Понеделник, 04 Май 2009 23:24   
Бензинът - какво знаем за него
Полезна информация - Флуиди

Бензинът е течна смес от различни съставки, предимно въглеводороди получени при преработката на суров петрол (нефт). Употреба намира преди всичко в двигатели с вътрешно горене, главно автомобилни, но също така и като разтворител, суровина в нефтохимията и др.

От 60-те години на XIX в. бензинът е известен като страничен продукт при първичната преработка на нефт с цел получаване на керосин (газ за лампи), който по това време е главният продукт с пазарна ценност. Поради липса на пазар бензинът обикновено просто е бил изхвърлян или изгарян. Едва след като в началото на XX в. започва масовото производство на автомобили, бензинът, поради своята достъпност, ниска цена и подходящи физически и химически свойства, се превръща в главен продукт на нефтопреработката; такъв той е и до днес.
Бензинът е безцветна до леко жълтеникава, прозрачна и лесно изпаряваща се течност с характерна миризма, смес от стотици видове въглеводороди, повечето от които наситени, с 4 до 12 атома въглерод (като правило от 5 до 12); може да се смесва с други моторни горива (виж по-долу). В състава му преобладават алкани, нафтени (циклоалкани), ароматни въглеводороди и олефини. Па̀рите на бензина образуват с въздуха лесно запалима смес, което позволява той да бъде подаван към двигателя с помощта на прости механични устройства (карбуратори, инжектори), които го смесват с въздух, било то преди горивната камера (карбуратори и инжектори във впускателния колектор) или в самата камера (инжектори за пряко впръскване).

Повечето бензини, предназначени за автомобилни двигатели, имат точка на кипене между 30-35 докъм 200 градуса Целзий. В зависимост от климатичните условия се произвеждат и предлагат на пазара бензини с коригирани свойства, отговарящи на температурата на външната среда и условията на експлоатация на двигателя: достатъчно висока изпаряемост (налягане на парите) за пускане на студен двигател и същевременно достатъчно ниска изпаряемост за предотвратяване на образуването на газови "тапи" в бензиновите помпи, бензинопроводите, карбураторите и инжекторите, октаново число, корозионност, крива на кипене (процент от бензина, който изкипява до определена температура). Контролират се също така съдържанието на по-тежки въглеводороди ("смоли"), които могат да доведат до нежелани отлагания на нагар в карбуратора, инжекторите и двигателя, присъствието на ароматни въглеводороди, вода, киселини и основи, механични примеси и прочие.
В топлинните машини (към които спада и бензиновият двигател с вътрешно горене) коефициентът на полезно действие (КПД) зависи от разликата в температурите на работната среда на двигателя и околната среда. Поради това конструкторите отрано се опитват да повишат кпд на бензиновите двигатели чрез повишаване на степента на компресия в двигателя, което води и до по-висока температура в горивната камера (цилиндъра). Много скоро обаче, те се сблъскват със самовъзпламеняването на въздушно-бензиновата смес преди правилния момент (детонационно горене или "чукане" в двигателя). За съпоставимост на антидетонационните свойства на бензините, на бензин, състоящ се изцяло от изо-октан (2,2,4-триметилпентан) се присвоява октаново число 100, а на бензин, състоящ се само от нормален хептан (n-хептан), се присвоява октаново число 0. Дадено октаново число означава, че съответният бензин има антидетонационни свойства като тези на бензин, състоящ се от пропорционално количество изо-октан и n-хептан (напр. бензин "98 октана" има антидетонационни свойства като тези на смес от 98% изо-октан и 2% n-хептан). Има съставки на бензина, които са с по-добри антидетонационни свойства от октана; поради това съществуват бензини с октаново число над 100 (до към 140-145), което се оценява чрез екстраполация.

