Файл: Топливо и смазочные материалы.pdf

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
ТОПЛИВО И СМАЗОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Рекомендовано в качестве учебного пособия
Редакционно-издательским советом
Томского политехнического университета
Составители
А.П.Сырбаков, М.А. Корчуганова
Издательство
Томского политехнического университета
2015

2
УДК 000000
ББК 00000
Т00
Т00
Топливо и смазочные материалы: учебное пособие / сост.
А.П.Сырбаков, М.А. Корчуганова; Томский политехнический университет. − Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2015. – 159 с.
В пособии рассмотрены основные пути и способы получения топлива и смазочных ма- териалов. Проанализированы эксплуатационные свойства топлива, смазочных материалов и специальных жидкостей, их основные показатели качества и влияние на технико- экономические характеристики в используемых машинах и механизмах, приведены экологические свойства (токсичность, электролизация).
Пособие составлено в соответствии с примерной программой по дисциплине "Топливо и смазочные материалы" рекомендованной Министерством образования России для подготовки дипломированного специалиста 660300 - "Агроинженерия" (специальность
311300 - Механизация сельского хозяйства).
УДК 000000
ББК 00000
Рецензенты
Кандидат технических наук, доцент, зав. кафедрой ЭиСТС КемГСХИ
Л.В.Аверичев
Кандидат технических наук, доцент, зав. кафедрой ТМ и РМ КемГСХИ
А.П.Черныш
© ФГБОУ ВПО НИ ТПУ, 2014
© Сырбаков А.П., Корчуганова М.А., составление, 2014
© Оформление. Издательство Томского политехнического университета, 2015

3
ВВЕДЕНИЕ
В связи с ежегодным ростом выпуска автомобилей и тракторов приходится неуклонно увеличивать добычу и переработку нефти, вводить в действие новые месторождения сырья, расположенные в отдаленных и труднодоступных районах. Поэтому экономия продуктов переработки нефти является одним из перспективных направлений решения топливно-энергетической проблемы и рассматривается как задача государственной важности.
Автомобили и тракторы потребляют значительную часть жидкого топлива, смазочных материалов и специальных технических жидкостей и в этой связи проблема экономного применения этих материалов стоит наиболее остро. Наряду с увеличением выпуска более экономичных дизельных энергоустановок, совершенствованием технического уровня выпускаемых бензиновых двигателей важное значение приобретает поиск путей замены дорогих видов топлива более дешевыми, перевода автомобилей на газовое топливо, повышения качества экс- плуатационных материалов и их экономии за счет рационального применения в процессе эксплуатации машины.
Предложенный курс лекций знакомит с международными классификаторами смазочных материалов по системам, фирмам и др., позволяет сравнивать их с отечественной продукцией и ориентироваться при выборе эксплуатационных материалов.
В основу выбора и эффективного применения смазочных материалов, рабочих и технологических жидкостей положены сравнительные таблицы и поясняющие тексты. Такое представление справочной информации позволит успешно отвечать на множество практических вопросов, возникающих при эксплуатации автомобилей и тракторов.
Предложенный материал представлен по темам в виде отдельных лекций по курсу «Топливо и смазочные материалы» для инженерных специальностей «Механизация сельского хозяйства», «Автомобили и автомобильное хозяйство» и др..

4
1. ВИДЫ ТОПЛИВ, ИХ СВОЙСТВА И ГОРЕНИЕ
1.1 ОБЩАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ТОПЛИВА
Топливо состоит из горючей части и негорючей. Горючая часть представляет собой совокупность органических соединений, в которую входят углеводород, водород, кислород, азот и сера.
Негорючая часть (балласт) состоит из минеральных примесей, золы и влаги. Минеральные примеси разделяют на внешние и внутренние.
Первые попадают в топливо из окружающей среды при его добыче, транспортировке и хранении, а вторые - входят в его химический состав.
Состав горючей части топлива.
Углерод С - основная горючая часть топлива. С увеличением его содержания тепловая ценность топлива повышается. В различных видах топлива содержится от 50 до 70 % С.
Водород Н - вторая по значимости составляющая горючей части топлива. В сравнении с углеродом Н содержится в топливе меньше (до
25 %), а теплоты при сгорании выделяет в четыре раза больше.
Кислород О - не горит и не выделяет теплоты. Его содержание в зависимости от вида топлива составляет 0,5 ... 45 %.
Азот N - не горит. Содержание в твердом и жидком топливе составляет 0,5 ... 1,5 %.
Сера S - при ее сгорании выделяется определенное количество теплоты. Но сам продукт сгорания является весьма нежелательной частью топлива, ибо сернистый SOi и серный 8Оз ангидриды вызывают сильную газовую или жидкостную коррозию металлических поверхностей. Содержание серы в твердом топливе составляет от долей
% до 8 %, а в нефти от 0,1 до 4 %.
Зола А - представляет собой не горючий твердый компонент, является нежелательной и даже вредной примесью, так как ее присутствие усиливает абразивный износ, усложняет эксплуатацию котельных установок из за оседания ее на стенках. У топлива с высоким содержанием золы понижена теплота сгорания и температура воспламеняемости.
Влага W - весьма нежелательная примесь, так как, во первых, часть теплоты забирается на ее испарение, в результате чего снижается теплота и температура сгорания, а во вторых влага вызывает коррозию металла.

