Решение. Таблица 3.3.2 Компонент,i Объём, баррель, Vi ДПР, psi, Рi Объём×ДПР Vi Рi Прямогонный бензин

Таблица 3.3.2

ДПР н-бутана Р ₅=52_psi, 1 баррель = 159 л.

Рассчитаем ДПР 4-х компонентной смеси:

.

Далее определяем, какое количество V ₅ н-бутана с ДПР Р ₅=52_psi необходимо добавить к 4-х компонентной смеси объёмом V =19000 бар. с эквивалентным ДПР Р _э4=3, 19 _psi, чтобы получить бензин с ДПР Р _э5=10_psi.

;

10(19000+ V ₅)=60600+52· V ₅;

V ₅ = 3081баррелей н-бутана.

Общее количество произведённого бензина составит:

19000+3081=22081баррель.

Зимой требуемая величина ДПР обычно выше, чем летом, поэтому количество произведённого бензина также оказывается выше. Действительно, чем выше требуемая величина ДПР, тем больше бутана можно добавить, и тем больше объём бензина, полученный в итоге. К сожалению, однако, на большинстве рынков сбыта потребности в бензине зимой как раз ниже, чем летом.

3.3.1. Сравнительный анализ н-бутана и изобутана как компонентов смешения бензина

Почему для повыше­ния давления паров бензина используется именно н-бутан, а не изобутан? Для этого есть несколько серьезных причин. Во-первых, величина ДПР н-бутана на 19 psi (1.33 атм) ниже, чем в случае изобутана, и, следователь­но, имеется возможность добавить большее количество бу­тана. Цена бутана обычно такова, что чем больше его можно добавить в бензин, тем лучше. Во-вторых, у изо­бутана есть другая область применения – алкилирование, причем изобутана часто оказывается недостаточно, чтобы обеспечить потребности алкилирования, и поэто­му некоторое количество н-бутана приходится перераба­тывать в изобутан на установке изомеризации бутана. В-третьих, рыночная цена н-бутана обычно несколько ниже, чем цена изобутана.

В качестве примечания можно добавить следующее: как заполняется бензобак авто­мобиля. Обычно вокруг горловины бака можно наблю­дать волнообразный пар. Это – бутан, который улетает из бензина.

Можно также заметить, что зимой этого пара больше, чем летом. Это потому, что зимой выше необходимая величи­на ДПР бензина.

3.4. Октановое число

Октановое число показывает, будет ли бензин детонировать в двигателе. Явление детонации можно пояснить следующим образом.

Когда смесь паров бензина и воздуха подается в цилиндр, поршень движется вверх и сжимает ее. При сжатии пары нагреваются.

Если смесь паров бензина и воздуха достаточно сильно сжать, то она сильно нагреется и может самовоспламениться без участия свечи зажигания. Если это случится раньше, чем поршень достигнет верхней точки своего хода, то произойдет детонация, то есть двигатель будет препятствовать движению коленчатого вала, вместо того, чтобы ему способствовать. Детонация обычно воспринимается как постукивание или гудение двигателя.

Очевидно, детонации следует избегать, так как она не только работает против движущей силы мотора, но также отрицательно сказывается на его механических частях. На ранних стадиях разработки бензиновых двигателей было обнаружено, что различные компоненты бензина ведут себя по-разному. Ключевой характеристикой компонента является степень сжатия.

Степень сжатия — это отношение объема цилинд­ра в нижней точке хода поршня к объему в верхней точке. При измерении октанового числа бензина или компонента бензина имеет значение конкретная степень сжатия, а именно та, при которой самовоспламенение произойдет именно в верхней точке хода поршня. Для изме­рения степени сжатия, при которой данный компонент бензина детонирует, был разработан специальный ряд чисел. За бензин с октановым числом 100 был условно принят изооктан (2, 2, 4-триметилпентан) C₈Н₁₈. Нормаль­ный гептан С₇Н₁₆, который детонирует при значительно меньшей степени сжатия, был принят за бензин с окта­новым числом 0. Используя испытания на стендовом дви­гателе, каждому компоненту бензина можно поставить в соответствие смесь изооктана и н-гептана определенного состава. Октановым числом считается процентная доля изооктана в смеси, детонирующей при той же степени сжатия.

Методика испытаний на детонацию строится следующим образом. Для этого используется стендовый двигатель с подвижной крышкой цилин­дра, которую можно поднимать или опускать, меняя та­ким образом степень сжатия. Бензин, который испыты­вают, подают в двигатель при крышке, сдвинутой вниз. В некоторой точке происходит детонация, что можно за­метить либо на слух, либо используя детонометр. Степень сжатия записывают, после чего крышку перемещают вверх. Приготовляют две смеси изооктана и н-гептана. При некотором опыте работы с прибором можно подо­брать смеси таким образом, чтобы одна из них детониро­вала при меньшей, а другая — при большей степени сжатия, чем компонент, который только что испытыва­ли. Октановые числа для этих смесей известны по опре­делению (это процентное содержание изооктана). Для каждой из смесей проводят те же измерения и записыва­ют критическую степень сжатия. Построив график по трем известным точкам, как показано на рисунке, можно определить октановое число компонента бензина.

Например, компонент бензина детонирует на стендо­вом двигателе при степени сжатия 8: 1. Приготовляют две модельные смеси — одна содержит 88% изооктана (0Ч 88), а другая — 96% (0Ч 96). На стендовом двигателе они детонируют соответственно при степенях сжатия 7, 2: 1 и 8, 4: 1. По графику определяем, что неизвестное октановое число равно 94.

