Какие углеводороды содержатся в бензине

Бензин – это продукт, полученный в результате перегонки нефти. Он представляет собой горючее с пониженными детонационными составляющими. Из сырого нефтепродукта получается пятьдесят процентов бензина, который предназначен для двигателей, а конкретно при внутреннем сгорании. Он бывают двух типов: авиационный и автомобильный. В зависимости от применения различаются физико-химические свойства бензина.

Нас сегодняшний день бензины должны соответствовать следующим критериям:

• оптимальная испаряемость элементов;
• групповой состав углеводородов, который обеспечивает бездетонационное образование на каждом этапе действия двигателя;
• стабильность состава в условиях долгого хранения;
• отсутствие побочных эффектов, оказываемых на детали.

Физико-химические свойства бензина

Свойства бензина различаются по количеству углеродов и водородов в составе. Он замерзает при шестидесяти градусах ниже нуля, но можно добиться цифры ниже (- 71). Испаряется при тридцати градусах, а повышение температуры лишь ускоряет этот процесс. Бензин производится с помощью перегонки нефтепродукта путем выборки отдельных фракций. Это самый старый способ. В двадцатом веке появились такие методы как крекинг и риформинг (преобразование в алканы и другие соединения).

Бензины легко воспламеняются, не имеют конкретного цвета, а также обладают летучестью. Кипение достигается на отрезке от тридцати до двухсот градусов. Застывает при температуре ниже шестидесяти градусов. В процессе сгорания появляется диоксид углерода и вода. Формула бензина это подтверждает (C3H11O2). Характеристики бензина, относящегося к автомобильному виду, следующие:

• смесь должна быть однородной;
• плотность равная 690-750 кг.м2 при плюс двадцати градусах;
• малая вязкость, не препятствующая протеканию топлива;
• способность испаряться. Соединение может осуществлять переход в газообразное состояние из жидкого. В автомобиле это обязательно, так как обеспечивает облегченный запуск двигателя, особенное в зимнее время года;
• состояние давления паров. Высокие показатели давления обеспечивают интенсивность конденсации. Слишком высокое давление способно образовывать паровые пробки, которые приводят к утере мощности транспорта;
• низкотемпературные качества, то есть свойство выдержки при низких температурах;
• процесс сгорания смеси. Понимается скоростная реакция углеводорода и кислорода.

Химический состав бензина

Состав бензина имеет в себе соединения углерода и водорода. Но этим не ограничивается. Популярное топливо включает в себя и другие молекулы бензина. Химический состав бензина дополняют: кислород, сера, азот и свинец. Сырье дополняется присадками, которые повышают конечный продукт. Количественные составляющие этих микроэлементов определяют видовое разнообразие топлива: 92 марка, 95 марка, 98.

Нефть является основополагающим сырьем для выработки бензина. Нефть добывается из природы, содержит примеси углеводородов и других соединений. Считается ценным ископаемым. Углеводород – важный компонент нефтепродукта и природного газа. Химические составляющие нефти разнообразные и постоянно изменяются в зависимости от парафиновых. В природе известные промежуточные и смешанные типы.

Парафиновые отличаются тем, что имеют большее содержание бензина, а сера, наоборот, в меньшем количестве. Нафтеновый вид сырого нефтепродукта разительно отличается от предыдущего типа. Он содержит бензин в ограниченном количестве, а сера, мазут и асфальт превалируют.

Определение фракционного состава бензина

Физические свойства бензина имеют зависимость от такого понятия как фракционный состав. Под этим подразумевается испарительная возможность, которая считается главным показателем, учитывающимся при использовании топлива в разном климате. Производство должно получить пропорциональное соотношение фракций как тяжелых, так и легких. Полученное топливо при нагревании испаряется без проблем – это хороший показатель. За это отвечают легкие, а тяжелые способствуют оптимальной интенсивности этого испарения. Нарушение баланса приведет к паровым пробкам, и двигатель столкнется с перебоями в работе. Испарение намечается, когда происходит нагревание при высоких температурах внутри прибора.

Фракционные свойства бензинов влияют на параметры пользования. Грамотное соотношение вышеуказанных составляющих обеспечит оптимальную испаряемость при низких температурных показателях, защиту от перебоев в конструкции. Топливо имеет характеристики, которые напрямую зависят от погодных и климатических условий, то есть в жарких странах и на полярном круге в состав бензина входят отличные друг от друга элементы.

Октановое число бензина

Марка топлива полностью раскрывает молекулярную массу бензина. Допустим, АИ 92. октановое число обозначено цифрами, а буквы определяют показатель. А – это значение класса моторных. Чем выше показатель числа, тем ниже детонационные характеристики бензина. Следовательно, цилиндры и поршни будут подвергаться меньшим разрушениям. Качество бензина улучшается с повышением октанового числа.

