Федеральное агентство воздушного транспорта
Федерального государственного бюджетного учреждения
Высшего профессионального учреждения
Московский Государственный Технический Университет
Гражданской Авиации
Кафедра ЛА и Д
Контрольная работа
по дисциплине: «ГОРЮЧЕ-СМАЗОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ»
Выполнил: студент 5 курса
заочного отделения
Баранов М.М.
шифр: М-1503373
Проверил: ст. преподаватель
Мешкова Е.М.
Иркутск 2020
Задание 1
Дайте аргументированное обоснование использования нефти как основного источника сырья для получения авиатоплив и альтернативных источников энергии (угля, горючих сланцев) для получения топлив для морской и наземной техники.
Нефть -- жидкое горючее ископаемое. Это маслянистая жидкость с плотностью 0,65...1,05, температурой начала кипения выше 28° С. По химическому составу нефть представляет собой смесь углеводородов: парафинов, нафтенов и ароматических углеводородов с примесью соединений кислорода, серы, азота и некоторых металлов.
Основную массу вещества нефти составляют углеводороды 3-х главных групп: парафиновые (алканы), нафтеновые (цикланы) и ароматические (арены), которые как по количеству, так и по свойствам различаются для нефтей разного происхождения. В нефти содержатся также незначительные количества кислородных и азотистых соединений.
Парафиновые углеводороды. Общая эмпирическая формула СnН2n+2 объединяет газообразные углеводороды, начиная с метана СH4, жидкие, начиная с пентана C5H12, и твердые (Н- парафины), начиная с гексадекана С16Н34 Газообразные и твердые углеводороды способны растворятся в жидких, из которых, могут вновь выделятся газообразные (при повышении температуру или увеличения давления) и твердые (при понижении температуры).
Молекулы парафиновых углеводородов имеют неразветвленные цепи атомов углерода. Сами углеводороды носят название нормальных. Указанные, углеводороды устойчивы к реакциям окисления. Однако с повышением., температуры за 250...300°С окислительные процессы у Н- парафинов значительно интенсифицируются.
Кроме Н- парафинов, в нефтепродуктах находятся также изомерные углеводороды (И- парафины), которые имеют иное пространственное расположение атомов. И- парафины при умеренной температуре проявляют более высокую способность вступать в окислительные реакции, но с увеличением температуры эта способность замедляется, и в области высоких температур И- парафины оказываются более стойкими, чем Н- парафины. Для обеспечения мягкой работы дизельного двигателя важны Н-парафины, а для создания высоких противодетонационных свойств бензинов для карбюраторных двигателей важное значение имеют И- парафины. Парафиновые углеводороды имеют высокую температуру застывания, поэтому их присутствие в зимних сортах дизельных топлив и смазочных масел допускается в незначительных количествах.
Общее содержание парафиновых углеводородов в нефти и продуктах ее переработки составляет около 50...60%, причем наиболее высокое их содержание приходится на фракции, выкипающие до 150°С.
Нафтеновые углеводороды имеют цикличное строение, поскольку в их молекулы входят замкнутые кольца атомов углерода, соединенные между собой простыми валентными связями.
В легких топливных фракциях нефти содержатся моноциклические нафтеновые углеводороды, молекулы которых включают в себя по одному кольцу из пяти или шести атомов углерода. Общая эмпирическая формула моноцикланов СnН2n. Представители моноцикланов - циклопентан C5H10 и циклогексан C6H12. У более сложных нафтеновых углеводородов в молекулы входят, кроме циклического ядра, одна или несколько боковых цепей, представляющих собой радикалы парафиновых цепных углеводородов. Имея одно и то же число атомов в молекулах, нафтены могут содержать большое количество изомерных структур, которые различаются между собой расположением и строением боковых цепей.
Нафтеновые углеводороды в сравнении с парафиновыми при одинаковой молекулярной массе в области невысоких температур устойчивее к реакциям окисления, но несколько уступают Н- алканам. При повышении температуры (около 400°С и выше) цикланы превосходят Н- парафины по стойкости к окислительным реакциям и приближаются к И- парафинам.
Нафтеновые углеводороды обладают низкими температурами застывания, являются ценным компонентом зимних сортов топлив и масел. Хорошая устойчивость к окислению при высоких температурах делает эти углеводороды необходимой составной частью топлив для карбюраторных двигателей, улучшая их противодетонационные качества.
