Давление насыщенных паров бензина при температуре кипения

Давление насыщенных паров бензина при температуре кипения

Температура кипения и давление паров топлив

Жидкость начинает кипеть тогда, когда давление паров нагре­ваемого вещества становится равным давлению окружающей ат­мосферы. Для углеводородных, в том числе топливных смесей, ис­пользуется парамер, характеризующий пределы выкипания.

Па основе температуры кипения и изменения давления насы­щенных паров топлив в зависимости от температуры устанавли­вают технологический режим их получения, рассчитывают объем и производительность заводской аппаратуры, разрабатывают ус­ловия хранения, перекачки и транспортирования топлив и, нако­нец, осуществляют рациональный, наиболее эффективный, с точ­ки зрения максимального использования энергетических возмож­ностей, процесс их сжигания в системе двигателя. Поэтому знать температурные пределы выкипания, характер испарения нефтяных топлив и составляющих их углеводородов весьма важно.

С увеличением давления окружающей среды температура ки­пения жидкости возрастает. На рис. 31 показано повышение температуры кипения топлив ТС-1 и Т-1 при различной степени испарения с увеличением давления до 21 кГ/см 2 .

Как видно из рисунка, с увеличением давления температура выкипания 95% топлива ТС-1 возрастает с 240 до 510 °С, а для Т-1 —с 275 до 550 °С, т. е. более чем вдвое. Из этих данных сле­дует, что с повышением давления тяжелые фракции топлив испа­ряются менее интенсивно, чем при низких давлениях. С пониже­нием давления окружающей среды температура кипения жидкости понижается. В связи с этим желательно, чтобы авиационные топ­лива обладали возможно меньшим давлением насыщенных паров, поскольку оно будет возрастать по мере увеличения высоты поле­та вследствие увеличения разреженности атмосферы, с которой сообщается топливо в баке. Повышенное испарение авиационного топлива из баков самолета приведет к увеличенной его потере, а следовательно, к сокращению продолжительности полета. Чрез­мерно интенсивное парообразование в баке с топливом затруднит подачу насосами топлива в зо­ну сгорания. Кроме того, в этих условиях из-за опасности воспламенения образующихся паров топливо-воздушной смеси требуются дополнитель­ные противопожарные меры.

Для авиационных бензинов давление насыщенных паров при 37,8 °С и атмосферном дав­лении составляет 220—340 мм рт. ст., для автомобильных 200—500 мм рт. ст., а для ке­росинов менее 10 мм рт. ст.

Избежать потерь реактивно­го топлива широкого фракци­онного состава (Т-2, IР-4) можно предварительным его охлаждением до температуры, при которой даже в условиях пониженного давления испаре­ние его будет минимальным. Предварительное охлаждение такого топлива до —21°С поз­волило избежать потерь на сравнительно больших высотах.

Представление о потерях топлива из баков самолета на высоте можно получить из данных, приведенных в табл. 32.

Из табл. 32 видно, что поте­ри топлива на высоте сильно возрастают с увеличением темпера­туры топлива на поверхности земли.

На больших высотах потерь топлива, имеющего большое дав­ление насыщенных паров, можно избежать не только предвари­тельным охлаждением его на земле, но и созданием над ним из­быточного давления. Для топлив, приведенных в табл. 32, это давление на высоте 18 300 м должно быть не менее давления его паров, составляющего 0,35 ат. Однако создание такого давления связано с конструктивными и эксплуатационными трудностями, например с утяжелением топливных баков. Если же из топлива удалить легкие фракции, то в результате изменения его фракционного состава ухудшатся некоторые его эксплуатационные, в том числе и огневые свойства. Из изложенного выше следует, что дав­ление насыщенных паров перспективных авиационных реактивных топлив должно быть насколько возможно ниже.

То обстоятельство, что с понижением давления понижается температура кипения вещества, широко используется в технике, в частности для разделения высококипящих соединений. При этом весьма важно знать, как изменяется температура кипения жид­кости с понижением давления. Это изменение зависит от хими­ческой природы вещества и степени ассоциации его молекул при нагреве.

Рекхард на основе математической обработки полученных данных предложил воспользоваться константой b , являющейся мерилом степени ассоциации молекул перегоняющего вещества:

где b — константа при нормальном давлении; b _p — константа при заданном пониженном давлении Р; t _s — температура кипения ве­щества при нормальном давлении; t _p — то же при заданном дав­лении Р.

Для каждого класса соединений константа b оказалась харак­терной величиной. Для сильно ассоциированных веществ с гид- роксильной группой (кислоты, фенолы, спирты) константа нахо­дится в пределах от 0,17 до 0,16 (с точностью до ±5%). Для слабо ассоциированных веществ (алифатические, ароматические углеводороды, галогениды, азот- и сероорганические соединения, эфиры, альдегиды, кетоны) константа b находится в пределах от 0,19 до 0,20. В равных условиях большее значение b отвечает бо­лее высокой температуре. Например, для воды при температуре от 0 до 100 °С значение b равно 0,167, а при критической темпе­ратуре достигает 0,18.