76 и 80 топливо бензина пропало на автозаправках, так как они плохо влияют на экологию и критичны для работы агрегатов. Продолжительно эксплуатации зависит от данного показателя. Автолюбитель всегда должен обращать внимание на это число, так как это, прежде всего, влияет на работоспособность транспорта.

Бензин состоит из изооктана и гептана. Первый обладает взрывоопасностью, а второй имеет нулевую детонацию. Именно октановый показатель определяет соотношение двух составляющих топлива. При помощи определенных присадок (свинцовых) повышается это число. Но свинцовые присадки не рекомендуют применять, так как они не благоприятно действуют на двигатель. Также его повышают спиртом. Если к 92 марке долить 100 гр. названной смеси, то получится 95.

Маркировка автомобильных бензинов

Межгосударственный стандарт маркирует бензины для автомобилей с помощью трех групп знаков, которые разделятся дефисами (АИ-95-3). Буквы в начале марки говорит о том, что бензин относится к автомобильному типу, который прошел исследовательские испытания согласно ГОСТ. Октановое число также измеряется с помощью исследования. Топливо может иметь следующее число: 95, 92, 98 и так далее.

Цифры от двух до пяти указывают на классность бензина. Оно совпадает с показателем стандартов экологии, который соответствует категории «Евро». Бензин обязан соответствовать определенной серии. То есть цифра два подходит для Евро-2, а цифра три для Евро-3 и так далее.

В качестве примера можно привести марку топлива «АИ-95-4». Из названия становится понятно, что бензин относится к автомобильному классу, а октановый показатель равен 92. Буквы говорят об исследовательском методе измерения. А конечная цифра указывает на то, что топливо соответствует 4-ой экологической категории (Евро-4 –стандарт).

С 2003 г. в Российской Федерации на официальном уровне запретили производство бензина, относящегося к этилированным смесям, который считается вредным. Поэтому сегодня все топливо неэтилированное, и в маркировке это не указывается.

Детонационная стойкость бензина

Детонационная стойкость заключается в способности автомобильного топлива оказывать сопротивление такому процессу как самовоспламенение, которое может произойти при сжатии. Наивысший показатель данной характеристики обеспечивает оптимальное сгорание при каждом эксплуатационном режиме двигателя. Горение бензина как процесс имеет кардинальный характер. Сжатие рабочего состава проходит при повышенной температуре и давлении. Далее происходит окисление соединений углерода и водорода, которое набирает интенсивность после того, как смесь воспламенится.

Если соединение углерода и водорода, которые остались в части несгоревшего состава, имеет недостаточную окислительную стойкость, то начнется ускоренный и интенсивный процесс накапливания соединений перекиси. А это ведет к взрывному распаду.

Повышенная концентрация соединений, возникших посредством перекиси, становится катализатором теплового взрыва, который спровоцирует самовоспламенение бензина. Именно этот процесс, происходящий внутри активного состава, становится активатором взрывного горения остатков топлива. Это приводит к детонационному сгоранию.

Детонация, как процесс внутри двигателя, вызывает следующие последствия:

• перегрев;
• интенсивный износ и локальные разрушения в двигателе;
• наличие резкого специфического звука;
• упадок мощности;
• увеличенный порог выхлопных дымов.

Детонация напрямую зависит от химического и физического состава используемого бензина, а также от особенностей конструкции самого двигателя. Октановое число считается основополагающим показателем детонации и ее стойкости в автомобильных бензинах.

28 февраля 2012

Бензин представляет собой алифатический углеводород. Другими словами, в структуру бензина входят молекулы, состоящие только из цепочек углерода и водорода. Каждая цепочка молекулы бензина содержит от 7 до 11 атомов углерода. Ниже представлены некоторые из них:
 
Гептан:           СH3–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH3
Октан:            CH3–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH3
Нонан:            CH3–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–СН2–CH3
Декан:             CH3–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–СН2–СН2–CH3
 
Молекулы, присутствующие в бензине
 
При сгорании бензина в идеальных условиях, при наличии большого количества кислорода, на выходе получается двуокись углерода (благодаря атомам углерода в бензине), вода (благодаря атомам водорода) и много тепла. Галлон бензина содержит примерно 132х106 Джоулей энергии, что эквивалентно 125.000 британских тепловых единиц или 36.650 ватт-часам.
 
·        Если обогреватель мощностью 1.500 ватт оставить работать на полной мощности в течение 24 часов, именно столько тепла мы получим при сгорании одного галлона (3,8 л) бензина.
·        Если бы люди могли усваивать бензин, то при потреблении 1 галлона бензина, мы бы получали около 31.000 пищевых калорий – энергия в 1 галлоне бензина равна энергии, содержащейся в 110 гамбургеров из McDonald’s!

