Жидкое топливо. Физико-химические свойства жидкого

Топлива

Исходным сырьем для получения жидкого топлива является нефть. Сырая нефть в качестве топлива обычно не применяется. По внешнему виду нефть представляет собой вязкую жид­кость черного или коричневого цвета, а по химическому сос­таву смесь различных углеводородов. Содержание углерода в нефти достигает 85 - 87 % по массе, водорода 12 - 14 %, а остальную часть составляют кислород, сера и азот в виде различных соединений.

Основными способами получения промышленного топлива из нефти являются прямая перегонка и крекинг-процесс. При прямой перегонке из нефти выделяются лёгкие фракции, то есть части углеводородов, выкипающие в определенном интер­вале температур, которые при последующей конденсации обра­зуют легкие жидкие топлива со следующими пределами выкипания:

бензин - 40 - 200°С, плотность ρ = 0,72 - 0,76 г/см³; керосин – 200 - 300°C,

ρ = 0,79 - 0,87 г/см³; соляровое масло - 280 - 360°, ρ = 0,87 - 0,90 г/см³.

Прямая перегонка дает незначительный выход легкого топлива, менее 50 %. Остатком прямой перегонки является мазут, представляющий собой смесь тяжелых углеводородов. Ма­зут может быть использован как топливо и как сырье для по­лучения легкого жидкого топлива и масел в крекинг-про­цессе, который заключается в термическом разложении тяжёлых углеводородов при температуре 450 - 500°С и давлении 4,5 - 5,0 МПа. Продуктами крекинга являются высококачествен­ный крекинг-бензин и керосин, а остатком является кре­кинг-мазут.

Отметим основные физико-химические и эксплуатационные свойства жидкого топлива.

Вязкость – это свойство жидкости оказывать сопротивление относительному перемещению частиц. Вязкость определяет возможность и условия применения топлива. 0т величины вяз­кости зависит степень распыливания топлива форсунками, ра­бота топливоперекачивающей аппаратуры, легкость транспорти­рования по трубопроводам.

Рис.2.2. Зависимость вязкости газотурбинного топлива от температуры: 1 – топливо газотурбинное дистиллятное, 2 – дизельное топливо ДС (ГОСТ 4749-49), 3 – топливо газотурбинное для тепловозных двигателей (ГОСТ 10433-63) НУ НПЗ, 4 – то же В НПЗ

В технических условиях и ГОСТах вязкость нормируется для реактивных топлив (авиационных керосинов) при 20° и 40°C, для дизельного топлива при 20° и 50°С. Вязкость реактивных и дизельных топлив определяется капил­лярным вискозиметром. Единицей измерения кинематической вязкости является сантистокс ( 1 сст = 0,01 см²/с). Вязкостью в I сст обладает вода при t = 20,2°C. Вязкость газотурбинных тяжёлых топлив и мазутов выражается в граду­сах условной вязкости °ВУ, которые определяют отношение времени истечения 200 см³ топлива при заданной температуре через калиброванное отверстие к времени истечения такого же количества воды при 20°C. Условная вязкость мазутов принята в качестве основного показателя для их маркировки, то есть марка мазута соответствует значению его условной вязкости в °ВУ при 50°C. Например, вязкость мазута Ф20 равна 20°ВУ

Бензин и керосин имеют небольшую вязкость (2 - 5°ВУ) и пологие вязкостно-температурные характеристики. Тяжелое газотурбинное топливо (мазуты) имеет значительную вязкость даже при сравнительно высокой температуре (10 - 20°С), что затрудняет его перекачивание по трубопроводам, а хорошее распыливание такого топлива нельзя осуществить без предва­рительного подогрева до 70 - 150°C и выше, который должен обеспечить вязкость ниже 3 °ВУ в условиях ГТУ и 6 -10 °ВУ в условиях котельных и в промышленных топках. Зависимость вязкости различных топлив от температуры представлена на рис. 2.2 и. 2.3.

Зависимость вязкости тяжелого жидкого топлива от температуры можно приближенно оценить по формуле

BY_t= ⁰ВУ₅₀ (50/t)ⁿ,

где величина показателя n равна:

^°ВУ₅₀ = 2 5 10 15 20

= 1,8 2,3 2,6 2,75 2,85

Плотность топлива d₄ ²⁰ представляет собой отношение массы жидкости в данном объеме при t = 20°С к массе воды в том же объеме при t = 4°С. Практически плотность топлива может быть измерена ареометром. Зависимость плот­ности от температуры выражается формулой

d₄^t = d₄ ²⁰- a (t-20),

где а – средняя температурная поправка может быть определена по формуле

a = (18.310 – 13.233 d₄ ²⁰) ∙ 10 ^-4

Плотность топлива слабо зависит от давления. При увеличении давления до 100 кг/см² (~100 бар) плотность увеличивается на 2 – 3 %.

Рис.2.3. Зависимость вязкости мазутов от температуры: 1, 2, 3 – топочные мазуты М-200, М-100, М-40, соответственно; 4, 5, 6 – топочные мазуты с вязкостью 80, 60, 20°ВУ, соответственно; 7 – сланцевый мазут, 8 и 9 – флотские мазуты Ф12 и Ф5, соответственно

Рис.2.4. Влияние вязкости топлива на тонкость распыливания

Теплоемкость топлива – это количество теплоты, необходимое для повышения температуры 1 кг топлива на 1 градус.