За определяне на октановото число има два основни метода - изследователски и моторен (англ. research octane number - RON и motor octane number - MON). И при двата се използва специална октан-машина, разработена през 30-те години на XX в. Тя представлява едноцилиндров двигател с изменяема компресия. По изследователския метод октановото число (RON) се определя, като октан-машината работи с 600 оборота в минута, на впускателния клапан се поддържа температура от 120 градуса Фаренхайт (48,89 градуса Целзий) и запалването е с изпреварване 13 градуса. По моторния метод октан-машината лаботи с 900 оборота в минута, температурата на впускателния клапан е 300 градуса Фаренхайт (148,89 градуса Целзий) и моментът на подаване на искрата варира. В сравнение с моторния метод, изследователският системно завишава резултатта за октановото число, обикновено с 7-10 октана. Моторният метод обаче е по-близък до реалното поведение на двигателите и бензина, и в такъв смисъл е практически "по-важен". В производството и търговията на едро обикновено спесификациите на бензина включват изисквания към минималното октаново число и по двата метода, но в търговията на дребно се обявява само едно октаново число. В Европа (включително България) октановото число на бензина се обявява по изследователския метод (RON), но в други държави това не е така. Например в САЩ бензинът в търговската мрежа се маркира със средното октаново число по моторния и изследователския метод [(RON+MON)/2].

Бензинът, получаван при първичната преработка на нефт (англ. straight run gasoline, straight run naphtha), има октаново число около 55-60, което още в началото на XX в. е недостатъчно. Изследванията показват, че въглеводороди с ациклични "прави" верижни молекули (напр. алкани) имат по-лоши антидетонационни свойства от тези с разклонени или циклични молекули. Съответно са разработени процеси на допълнителна ("дълбочинна") преработка на нефтопродуктите, получени при първичната преработка, с цел получаване на високооктанови компоненти на бензина: термичен (от 1913 г.) и каталитичен крекинг (от около 1930 г.); по-късно сярно-кисело алкилиране, полимеризация, каталитичен реформинг, изомеризация и др. Продуктите на тези процеси имат разклонена или циклична структура на молекулата (от последните особено значение имат бензолът и толуолът) и са с високо октаново число. Така при нефтопреработката рязко се покачват както рандеманът на бензин, така и неговото октаново число. Същевременно се появява нужда да се контролират емисиите на циклични (ароматни) въглеводороди във въздуха, тъй като те имат твърде вредно въздействие върху здравето (канцерогенност).

Типични компоненти на бензина са реформатът (високооктанов продукт на каталитичния реформинг с богато съдържание на ароматни и ниско съдържание на олефини), крекинг-бензинът (продукт на каталитичния крекинг със средно високо октаново число, високо съдържание на олефини и средно на ароматни въглеводороди), хидрокрекинг бензинът (продукт на хидрокрекинг процес, със средно до ниско октаново число и средно съдържание на ароматни), нискооктановият бензин (продукт на атмосферната дестилация на суров нефт, с ниско съдържание на ароматни и почти нулево на олефини), алкилатът (продукт на сярно-кисело алкилиране, високооктанов, състоящ се почти само от разклонени алкани) и изомеризатът (получен чрез изомеризация на нискооктанов бензин, с ниско съдържание на ароматни).

За повишаване на октановото число са разработени и различни добавки към бензина, от които най-голямо значение има тетраетилоловото (от 1920 г.), твърде силно отровна течност. Освен потенциалните преки тежки последствия за здравето при контакт с тетраетилолово и бензини с добавено тетраетилолово, тази добавка води до емисия от бензиновите двигатели във въздуха на оловни аерозоли, които при вдишване или навлизане по друг път в организма (например при употреба за храна на растения, върху които са попаднали оловни аерозоли) имат извънредно лоши последствия, особено при деца (забавяне на развитието). Поради тази причина производството и употребата на бензини, съдържащи олово ("етилирани" бензини) днес са забранени в повечето страни в света, включително България.