Ниже приводятся средние значения b для различных классов соединений при любой температуре:

Для определения температуры кипения при пониженных дав­лениях топлив, углеводородов и других химических соединений составлена номограмма (рис. 32). На левой стороне номограм­мы обозначена температура кипения (4 в С С) жидкости при нор­мальном давлении, на правой шкале — заданное пониженное дав­ление (в мм рт. ст.). В середине номограммы сетка универсально­го назначения, на которой определяется температура кипения ве­щества при пониженном давлении с учетом характерной констан­ты Ъ. Для практических целей предлагается упрощенная номо­грамма (рис. 33) при константе 6 = 0,18. Эта номограмма не дает большой точности и ‘пригодна для соединений неизвестного состава.

При помощи номограмм, изображенных на рис. 32 и 33, можно определить: 1) температуру кипения соединения при нормальном давлении зная температуру его кипения при пониженном дав­лении; 2) температуру кипения соединения при пониженном дав­лении 1 _Р , зная температуру кипения при нормальном давлении; 3) давление паров соединения с известной температурой кипения при нормальных условиях; 4) константу b .

Зависимость между температурой кипения и давлением паров лучше всего описывается уравнением Антуана:

P — абсолютное давление, мм рт. ст.; Т — абсолютная темпе- «ратура, °К; А, В, С —постоянные константы, характеризующие углеводороды (соединение).

Для определения давления паров нормальных алканов С ₄ —С ₂₉ (в пределах от —20 до +240 С С) построена номограмма со шка­лой от 1 до 90 мм рт. ст..

Для определения давления насыщенных паров индивидуаль­ных углеводородов и их смесей пользуются различными методами и приборами, в том числе такими, для которых достаточно иметь 5 г образца.

Для авиационных бензинов Бударов предложил эмпириче­скую формулу и на ее основе составил номограмму зависимости температуры кипения смеси углеводородов (температуры образо­вания паровых пробок t _п . _пр . в топливной системе двигателя) от атмосферного давления и от давления насыщенных паров топлив при 38 °С (рис. 34).

Зная давление насыщенных паров топлива при одной темпе­ратуре, можно определить температуру топлива при другом (за­данном) давлении насыщенных паров по номограмме (рис. 35).

Для сложных и многокомпонентных топливных смесей часто нужно знать среднюю температуру кипения. В наиболее простом случае эту величину принимают равной температуре выкипания 50% объема топлива при стандартной разгонке. Если необходима большая точность, среднюю температуру кипения подсчитывают как средневзвешенную величину, получаемую от деления суммы произведений теплоемкостей и температурных пределов выкипа­ния узких фракций (10—20 °С), составляющих топливо, на сред­нюю теплоемкость топлива:

где t _ср — средняя температура кипения топлива, °С; t — темпера­тура начала кипения топлива, °С; t ₁ , t ₂ , t ₃ … t _к-1 —температуры кипения отдельных фракций, °С; t _к — температура кипения послед­ней фракции, °С; с ₁ с ₂ , с ₃ , . с _к — теплоемкость топлива в интер­вале температур t – t ₁ , t ₁ – t ₂ , t ₂ – t ₃ … t _{k -1} — t _k , ккал/(кг • град); с _{с р} . — средняя теплоемкость топлива, кипящего в интервале тем­ператур t – t _k , ккал/(кг•град).

Теплоемкость топливных фракций подсчитывается по формуле:

где ? плотность фракции топлива при 15 °С, г/см 3 ; t — темпера­тура, при которой определяется теплоемкость, °С.

Зная среднюю абсолютную температуру кипения для топлива при нормальном давлении, можно ее пересчитать с точностью до 14% для повышенного давления по формуле:

где Т _{с р} . — средняя температура кипения топлива (керосина) при давлении Р, °К; T _{cp .} — средняя температура кипения топлива при давлении 760 мм рт. ст., °К; Т — температура кипения гексана 68,74 °С при 760 мм рт. ст.; Р — давление, при котором опреде­ляется средняя температура кипения топлива, мм рт. ст.

Источник

ХИМИЯ НЕФТИ

СВОЙСТВА ТОПЛИВ

— топлива, выкипающие в интервале температур 28-215°С и предназначенные для применения в двигателях внутреннего сгорания с принудительным воспламенением.

В зависимости от назначения бензины разделяются на автомобильные и авиационные.

Основными показателями бензина являются детонационная стойкость, давление насыщенных паров, фракционный состав, химическая стабильность и др. Ужесточение в последние годы экологических требований к качеству нефтяных топлив ограничило содержание в бензинах ароматических углеводородов и сернистых соединений.

Детонационная стойкость

Детонация возникает в том случае, если скорость распространения пламени в двигателе достигает 1500-2500 м/с, вместо обычных 20- 30 м/с. В результате резкого перепада давления возникает детонационная волна, которая нарушает режим работы двигателя, что приводит к перерасходу топлива, уменьшению мощности, перегреву двигателя, к прогару поршней и выхлопных клапанов.