Величину теплоемкости можно определить по эмпирической формуле КРЭГО

ккал/кг·град. (× 4,19, кДж/кг·град.) (2.3)

В расчетах величину теплоемкости обычно принимают равной 0,4 - 0,5 ккал/кг·град. Например, для жидкого керосина c_p = 0,478 ккал/кг (× 4,19 кДж/кг∙град.) при t = 20⁰C и p = 0,1 МПа.

Температура вспышки. Это минимальная температура, при которой пары топлива образуют с окружающим воздухом смесь, способную воспламениться от постороннего пламени. Темпера­тура вспышки определяет норму пожарной безопасности при подогреве жидкого топлива.

Температура застывания является минимальной температу­рой, определяющей возможность слива и перекачивания топ­лива. Это температура, при которой топливо теряет свою под­вижность.

Поверхностное натяжение σ является параметром, опреде­ляющим эффективность распыливания и испарения жидкого топ­лива. В технической системе единиц измеряется в кг/м. Поверхностное натяжение зависит от природы жидкости и тем­пературы.

Величина σ ≈ 0,0027 кг/м для керосина при 20°C и σ ≈ 0,0036 - 0,0036 кг/м для мазута при t= 70 – 100 °С.

Зольность является косвенной характеристикой склонности топлива к нагарообразованию. Зольность определяется при выпаривании 25 г топлива в тигле и прокаливании осадка. Полученную золу выражают в процентах к взятой массе топли­ва. Как правило, с утяжелением фракционного состава золь­ность топлива увеличивается. Наименьшей зольностью обла­дают реактивные топлива ( 0,003%), наибольшей - топочные мазуты (0,15 - 0,3%). При сгорании тяжелого топлива золообразующие вещества образуют различные соединения, кото­рые отлагаются на стенках жаровой трубы и на элементах проточной части газовой турбины. Отложения золы ухудшают аэродинамические качества проточных частей и изменяют про­ходные сечения.

Сильную коррозию деталей ГТД вызывают пятиокись вана­дия V₂O₅ и сульфат натрия Na₂ SO₄. Особенно опасна ванадиевая коррозия, которая резко интенсифицируется при температуре 650°C и выше. Пятиокись ванадия, температура плавления которой 650°C, в жидком состоянии обладает спо­собностью растворять металлические окислы с поверхности деталей, причём коррозия может быть очень сильной даже при весьма незначительном содержании ванадия в топливе. Поэто­му работа ГТУ в этом случае возможна при температуре перед турбиной 630 - 650°С.

Химическая стабильность. Стабильными называются топлива, не изменяющие своих свойств при транспортировании, перекачке и длительном хранении. Химическая нестабильность проявляет­ся в основном в образовании в них смол, нерастворимых осадков и отложений. Наиболее стабильными являются реактив­ные топлива.

В настоящее время в стране в основном решены воп­росы создания ГТУ на дистиллятных жидких топливах (дизель­ное топливо и соляровое масло) и природном газе. Этому спо­собствовали низкая зольность и коксуемость этих топлив, практическое отсутствие ванадия и сульфата натрия и ряд других качеств. Однако дизельное топливо является дорогим и количество его ограничено, поэтому при создании стацио­нарных ГТУ на жидком топливе следует ориентироваться на более тяжелое топливо - мазуты и перспективные газотурбин­ные топлива. Использование мазутов в ГТУ, работающих при температуре больше 650°C, при наличии в них ванадия, нат­рия и золы в количествах, превышающих технические нормы, возможно только после очистки топлива от этих соединений. Для очистки мазутов может быть использована промывка водой, а также добавление присадок, снижающих коррозию.

Перспективными топливами для газовых турбин могут быть дистилляты вторичного происхождения, полученные специальным крекингом.

Жидкое газотурбинное топливо для ГТУ должно удовлетво­рять следующим техническим показателям:

Температура застывания, °С + 5 ÷ 10

Вязкость в °ВУ не более 6

Содержание примесей в % не более:

серы 2,0 ÷ 3,0

золы 0,08

натрия 0,001

ванадия 0,001÷0,0005

воды 0,5

Плотность при 20°С 0,91÷0,98

Теплота сгорания, кДж/кг 37710 ÷ 41900

Ассортимент жидких топлив

В настоящее время основными топливами для реактивных двигателей гражданской авиации являются керосины Т-1, ТС-1, Т-2, Т-6, Т-7. Все они являются продуктом прямой перегонки нефтей. Топлива Т-1 и ТС-1 наиболее распростра­нены в гражданской авиации. Недостатком их является малая стабильность при повышенных температурах. Топлива Т-6 и Т-7 являются термостабильными. Основные свойства реактив­ных топлив отражены в технических условиях, частично пред­ставленных в таблице 3.

Кроме табличных данных следует отметить следующие физи­ко-химические свойства керосинов, не нормируемые стандар­том: средняя теплоемкость 0,47 - 0,50 (×4,19 кДж/кг·град.); элементарный хими­ческий состав - 86 % углерода и 14 % водорода.

Таблица 3