5
Таблица 1
Агрегатное состояние топлива
Топливо
Агрегатное состояние естественное искусственное
Газообразное Природный и нефтепромысловый газы
Газы (генераторный, водяной, светильный, коксовый, нефтеперерабатывающих заводов)
Жидкое
Нефть
Бензин, керосин, дизельное топливо, смазочное масло, спирт, различные смолы
Твердое
Ископаемые угли, горючие сланцы, торф, дрова
Каменноугольный кокс, брикетированное и пылевидное топливо, древесный уголь
Нефть - основное сырье для получения топлива и смазочных масел.
Нефть представляет собой сложную смесь различных соединений углерода с водородом. По элементарному составу она содержит 83 ... 87
% углерода; 11 ... 114 % водорода; 0,1 ... 1,2 % кислорода; 0,02 ... 1,7
% азота; 0,01 ... 5,5 % серы. По внешнему виду нефть маслянистая жидкость от темно-коричневого до желтого цвета. Ее плотность составляет 0,75 ... 1,3 г/см
3
На основании исследований ученых установлено, что нефть имеет органическое происхождение. Исходными веществами для образования нефти послужили продукты распада растительных и животных организмов. Они разлагались главным образом под действием бактерий, которые, отмирая, сами входили в образующийся органический остаток.
Образовавшиеся в результате распада органические соединения накапливались в осадочных отложениях прибрежно-морских зон, а также к ним добавлялись аналогичные вещества, приносимые водными потоками из различных зон. В течение последующих геологических периодов при погружении морского дна и перемещениях осадочных пород содержащееся там органическое вещество под действием тепла и давления распадалось и превращалось в газообразные и жидкие углеводороды нефти. Таким образом, состав и свойства нефти зависят от характера исходного органического вещества, свойства окружающих пород и времени образования.
Основную массу нефти составляют углеводороды трех главных групп - парафиновые, нафтеновые и ароматические.
Парафиновые углеводороды составляют основную массу нефти,

6 они устойчивы к реакциям разложения. Эти качества оказывают большое влияние на эксплутационные свойства топлива в частности (на мягкость работы, высокие противодетационные свойства). Однако они обладают низкой температурой застывания, что делает их присутствие в зимних видах топлива и смазочных маслах крайне нежелательным.
Нафтеновые углеводороды более инертные к окислению по сравнению с парафиновыми. Поэтому они понижают температуру застывания, что является ценным составным компонентом зимних видов топлива и масел. Содержание нафтеновых углеводородов в нефти колеблется в пределах от 20 до 30 %, а в масляных фракциях достигает
70 %.
Ароматические углеводороды обладают высокой термической стойкостью к реакциям разложения. Для этих углеводородов характерны более высокие значения вязкости, плотности, температуры кипения.
По этим причинам их присутствие повышает противодетонационные свойства карбюраторного топлива. В силу этих же причин ароматические углеводороды нежелательны в дизельном топливе, так как они вызывают увеличение периода задержки самовоспламенения, что вызывает жесткую работу дизеля. В нефти содержится от 10 до 50 % ароматических углеводородов.
В процессе термической обработки нефти образуются непредельные углеводороды. Они легко окисляются и имеют склонность к реакциям присоединения и уплотнения, в результате чего образуются смолисто-асфальтовые вещества. Это весьма нежелательно для моторного топлива и смазочного масла, а также это свойство вызывает смолообразование в топливе при хранении, особенно в крекинг-бензинах.
Помимо выше названных составляющих в нефти содержатся органические кислоты. Они не вызывают коррозию черных металлов, но с цветными металлами интенсивно взаимодействуют (особенно с цинком и свинцом).
Смолисто-асфальтовые вещества являются сложными соединениями углерода, водорода и кислорода. Наибольшее количество смолисто-асфальтовых веществ содержится в тяжелых фракциях нефти.
Сернистые соединения могут быть в свободном виде или в составе смолисто-асфальтовых веществ. Они бывают активные и нейтральные.
Первые вступают в реакцию с металлами, и их наличие в неф- тепродуктах недопустимо. Вторые менее вредные, даже некоторые из них повышают прочность масляной пленки. Для топлива все сернистые соединения нежелательны, так как при сгорании выделяется сернистый и серный газы, которые, вступая в реакцию с водой, вызывают сильную