Преминаването към безоловни бензини може да предизвика проблеми в двигатели, конструирани да работят с етилирани бензини, тъй като оловото има ефект на смазка на седлото на изпускателния клапан. За предотвратяване на евентуални повреди, при някои автомобили, произведени преди доста десетилетия (предимно до 70-те години на XX в.), се налага замяна на този детайл в двигателя с по-твърд, ако се зарежда безоловен бензин.

Съществуват също така някои повишаващи октановото число добавки към бензина, имащи ефект на смазка на седлата на клапаните. Такава добавка е например метил циклопентадиенил манган трикарбонила (methyl cyclopentadienyl manganese tricarbonyl, MMT), който се добавя към бензините, предлагани в търговската мрежа в Канада и Австралия.

Подобряването на качествата на бензина с течение на времето позволяват да се покачи степента на компресия на двигателите (от около 4,5 през 20-те години на XX в.до над 10 днес), тяхната литрова мощност (съответно от около 14 к.с. на литър до над 100 к.с. на литър), кпд (от около 0,1 до 0,25-0,28 днес), да бъдат намалени теглото и габаритите им и пр., като същевременно намалява консумацията на бензин за километър пробег и емисията на вредни вещества и парникови газове. При нормална експлоатация трябва да се зарежда само бензин с октаново число, равно или по-голямо на минималното октаново число, спесифицирано за дадения двигател. Трябва обаче също така да се има предвид, че октановото число е най-важният, но не и единственият параметър, определящ антидетонационните ствойства на бензина в практически условия. В съвременните двигатели се ползват сенсорни датчици за детонация и компютърни устройства за изменение на изпреварването в подаването на искрата (от края на 70-те години на XX в.), които позволяват изпреварването автоматично да се изменя по време на движение в зависимост от условията на експлоатация. По-добрите такива устройства "усещат" детонацията във всеки отделен цилиндър и изменят изпреварването индивидуално за всеки цилиндър; те са масови от края на 90-те години (в над 50% от новите автомобили). Поради това ползването на по-високооктанов бензин не носи никакви практически изгоди, освен ако не се наблюдава постоянно детонационно горене в двигателя при доста широк диапазон на обороти и мощност.
В бензините се ползват и други добавки (понякога наричани "присадки"), например съединения на хлора и брома в етилирани бензини с цел подобряване на изпаряемостта на тетраетилоловото (тази практика също е на изживяване), антиокислители (с цел предотвратяване на отлагането на смоли), деактиватори на металите (с цел запазване на свойствата на бензина при контакт с метал в резервоара), антиобледенители (с цел предотвратяване на замръзването на вода в карбуратора) и др. В много бензиностанции и други магазини се продават различни добавки към бензина, но ползването им може да е неоправдано, тъй като още в рафинерията повечето производители смесват ("блендират") различните съставки на бензина по такъв начин, че той да отговаря на изискванията на съвременните двигатели, на сезона и на опазването на околната среда. Днес на пазара се предлагат почти изключително високооктанови неетилирани бензини (над 90 октана) от зимен и летен клас, които са произведени според строги стандарти за съдържание на ароматни въглеводороди и други потенциално вредни и опасни вещества.
Употребата на неетилирани бензини прави възможно използването на каталитичен конвертор на изгорелите газове ("катализатор"), който намалява емисията на силно отровния газ въглероден окис, недоизгорял бензин и други вредни газове. При автомобили, оборудвани с катализатор, употребата на етилиран (със съдържание на олово) бензин води до "отравянето" на катализатора: дори след кратък контакт с олово той губи свойствата си. Поради това не се допуска използване на етилирани бензини в автомобили, които имат каталитичен конвертор.