 
Как получают бензин?
 
Бензин получают из сырой нефти. Сырая нефть, или просто нефть, это черная жидкость, добываемая из недр Земли. В нефти содержатся углеводороды, атомы углерода объединяются в цепочки разной длины.
 
Оказывается, что молекулы углеводородов разной длины обладают разными свойствами. Например, цепочка, состоящая всего из одного атома углерода (СН4) является самой легкой и называется метан. Метан является газом, легким как гелий. Чем цепочка длиннее, тем молекула становится тяжелее.
 
Первые четыре цепочки — CH4 (метан), C2H6 (этан), C3H8 (пропан) и C4H10 (бутан) – являются газами, их температура кипения составляет -161, -88, -46 и -1 градусов F, соответственно (-107, -67, -43 и -18 градусов C). Цепочки до C18H32 являются жидкостями при комнатной температуре, а цепочки выше C19 при комнатной температуре являются твердыми веществами.
 
Чем длиннее цепочка, тем выше температура кипения, соответственно они могут быть отделены путем дистилляции. Именно это происходит на нефтеперерабатывающих заводах – сырую нефть нагревают, и различные цепочки выделяются при их температурах испарения. 
 
Цепочки C5, C6 и C7 очень легкие, легко испаряющиеся светлые жидкости, которые называются дистилляты. Они используются в качестве растворителей – из них изготавливаются средства для химической чистки, а также растворители красок и другие быстросохнущие продукты.
 
Цепочки от C7H16 и до C11H24 смешиваются и используются для получения бензина. Температуры испарения этих соединений ниже температуры кипения воды. Вот почему, если Вы прольете бензин на землю, он очень быстро испарится.
 
Дальше идет керосин, от С12 до С15, за которым следует дизельное топливо и котельное топливо (например, для отопления домов).
 
Дальше идут смазочные масла. Эти масла не испаряются при комнатной температуре. Например, моторное масло может работать весь день при температуре 250 градусов F (121 градус С), при этом не испаряясь. Масла идут от очень легких (например, 3-в-1) до моторных масел различной плотности, очень плотных трансмиссионных масел и полутвердых смазок. Вазелин также попадает в этот список.
 
Цепочки длиной более С20 являются твердыми веществами, начиная от парафинов, гудрона и до асфальтового битума, из которого изготавливали асфальтированные дороги.
 
Все эти разнообразные вещества получают из сырой нефти. Единственное, что их отличает друг от друга, это длина углеродной цепочки!
 
Что такое октановое число?
 
Если Вы читали статью “Как работает автомобильный двигатель”, то знаете, что практически во всех автомобилях используются четырехтактные бензиновые двигатели. Одним из тактов является такт сжатия, во время которого двигатель сжимает топливно-воздушную смесь в цилиндре до намного меньшего объема, до ее воспламенения свечой зажигания. Степень сжатия называется коэффициент сжатия двигателя. Обычно коэффициент сжатия двигателя составляет от 8 до 1.
 
Октановое число показывает, какой объем топлива может быть сжат до того, как произойдет самовоспламенение. Если топливо воспламеняется в результате сжатия, а не искрой от свечи зажигания, то это вызывает перебои в работе двигателя. Это может стать причиной поломки двигателя. Низкооктановый бензин (например, обычный 92-й) выдерживает минимальное сжатие перед воспламенением.
 
Коэффициент сжатия Вашего двигателя определяет октановое число бензина, которым можно заправлять Ваш автомобиль. Одним из способов увеличения мощности двигателя, не изменяя его объем, является увеличение коэффициента сжатия. Поэтому у более мощного двигателя более высокий коэффициент сжатия, что требует более высокооктанового бензина. Преимуществом высокого коэффициента сжатия является то, что он повышает мощность двигателя, не изменяя его вес, благодаря чему увеличивается производительность двигателя. Недостатком является тот факт, что бензин для такого двигателя стоит дороже.
 
Название “октановое число” произошло следующим образом. При переработке сырой нефти получаются цепочки углеводородов различной длины. Эти цепочки различной длины затем отделяются, после чего смешиваются для получения топлива различных типов. Например, метан, пропан и бутан являются углеводородами. Метан содержит всего один атом углерода. В пропане три связанных атома углерода. В бутане четыре связанных атома углерода. В пентане пять, в гексане шесть, гептане семь и в октане восемь связанных атомов углерода.
 
Оказалось, что гептан выдерживает лишь незначительное сжатие. При небольшом сжатии, происходит его самовоспламенение. Октан лучше выдерживает сжатие – даже при сильном сжатии он не воспламеняется. Бензин с октановым числом 92 содержит 92% октана и 8% гептана (или смесь из других типов топлива, свойства которой аналогичны пропорции 92/8 октан/гептан). Самовоспламенение смеси при определенном уровне сжатия, и такое топливо может быть использовано в двигателях, коэффициент сжатия которых не превышает данное значение.