Октановое число

— условный показатель, характеризующий стойкость бензинов к детонации и численно соответствующий детонационной стойкости модельной смеси изооктана и н-гептана.

Октановое число изооктана принято за 100 пунктов, а н-гептана — за 0. Для автомобильных бензинов (кроме А-76) октановое число измеряется двумя методами: моторным и исследовательским. Октановое число определяется на специальных установках путем сравнения характеристик горения испытуемого топлива и эталонных смесей изооктана с н-гептаном. Испытания проводят в двух режимах:

• жестком (частота вращения коленчатого вала 900 об/мин, температура всасываемой смеси 149°С, переменный угол опережения зажигания);
• мягком (600 об/мин, температура всасываемого воздуха 52°С, угол опережения зажигания 13 град.).

При производстве бензинов смешением фракций различных процессов важное значение имеют так называемые октановые числа смешения (ОЧС), которые отличаются от расчетных значений. Октановые числа смешения зависят от природы нефтепродукта, его содержания в смеси и ряда других факторов. У парафиновых углеводородов ОЧС выше действительных на 4 единицы, у ароматических зависимость более сложная. Различие может быть существенным и превышать 20 пунктов. Октановое число смешения важно также учитывать при добавлении в топливо оксигенатов.

Фракционный состав

Фракционный состав бензинов характеризует испаряемость топлива, от которой зависит запуск двигателя, распределение топлива по цилиндрам двигателя, полнота сгорания, экономичность двигателя. Испаряемость определяется температурой перегонки 10, 50 и 90% (об.) выкипания фракций бензина.

В ГОСТ Р 51105-97, который действует с 01.01.99 г., фракционный состав бензина определяется при температуре выкипания 70, 100 и 180°С (по аналогии с требованиями к бензинам в США ).

Давление насыщенных паров

Давление насыщенных паров дает дополнительное представление об испаряемости бензина, а также о возможности образования газовых пробок в системе питания двигателя. Чем выше давление насыщенных паров бензина, тем выше его испаряемость.

Бензины, предназначенные для применения в летних условиях, имеют более низкое давление паров. Чтобы обеспечить необходимые пусковые свойства товарного бензина, в его состав включают, как правило, до 30% (об.) легких компонентов (фракция НК — 62°С, изомеризата, алкилата и др.). Требуемое давление насыщенных паров обеспечивается также добавлением бутана. В летних бензинах обычно содержится 2- 3% (об.) бутана, в зимних — до 5-8% (об.).

Химическая стабильность

В процессе хранения, транспортирования и применения бензинов возможны изменения в их химическом составе, обусловленные реакциями окисления и полимеризации. Окисление приводит к понижению октанового числа бензина и повышению его склонности к нагарообразованию. Для оценки химической стабильности бензинов используют показатели содержания фактических смол, индукционного периода окисления. Высокой химической стабильностью обладают компоненты, не содержащие алкенов, — прямогонные бензины, бензины каталитического риформинга, алкилаты и изомеризаты. В бензинах коксования, термического и каталитического крекинга, напротив, содержатся в достаточном количестве алкены, которые легко окисляются с образованием смол. Для повышения химической стабильности к топливам, содержащим компоненты вторичного происхождения, добавляют антиокислительные присадки: n-оксидифениламин, ионол (2,6-ди-трет-бутил-n-крезол), антиокислитель ФЧ-16, древесносмоляной антиокислитель и др.

Содержание сернистых и ароматических соединений

Активные сернистые соединения, содержащиеся в бензинах (сероводород, низшие меркаптаны) вызывают сильную коррозию топливной системы и транспортных емкостей; полнота очистки бензинов от этих веществ контролируется анализом на медной пластинке. Неактивные сернистые соединения (тиофены, тетрагидротиофены, сульфиды, дисульфиды, высшие меркаптаны) коррозии не вызывают, однако при их сгорании образуются оксиды серы (SO₂, SO₃), под действием которых происходит быстрый коррозионный износ деталей двигателя, снижается мощность, ухудшается экологическая обстановка.

Наибольшую опасность для людей представляют ароматические углеводороды, особенно бензол и полициклические ароматические углеводороды. Токсическое действие бензола объясняется возможностью его окисления в организме. В связи с этим в последних нормативных документах ограничено допустимое содержание серы, бензола и ароматических соединений в бензинах.

Испаряемость

Индекс испаряемости (ИИ) бензина характеризует испаряемость бензина и его склонность к образованию паровых пробок при определенном сочетании давления насыщенных паров и объема испарившегося бензина при температуре 70°С. Индекс испаряемости рассчитывают по формуле:

В зависимости от климатического района применения автомобильные бензины подразделяют на пять классов. Наряду с определением температуры перегонки при заданном объеме предусмотрено и определение объема испарившегося бензина при заданной температуре.

Источник