Элементный и Фракционный состав топлив

            Элементный состав и горение топлива

По своему основному химическому составу топлива представляют собою углеводороды, то есть соединения углерода с водородом. В относительно заметных количествах в них присутствует сера, в небольших – кислород и некоторые другие элементы (азот, натрий, ванадий, алюминий, кремний). В топливах, хранящихся на судне, может присутствовать вода (иногда до 2%).

Примерное содержание в топливах: углерода – 84…87%, водорода – 11…13%, серы – до 5%, кислорода – 0,4…0,6%.

Горючими веществами являются углерод, водород и сера.

В процессе подготовки к сжиганию и сжигании жидкое топливо проходит следующие фазы:

1. Дробление струй топлива на капли размером 10…50 мкм (распыливание).

2. Испарение капель топлива в камере сгорания при высокой температуре.

3. Перемешивание паров топлива с воздухом и создание горючей смеси.

4. Воспламенение горючей смеси. В установках непрерывного сжигания (топки паровых котлов, камеры сгорания газовых турбин) оно происходит от уже горящего факела, в карбюраторных двигателях – от искры, в дизелях – самовоспламенение под действием высокой температуры в конце процесса сжатия воздушного заряда.

5. Собственно горение, то есть соединение горючих веществ с кислородом. При этом повышается температура среды и увеличивается интенсивность испарения распыливаемого топлива.

При полном сгорании горючих компонентов топлива протекают следующие реакции (в нижеприведенных термохимических уравнениях символы и формулы означают килограмм-атомы или килограмм-молекулы).

Сгорание углерода:

                               С + О₂ = СО₂ + 393000 кДж.

Сгорание водорода (с учётом конденсации паров воды):

                               2Н₂ + О₂ = 2Н₂О + 490000 кДж.

Сгорание серы:        

                              S + O₂ = SO₂ + 294500 кДж.

                             2S + 3О₂ = 2SО₃ + 781600 кДж.

При пересчёте на килограмм сгорающего элемента получаем:

- для углерода – 393000/12 = 32750 кДж;

- для водорода – 490000/4 = 122500 кДж;

- для серы при сгорании в SO₂ – 294500/32 = 9200 кДж;

- для серы при сгорании в SO₃ – 781600/64 = 12200 кДж.

 Отсюда видно, что наиболее энергетически ценным в топливе является водород, наименее – сера.

Таким образом, в продуктах сгорания топлив содержатся углекислый газ, вода и серный ангидрид. При неполном сгорании присутствуют угарный газ СО и сернистый ангидрид SО₂.

                            Фракционный состав топлив

Углеводороды, входящие в состав топлив, различаются по количеству входящих в их молекулы атомов и по способам соединения атомов. Различают следующие три основные группы углеводородов.

1. Алифатические.   2. Нафтеновые.    3. Ароматические.

В нефтях различного происхождения соотношение этих компонентов различно. В зависимости от того, какая группа превалирует в той или иной нефти, исходные нефти получают название. Рассмотрим подробно каждую из групп.

Алифатические углеводороды в свою очередь делятся на три подгруппы.

1. Парафины, или алканы. Это предельные углеводороды, имеющие общую формулу С_nН_2n+2. Молекулы их содержат незамкнутые цепи из атомов углерода, соединённых между собой единичными связями. Простейшим из них является метан СН₄:                          

      

                                                          

                                                                                                                                                                  

 

 

Другой пример – октан С₈Н₁₈:

 

 

При атмосферных условиях парафины с числом атомов водорода до 4 – газы, остальные – жидкие или твёрдые вещества. В так называемом петролейном эфире содержатся углеводороды от С₅Н₁₂ до С₇Н₁₆, в бензине – от С₇Н₁₆  до С₉Н₂₀, в керосине – от С₁₀Н₂₂ до С₁₆Н₃₄. Дизельные топлива также представляют собой смеси либо растворы углеводородов. Некоторые из них содержат до 20 атомов углерода в молекуле. Ещё более тяжелые углеводороды содержатся в смазочных маслах, мазутах, вазелине и парафине.

С увеличением числа атомов в молекулах предельных углеводородов возникает ещё одна качественная особенность – появление всё большего числа изомеров, имеющих разветвлённые углеродные цепи. Метан СН₄, этан С₂Н₆ и пропан С₃Н₈ изомеров не имеют, пентан С₅Н₁₂ имеет три изомера, а формулу С₁₄Н₃₀ могут иметь уже 1818 различных углеводородов.

2. Олефины (алкены). Общая формула для них - С_nН_2n. В составе их цепей имеются атомы водорода, соединённые двойными связями. Простейший из олефинов – этилен С₂Н₄:

 

3. Ацетилены (алкины), имеющие общую формулу С_nН_{2n – 2}. Имеют тройные связи между атомами углерода. Простейший из них – собственно ацетилен С₂Н₂:

Нафтеновым углеводородам свойственно наличие замкнутых колец из атомов углерода. Типичным представителем таких углеводородов является циклопентан С₅Н₁₀:

 

Здесь и далее для упрощения структурной схемы на концах внешних связей подразумевается наличие не показанных атомов водорода.

Ароматические углеводороды характеризуются наличием замкнутых структур типа бензольного кольца. Типичным их представителем является бензол С₆Н₆:

 

 

При подготовке к горению молекулы претерпевают разложение на атомы, причём разложение кольцевых структур, особенно бензольного типа, происходит при температурах, более высоких, чем цепных. С этой точки зрения нефти парафинового происхождения более приемлемы, тем более, что они имеют бóльшую энергетическую ценность (бόльшую теплоту сгорания).