7 коррозию деталей двигателя.
Азотистые соединения, минеральные примеси, и вода содержатся в нефти в небольших количествах и практически полностью могут быть удалены при очистке и отстаивании нефтепродуктов.
1.2 ПОЛУЧЕНИЕ ТОПЛИВА И СМАЗОЧНЫХ МАСЕЛ ИЗ НЕФТИ
Основная масса жидкого топлива и смазочного масла получается путем прямой перегонки нефти, или при перегонке химическим способом (крекинг-способ). Принципиальная схема комплексной переработки нефти и остаточного продукта - мазута представлены на рисунке 1.
Прямая перегонка нефти представляет собой процесс разделения ее на отдельные фракции, отличающиеся между собой в первую очередь температурой кипения. Для этого нефть нагревают, а образующиеся пары отбирают и конденсируют по частям. В результате перегонки получают топливные дистилляты и остаток, называемый мазутом, который в дальнейшем может быть использован для химической переработки или получения смазочных масел.
Процесс прямо перегонки нефти проводят на установках непрерывного действия, позволяющих в едином технологическом процессе осуществить испарение и фракционирование дистиллятов.
Процесс разделения нефти на топливные дистилляты и затем мазута на масляные дистилляты происходит следующим образом.
Подаваемая после отгона из мазута масляных дистиллятов в остатке получают гудрон или полугудрон. Применяя глубокую обработку гудронов и полугудронов серной кислотой получают высоковязкие остаточные смазочные масла (в основном авиационные).
Химический {деструктивный) метод переработки нефти {крекинг- метод). При прямой перегонке нефти выход светлых фракций, в частности для бензинов составляет не более 9 ... 12 %, редко до 20 %.
Повышение спроса на бензин вызвало необходимость увеличения его производства, что оказалось возможным благодаря применению деструктивных методов (расщепления высокомолекулярных фракций на фракции с меньшей молекулярной массой), такой метод получил название крекинг-процесс. Используя этот процесс стало возможным увеличить выход бензиновых фракций из нефти до 50... 60%.
Крекинг-процесс, протекающий под действием теплоты, называется термическим, а в присутствии катализатора
- каталитическим.
Основными факторами термического крекинга являются температура, давление, время процесса.

8
Рисунок 1 - Принципиальная схема комплексной переработки нефти

9
Если крекинг-процесс осуществляется при давлении 2 ... 5 МПа и температуре 400 ... 500 °С, он называется жидкофазным крекингом, а при давлении 0,2 ... 0,6 МПа и температуре 550 °С и выше - парофазным. Например, если при 400 °С для получения 30 % бензина из мазута необходимо около 12 ч., то при нагреве до 500 °С время процесса составляет всего лишь 30 мин.
Каталитический крекинг по сравнению с термическим более совершенный технологический процесс, так как часть образующихся непредельных углеводородов превращается в предельные за счет катализатора. Вследствие этого качество бензинов каталитического крекинга более высокое чем термического. Катализаторами служат алюмосиликаты.
Путем выделения из природного газа и газов крекинга легких бензиновых углеводородов с последующим их сжижением получают "газовый" бензин. Такой бензин находит применение в качестве высококачественной добавки к бензинам прямой перегонки и крекинг- бензинам.
1.3 СПОСОБЫ ОЧИСТКИ ТОПЛИВА
Методы очистки подразделяются на химические, при которых нежелательные соединения топлива вступают в химические реакции с реагентом, и физические - при которых топливо очищают путем растворения нежелательных соединений или абсорбцией.
К химическим способам очистки относится очистка сернокислотная H
2
SO
4
, щелочная NaOH, гидро-генизационная.
К физическим
- очистка селективными
(избирательными) растворителями и различными абсорбентами - они также выступают в качестве катализаторов непредельных углеводородов, вызывая реакции полимеризации.
Способы очистки смазочных масел. Масляные дистилляты после перегонки мазутов содержат целый ряд нежелательных веществ, таких, как смолисто-асфальтовые, органические кислоты, легко окисляющиеся и полимеризующиеся углероды, которые очень сильно снижают качество масел.
Наиболее широко применяются следующие способы очистки масляных дистиллятов: кислотно-щелочная, кислотно-контактная, селективная, а также деасфальтизация и депарафинизация.
Депарафинизация проводится для масляных дистиллятов, получаемых из парафинистой нефти. При этом процессе из масла удаляются углеводороды, склонные к кристаллизации при понижении

