения отгоняемых фракций.
       Полученные прямой перегонкой нефти дистилляты легко окисляются и осмоляются и поэтому используются обычно как сырье для производства высококачественных топлив. Оставшийся мазут выпускается из нижней части ректификационной колонны и поступает для дальнейшей переработки или используется как топливо.



      2.3 Переработка мазута в вакуумной ректификационной колонне

      Мазут, оставшийся после прямой перегонки нефти, может быть использован в качестве сырья для дальнейшего разделения на фракции в вакуумной ректификационной колонне - рисунок 2.2. При этом мазут нагревают в трубчатой печи до 420-430оС и подают в ректификационную колонну, работающую под разрежением (остаточное давление 50-100 мм рт. ст.). Температура кипения углеводородов при понижении давления снижается, что поз

воляет испарить без разложения тяжелые углеводороды, содержащиеся в мазуте.

1 - насос, 2 - теплообменник, 3 - вакуумная трубчатая печь, 4 - вакуумная ректификационная колонна.
Рисунок 2.2 - Вакуумная установка


      При вакуумной перегонке мазута из верхней части ректификационной колонны отбирают соляровый дистиллят, который может служить сырьем для каталитического крекинга. Ниже следуют масляные фракции - сначала веретенный дистиллят, затем машинный и, наконец, цилиндровый. Эти дистилляты после очистки идут на приготовление товарных (дистиллятных) масел. Из нижней части вакуумной ректификационной колонны отбирают полугудрон или гудрон. Из полугудрона путем глубокой очистки получают высоковязкие, так называемые остаточные масла, а гудрон используют в качестве дорожного покрытия.



       2.4 Крекинг

       В 1883 году Готлиб Даймлер изобрел и построил бензиновый двигатель, после чего потребность в бензине резко возросла. Но при прямой перегонке из нефти получают лишь 15-20% бензина с низкими антидетонацион-ными свойствами.
       Для увеличения выхода бензина из нефти русский инженер В.Г. Шухов в 1891 году запатентовал способ разложения тяжелых углеводородов нефти при высоких температурах. Этот процесс был назван крекингом, что означает расщепление. В процессе термического крекинга мазут нагревается до 470-540оС при давлении от 20 до 70 кг/см². Возможно также использование в качестве исходного сырья газойле-соляровых фракций. При этом тяжелые молекулы углеводородов, в первую очередь парафиновые, расщепляются, увеличивая выход бензиновых, керосиновых, газойлевых и соляровых фракций. Но в процессе термического крекинга образуется значительное количество непредельных углеводородов, что снижает стабильность образующихся дистиллятов. Процесс протекает по схеме С₂пН4П+₂ = СпН₂п + ₂ + СпН₂п.
       При термическом крекинге получают газ, широкую гамму углеводородов, выкипающих в пределах бензиновой, керосиновой, газойлевой и соляровой

фракций, а также тяжелый крекинг-остаток (крекинг-мазут). Бензин термического крекинга имеет невысокие антидетонационные свойства, он легко окисляется и осмоляется.
       Более совершенным процессом является каталитический крекинг. В присутствии катализатора скорость расщепления сложных и больших молекул увеличивается, а образующиеся углеводороды подвергаются вторичным превращениям с образованием ароматических и изопарафиновых углеводородов, обеспечивающих высокие антидетонационные свойства бензинов.
       В присутствии катализатора атомы водорода могут отщепляться с образованием ароматических углеводородов (реакции ароматизации). Водород, выделяющийся в процессе ароматизации нефтяных углеводородов, может вступать в реакцию с углеводородами олефинового ряда с насыщением двойных связей (реакция гидрогенизации). Углеводороды с прямой цепочкой углеродных атомов в присутствии катализатора могут изменять взаимное расположение атомов внутри молекул без изменения общего числа атомов (реакция изомеризации).
       Процесс каталитического крекинга ведут обычно с использованием алюмосиликатных катализаторов при температуре 430-530оС и давлении, близком к атмосферному. При этом из керосиновых, соляровых и газойлевых фракций прямой перегонки нефти получают 40-50% бензина с большим октановым числом и высокой стабильностью, а также 30-40% газойля, используемого для приготовления дизельного топлива.


       2.5 Риформинг

       Для улучшения качества бензинов прямой перегонки и термического крекинга используется риформинг, при котором исходным сырьем является бензин прямой перегонки или термического крекинга, а конечным продуктом - также бензин, но более высокого качества. Сущность каталитического риформинга заключается в ароматизации бензиновых фракций в результате преобразования нафтеновых и парафиновых углеводородов в ароматические.
      При риформинге в присутствии катализатора нафтеновые углеводороды могут терять атомы водорода, превращаясь в ароматические (реакции ароматизации), а парафиновые углеводороды, отщепляя водород, превращаются в также в ароматические углеводороды.
       Кроме этих основных реакций, при каталитическом риформинге молекулы парафиновых углеводородов могут подвергаться изомеризации, наиболее тяжелые углеводороды могут расщепляться на более мелкие, при этом образующиеся непредельные углеводороды разрывают двойные связи и присоединяют водород. Этот процесс ведется в присутствии алюмомолибденового или алюмоплатинового катализатора (содержание платины от 0,1 до 1,0%) при температуре 460-510оС в атмосфере водорода под давлением 10...50 кг/см². При каталитическом риформинге из бензинов прямой перегонки и термического крекинга получают 85-90% высокооктанового бензина.