 
Присадки к бензину
 
В течение Первой мировой войны было обнаружено, что при добавлении к бензину вещества под названием тетраэтил, происходит значительное увеличение октанового числа. Благодаря этому веществу стали производить более дешевые марки бензина. Таким образом популярным стал, так называемый, “этиловый” или “этилированный” бензин. К сожалению, использование такого топлива имело свои побочные результаты:
 
·        Содержащийся в топливе свинец забивает каталитический конвертер и выводит его из строя в течение нескольких минут.
·        Земля была покрыта тонким слоем свинца, а свинец является токсичным для многих форм жизни (включая людей).
 
Когда этиловое топливо запретили, цены на бензин выросли, т.к. нефтеперерабатывающие заводы не могли больше повышать октановое число более дешевых марок бензина. В самолетах до сих пор разрешено использование этилового топлива, горючее с октановым числом 115 обычно используется в мощнейших поршневых двигателях самолетов (кстати говоря, в реактивных двигателях используется керосин).
 
Другой популярной присадкой является МТБЭ. МТБЭ – это сокращение от метил-трет-бутилового эфира, довольно простой молекулы, которую получают из метанола.
 
МТБЭ добавляют в бензин по двум причинам:
 
1.      Он повышает октановое число.
2.      Он является оксигенатом, это означает, что он насыщает смесь кислородом в процессе реакции горения. В идеальном варианте, оксигенат снижает количество несгоревших углеводородов и содержание угарного газа в выхлопе.
 
МТБЭ стали широко применять после принятия Закона о чистом воздухе в 1990 г. Допустимое содержание МТБЭ в бензине составляет от 10 до 15%.
 
Основная проблема применения МТБЭ заключается в том, что он является канцерогенным и легко смешивается с водой. При утечке бензина с МТБЭ из подземного резервуара на заправочной станции, он может попасть в грунтовые воды, что приведет к их загрязнению. Конечно, при утечке не только МТБЭ может попасть в грунтовые воды, но и бензин, в котором содержатся и другие присадки.
 
В соответствии с постановлением Управления по охране окружающей среды США:
 
Несмотря на то, что не существует установленных стандартов качества питьевой воды, Управление по охране окружающей среды США опубликовало рекомендации по содержанию от 20 до 40 микрограмм примесей на литр (мкг/л) согласно порогам восприятия вкуса и запаха. Данные рекомендации по содержанию примесей являются стандартным коэффициентом безопасности для всех возможных канцерогенных воздействий.
 
Наилучшей альтернативой МТБЭ является этанол – обычный спирт. Однако он более дорогой, чем МТБЭ, но при этом не представляет угрозу возникновения рака.
  
Проблемы использования бензина
 
Существует две проблемы при сгорании бензина в двигателе. Первая проблема касается образования смога и загрязнения воздуха. Вторая проблема касается выделения углеродсодержащих и парниковых газов.
 
Процесс сгорания бензина в двигателе образует побочные продукты, в результате чего в выхлопе содержатся двуокись углерода и вода. К сожалению, двигатель внутреннего сгорания не идеален. В процессе сгорания бензина также образуются:
 
·        Монооксид углерода – ядовитый газ
·        Оксиды азота – основная причина смога в городах
·        Несгоревшие углеводороды – основная причина загрязнения воздуха
 
Каталитический конвертер помогает устранить большую часть этих продуктов, но он также не идеален. Загрязнение воздуха от автомобилей и электростанций является серьезной проблемой в больших городах.
 
Углерод также представляет собой проблему. При его сгорании образуется большое количество углекислого газа. Основная масса бензина приходится на углерод, соответственно, при сгорании одного галлона (3,8 л) бензина в выброс углерода в атмосферу составляет 5-6 фунтов (2,5 кг). В США каждый день в атмосферу выбрасывается около 2 млрд. фунтов (900 млн. кг) углерода в день.
 
Если бы это был твердый углерод, то это было бы гораздо заметнее, представьте, что Вы выбрасываете по 1 кг сахарного песка на каждый литр бензина. То т.к. этот килограмм углерода выделяется в форме невидимого газа (углекислого), многие просто забывают об этом. Двуокись углерода, который выходит из выхлопной трубы каждого автомобиля, является парниковым газом. Долгосрочные эффекты этого неизвестны, но существует высокая вероятность того, что это может привести к серьезным климатическим изменениям, которые затронут все живое на планете (например, может подняться уровень моря, в результате чего наводнения уничтожат прибрежные города). По этой причине, предпринимаются попытки замены бензина на водородное топливо.