Содержание нафтеновых углеводородов в нефти составляет 20...30% и может быть несколько большим.
Ароматические углеводороды (арены) имеют шестичленное циклическое ядро. Молекула ароматического углеводорода бензола имеет вид С6Н6.
В легкие фракции нефтей и нефтепродуктов входят моноциклические углеводороды с общей эмпирической формулой CnH2n-6, в составе которых одна или несколько боковых парафиновых цепей. Арены в зависимости от количества и расположения боковых цепей образуют изомерные соединения.
В более тяжелых фракциях наряду с вышеуказанными содержатся бициклические и полициклические ароматические углеводороды, в молекулы которых входят несколько взаимоконденсированных колец или же кольца, соединенные между собой промежуточными цепями. Ароматические углеводороды обладают высокой термической устойчивостью к реакциям окисления, но вступают в реакцию замещения с сохранением бензольного ядра. Ароматические углеводороды обладают большей вязкостью, плотностью и температурой кипения в сравнении с цикланами и алканами при той же молекулярной массе. С понижением температуры вязкость аренов резко возрастает, что отрицательно сказывается на свойствах смазочных материалов. топливо смазочный жидкость
Ароматические углеводороды устойчивы к реакциям образования перекисей, что повышает противодетонационные свойства карбюраторных топлив. Арены вызывают увеличение периода задержки самовоспламенения дизельного топлива, что способствует жесткой работе дизельного двигателя.
В нефти содержание ароматических углеводородов составляет 10...30%. Количество ароматических углеводородов возрастает по мере повышения температуры кипения отдельных фракций нефти, доходя до 30...35% во фракциях с температурой 250...300°С.
В процессе термической переработки нефти образуются также непредельные углеводороды, которые характеризуются наличием двойных или тройных связей между углеродными атомами. Наиболее часто встречаются в нефтепродуктах олефиновые углеводороды (алкены) со структурной формулой СnН2n с одной двойной связью (например, этилен С2H4). Распространены также и диолефиновые углеводороды (алкадиены) со структурной формулой СnН2n-2, которые имеют две двойные связи (бутадиен С4H6).
Каждый вид ископаемого топлива органического происхождения, а именно каменный уголь, нефть или природный газ, может быть преобразован в другой посредством изменения относительного содержания углерода и водорода. Существуют два классических способа превращения каменного угля в жидкое топливо, разработанные в Германии. В процессе Бергиуса к каменному углю подводится газообразный водород, и при высоком давлении в присутствии катализатора происходит процесс гидрогенизации. В процессе Фишера - Тропша жидкое топливо получают с помощью каталитической реакции, в которой участвуют моноксид углерода и водород (синтезирующий газ), получаемые при первичной газификации нагретого до высокой температуры каменного угля под воздействием кислорода и водяного пара.
Рис.1
Угольная промышленность в ближайшее время, возможно, получит новый вектор своего развития. Правительство США в рамках Программы энергетической безопасности рассматривает законопроект, реализация которого к 2030 году, по мнению государственных аналитиков, позволит американской экономике получать дополнительные 1,7 млн. баррелей транспортного топлива в день, вырабатываемого из каменного угля. Примечательно, но американские отраслевые источники оперируют еще более оптимистичными прогнозами - 2,6 млн. баррелей в день.
"Соединенные Штаты часто называют угольной Саудовской Аравией, - заметил председатель энергетической комиссии Сената США Пит Доминичи (Pete Domenici), - а активизация работ по внедрению проектов связанных с переработкой каменного угля, в связке с водородными и биотопливными технологиями, могли бы значительно снизить зависимость Америки от импорта нефти в будущем."
До настоящего времени, проектов коммерциализации в США подобных объектов, осуществляющих переработку угля в жидкое топливо, не существовало. Слишком дорогое удовольствие, вкладывать средства в капиталоемкое предприятие в условиях неопределенности цен на производимый им конечный продукт. Для стимулирования инвестиций и была подготовлена новая программа, предусматривающая государственные кредитные гарантии компаниям, работающим в данной области.