Освен от суров нефт в нефтопреработвателните заводи (рафинерии), бензин се произвежда и от природен газ - от него се отделят в газопреработвателни заводи течни съставки като кондензат ("фракция С5" или "лек газообразен бензин"). Възможно е също така производството на бензин чрез синтез на течности от газове по процес, разработен от немските химици Fischer и Tropsch през 20-те години на XX в. Като суровина може да бъдат използвани въглища, природен газ и дори отпадна биомаса. При употребата на въглища първоначално от тях чрез обработка с пара и кислород или въздух се получава синтезен газ (смес от водород и въглероден окис), който след това бива допреработен в течности в присъствието на катализатор. Основните продукти на процеса са дизелово гориво и бензин, но могат да бъдат произвеждани още стотици други продукти. Първият завод за бензин от въглища е построен през 1938 г. в Германия и разрушен по време на Втората световна война. По-късно подобни заводи със суровина въглища са построени в Южна Африка, която по времето на апартейда е под ембарго за внос на нефт. При употребата за суровина на природен газ (метан) получаването на синтезен газ е облекчено, поради което тази технология е предпочитана напоследък ("течности от газ", англ. "gas-to-liquids", GTL). Завод със суровина природен газ е построен в Малайзия, още един е в строеж в Австралия, опитни инсталации има в САЩ (Оклахома).
Като моторно гориво могат да се ползват и бензини, съдържащи алкохол (етанол или метанол), като обикновено бива предпочитан етанол поради по-малката си корозионност. Етанолът обаче има по-малка топлотворна способност от бензин, съдържащ само въглеводороди, и освен това може да кородира двигатели, които не са конструирани да работят с него. Поради това бензиново-алкохолни смеси могат да се ползват без ограничения само в съответно пригодени двигатели, а в търговската мрежа съдържанието на етанол в бензина е ограничено (напр. до 1% в Европа, до 10% в някои щати в САЩ и т.н.). Смесите от бензин и етанол, наричани "газохол", се маркират според съдържанието на етанол - например Е10 е смес с 10% етанол, Е85 е смес с 85% етанол и т.н. През последните години се появяват "гъвкави" двигатели, способни да работят с бензини от Е0 до Е100, например в Бразилия. Тези бензини отговарят на всички други изисквания, като октаново число, съдържание на ароматни, налягане на парите и т.н., и освен това имат предимството да дават по-малко токсични емисии, тъй като съдържащият се в алкохола кислород помага за по-пълното изгаряне на бензиновата смес. Поради това газохолните смеси биват наричани и "оксигенирани" бензини (с по-високо съдържание на кислород). Друга добавка "оксигенат" е метил-трет-бутиловият етер (MTBE, methyl tertiary butyl ether, methyl tert-butyl ether) - до 2% - която обаче при попадане във вода е токсична. Поради това напоследък са предпочитани етанолно-бензиновите смеси. Предназначен за смесване в бензин етанол се произвежда от захар (захарна тръстика), зърно (царевица и др.), целулоза (слама) и други суровини, и има широко приложение в някои държави (Бразилия, САЩ и др.).
В обикновен двигател, предназначен за работа с бензин, могат да се ползват и други горива, като например втечнен газ (пропан-бутанови смеси), природен газ (сгъстен метан) и дори синтезен газ получен от биомаса (напр. газогенераторни автомобили с дърва). Пропан-бутановите смеси варират в зависимост от сезона (през зимата съдържанието на пропан трябва да е по-високо), изискват монтирането на допълнително оборудване (балон за газ) и намаляват мощността на двигателя поради по-ниската си топлотворна способност, но са с високо октаново число и сравнително ниска цена. Сгъстеният природен газ (метан) изисква монтирането на тежки и обемисти бутилки, нужни да поберат достатъчно гориво за що-годе приемлив пробег между зарежданията (обикновено до 250 км.), поради което се ползва почти само от камиони и автобуси в градски условия. Газогенераторният вариант за заместване на бензина е ползван само при извънредни обстоятелства, например по време на Втората световна война.

Топлотворна способност на бензина и други моторни горива (MJ/литър, приблизителни стойности):
Бензин 87-98 октана 29,01 Втечнен газ (пропан-бутан) 22,16 Дизелово гориво 32,19 Нафта за отопление 34,74 Етанол 19,59 Метанол 14,57 Газохол Е10 28,06.