Константин ЕфановХиммотология. 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 процесс