Эра «дешевой» энергии, по-видимому, закончена. За два последних десятилетия Соединенные Штаты прочно увязли в нефтяном капкане, в разы, нарастив свою зависимость от иностранных поставок с одновременным сокращением собственного производства на 40 процентов. Высокие цены на рынке энергоносителей создают актуальность использования ряда технологий таких как процессы Фишера-Тропша (Fischer-Tropsch), основанных на газификации и последующем сжижении каменного угля, происходящего в условиях высоких температур. Сегодня бензин в США стоит порядка $3 за галлон, т.е уже делая рентабельным вывод на рынок топлива полученного из угля, себестоимость которого, по словам экспертов, составляет $15 за баррель (1 баррель - ок.42 галлонов).
"Производство подобного топлива имеет важное стратегическое значение, т.к. могло бы уменьшить нашу зависимость от нефтяного импорта и оказать значимое влияние на энергетическую безопасность нации," - заявил Кларенс Миллер (Clarence Miller) из Министерства энергетики США.
По словам главы Rentech Ханта Рамсботтома (Hunt Ramsbottom), жидкое топливо, получаемое из угля, соответствует самым жестким экологическим нормам. Как следует из доклада, сделанного им в Конгрессе, большинство вредных загрязняющих окружающую среду веществ, таких как сера и ртуть, составляющих до 30% в обычных выхлопных газах, удаляется еще на этапе газификации. Полученный на выходе продукт может напрямую использоваться в качестве автомобильного, дизельного и даже авиационного топлива без внесения в конструкцию двигателей дополнительных модификаций.
Согласно заявленной программе, первый промышленный объект Rentech, строящийся в Иллинойсе, должен встать на проектную мощность уже в 2010 году, а до этого, к первому кварталу 2007 года, будет запущен экспериментальный завод в Колорадо, мощность которого будет составлять 10 баррелей каменноугольной нефти в день.
Задание 2
Энергетические свойства топлив. Теплотворная способность топлив. Зависимость теплотворной способности топлив от химического и группового состава топлив. Влияние ее на дальность и продолжительность полета летательного аппарата.
Теплотворная способность -- это количество теплоты, которое получают при сжигании единицы массы или объема топлива.
Под теплотой сгорания (энергоемкостью) понимают количество теплоты (килокалорий), выделившейся при полном сгорании единицы массы или объема топлива и замеренных при постоянных давлении и температуре (обычно 25°С). В технике пользуются значением низшей теплоты сгорания одного килограмма (весовой) или одного литра (объемной) топлива. Низшая теплота сгорания топлива (расчетная) равна высшей теплоте сгорания (экспериментальной) минус количество тепла, затраченного на испарение некоторых продуктов сгорания, которые при нормальной температуре являются жидкостями. В основном это вода, которая выводится из двигателя с продуктами сгорания в парообразном состоянии. При этом исходят из того, что тепло при образовании водяных паров теряется безвозвратно. Экспериментально определяют весовую теплоту сгорания (ккал/кг). Для того чтобы получить объемную теплоту сгорания (ккал/л), значение весовой теплоты сгорания умножают на плотность топлива.
Реактивные топлива обладают высокой теплотой сгорания, находящейся в пределах 10250--10400 ккал/кг. Весовая теплота сгорания и плотность -- основные показатели качества топлива. С их помощью определяют энергетический заряд залитого в баки самолета топлива. Следует стремиться к тому, чтобы значение объемной' теплоты сгорания максимально приближалось к значению весовой теплоты сгорания. Совпадение этих величин возможно лишь при плотности, равной единице, что для реактивных топлив недостижимо.
Среди углеводородов, выкипающих в одинаковых температурных пределах, максимальной весовой теплотой сгорания (теплотворной способностью) обладают парафиновые, наиболее богатые водородом, затем идут нафтеновые и, наконец, ароматические. Плотность изменяется в обратном порядке: наиболее высокая у ароматических углеводородов. Плотность широко применяемых реактивных топлив равна 0,77-- 0,80 г/см3.
О зависимости теплотворности топлив от группового состава и температуры выкипания можно по таблицам №1 и 2.
Таблица №1
Таблица №2
В авиационных двигателях химическая энергия топлива в результате сгорания превращается в тепловую энергию. Энергетическая характеристика топлива оценивается теплотой сгорания Q, т. е. количеством тепла, которое выделяется при полном сгорании единицы массы (массовая теплота сгорания), или объема топлива (объемная теплота сгорания). Зависимость дальности полета L. самолета от массовой теплоты сгорания Q определяется формулой