10 температуры.
Деасфальтизация применяется для масел с высоким содержанием смолисто-асфальтовых веществ, затрудняющих серно-кислотную или селективную очистку. После деасфальтизации масляный дистиллят поступает на основную очистку. При деасфальтизации используют специальные растворители, которые преобразуют смолисто- асфальтовые вещества в осадок, после чего этот осадок удаляется механическим путем.
1.4 ОБЩИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ НЕФТЕПРОДУКТОВ
Для надежной и долговечной работы механизмов и систем топливо- смазочные материалы должны соответствовать требованиям ГОСТ. При этом основным критерием характеризующим качество топливо- смазочных материалов являются физико-химические свойства.
Рассмотрим основные из них.
Плотность — это масса вещества, содержащаяся в единице объема.
Различают абсолютную и относительную плотность.
Абсолютная плотность определяется как:
(1) где - плотность, кг/м
3
;
- масса вещества, кг;
- объем, м
3
Плотность имеет значение при определении весового количества топлива в резервуарах. Плотность всякой жидкости, в том числе и топлива, изменяется с изменением температуры. Для большинства нефтепродуктов плотность уменьшается с увеличением температуры и увеличивается с уменьшением температуры.
На практике часто имеют дело с безразмерной величиной - относительной плотностью. Относительной плотностью нефтепродукта называется отношение его массы при температуре определения к массе воды при температуре 4 °С, взятой в том же объеме, поскольку масса 1 л воды при 4 °С точно равна 1 кг. Относительная плотность
(удельный вес) обозначается
. Например, если 1 л бензина при 20 °С весит 730 г, а 1 л воды при 4 °С весит 1000 г, то относительная плотность бензина будет равна:
Относительная плотность нефтепродукта принято выражать

11 величиной, относящейся к нормальной температуре (+20 °С), при которой значения плотности регламентируются государственным стандартом. В паспортах, характеризующих качество нефтепродукта, плотность также указывается при температуре +20 °С. Если известна плотность при иной температуре, то по ее значению можно вычислить плотность при 20 °С (т.е. привести фактическую плотность к стандартным условиям) по формуле:
(2) где
- средняя температурная поправка плотности, величина, которая берется в зависимости от величины замеряемой плотности по справочной литературе.
Рассматривая плотность как весовую, по объему и плотности
(замеренных при одной и той же температуре ) находится вес топлива при замеренной температуре:
(3)
Вязкость - свойство частиц жидкости оказывать сопротивление взаимному перемещению под действием внешней силы. Различают динамическую и кинематическую вязкость. В практических условиях больше интересует кинематическая вязкость, которая равна отношению динамической вязкости к плотности:
Вязкость жидкости определяется в капиллярных вискозиметрах и измеряется в стоксах (С), размерность которого, мм
2
/с.
Кинематическая вязкость нефтепродуктов определяется по ГОСТ
33-82 в капиллярных вискозиметрах ВПЖ-1, ВПЖ-2 и Пинкевича.
Кинематическая вязкость топлива, предназначенного для применения в высокооборотных дизелях, нормируется при 20 °С, низкооборотных - при 50 °С, моторных масел - при 100 °С.
Определение кинематической вязкости в капиллярном вискозиметре основано на том, что вязкость жидкости прямо пропорциональна времени истечения ее через капилляр, обеспечивающий ламинарность потока.
Вискозиметр Пинкевича состоит из сообщающихся трубок различающихся диаметром. Для каждого вискозиметра указывается его постоянная С, представляющая собой отношение вязкости калибро- вочной жидкости при 20 °С ко времени протекания этой жидкости