Степень сжатия топлива в двигателе определяет мощность, которую тот способен развить. Чем больше степень сжатия, тем длиннее рабочий такт и тем более мощным является двигатель. Таким образом, на машины разного размера устанавливают двигатели раз­личной конструкции, которым требуется бензин с раз­ными октановыми числами. Чтобы изме­нить степень сжатия для машины, не нужно передвигать крышку цилиндра вверх-вниз. Вместо этого необходимо покупать именно такой бензин, который под­ходит для машины.

Рис. 3.4.1. Определение октанового числа

Испытания по определению октановых чисел проводят при двух разных режимах. Измерение октанового числа по исследовательскому методу (ИОЧ) моделирует езду на машине в мягких условиях. Измерение октанового числа по моторному методу (МОЧ) проводят в более жестких условиях, которые моделируют движение на большой скорости или при значительной нагрузке. Сочетание ве­личин МОЧ и ИОЧ дает полное представление о работе в разных условиях.

Когда два компонента бензина сме­шивают, величины ИОЧ и МОЧ не подчиняются прави­лу аддитивности. Другими словами, ИОЧ и МОЧ смеси не равны величинам, полученным усреднением с учетом объемных долей компонентов. Но для каждого компонента существует такая величина, как октановое число смешения, которое уже подчиняется правилу адди­тивности. Октановое число смешения определенным образом связано с истинным октановым числом (которое находят по испытаниям на двигателе) и выясняется опытным путем. Когда говорят об ИОЧ и МОЧ компонентов бензина, то могут иметь в виду как истинные октановые числа, так и числа смешения. С этого момента все октановые числа, которые будут упоминаться, будут означать именно октановые числа смешения.

Таким образом, октановые числа смешения обладают свойством аддитивности, так же как ДПР и процесс смешения компонентов бензина может быть описан линейной моделью:

,

где К _э – октановое число (04) смеси; К _i – октановое число смешения
i-ого компонента смеси; V _i – объём i-ого компонента смеси.

3.5. Получение бензина с заданным октановым числом

Возьмём смесь компонентов из п.3.3. в примере по использованию н-бутана для увеличения давления паров. Октановые числа по исследовательскому методу (ИОЧ) и по моторному методу (МОЧ) приведены в таблице 3.5.2.

Таблица 3.5.1

Необходимо рассчитать ИОЧ – К _э(И) и МОЧ – К _э(М) этой смеси.

.

В результате расчета получим:

К _э(М) = 78, 1 (МОЧ).

Аналогичным образом получим значение ИОЧ: 87, 4.

Пример.

Определить, определить, сколько необходимо добавить алкилата в полученную выше 5-и компонентную смесь, чтобы получить требуемые МОЧ К_э(М) = 80, 0 и ИОЧ К_э(И) = 89, 0. Октановые числа алкилата составляют: К_а(М) =95, 9 (МОЧ) и К_а(И) = 97, 3 (ИОЧ).

Решение.

В данном случае смешиваются два компонента: бензин – 5-ти компонентная смесь объёмом V _б=22081 баррель с октановыми числами К_эо(М) =78, 1 и К_эо(И) =87, 4 и алкилат с К_а(М) =95, 9 и К_а(И) = 97, 3 (таблица 3.5.2.)

Таблица 3.5.2.

Чтобы V _б=22081 баррелей бензина соответствовали нормативу по ИОЧ, необходимо количество алкилата V _а(М), которое найдём из уравнения:

,

где К _э1(М) =80, 0.

Следовательно, 80, 0 [22081+ V _a(M)]=22081·78, 1+95, 9· V _a(M).

Отсюда получим: V _a(M)=2638 баррелей.

Для норматива по ИОЧ определим аналогичным образом:

89, 0 [22081+ V _a(И)]=22081·87, 4+97, 3· V _a(И), V _a(И)=4257 баррелей.

Поскольку для соответствия нормативу по ИО4 требуется больше алкилата: V _a(И)> V _a(M), то это и определяет действительную потребность, так как оба заданных октановых числа К _э1(М) =80, 0 и К _э1(И) = 89, 0 являются минимально допустимыми.

3.6. Двухпараметровая модель смешения бензина

До сих пор рассматривалась однопараметровая модель смешения по одному из показателей: давлению паров по Рейду (ДПР) или октановому числу (ОЧ). Двухпараметровая модель предполагает одновременное удовлетворение двух условий: по ДПР и ОЧ. Для повышения ОЧ используется алкилат, а для повышения ДПР – н-бутан.

Для построения двухпараметровой модели смешения необходимо использовать систему 2-х уравнении, связывающих ДПР и ОЧ смеси с ДПР и ОЧ компонентов этой смеси.

.

где n – число компонентов смешения.

Допустим, что (n -2) компонентов смеси задано, а необходимо определить объёмы н-бутана V_{n -1} и алкилата V_n, обеспечивающих требуемые значения ДПР смеси Р _э и ОЧ – К _э.

Тогда получим систему 2-х линейных алгебраических уравнений относительно искомых параметров: V_{n -1} и V_n.

,

где .

Пример:

Бензин получается в результате смешения шести компонентов (таблица 3.6.1.).

Таблица 3.6.1

Сколько необходимо добавить н-бутана V₅ и алкилата V₆ в смесь, состоящую из 4-х компонентов, чтобы обеспечить следующие значения параметров:

а) Р _э=10 psi; К _э(И)=87, 4 (ИОЧ), 90;

б) Р_э =10 psi; К _э(М)=78, 1(МОЧ), 80.

Решение. Рассмотрим вариант " а" при Р _э=10 psi; К _э(И)=87, 4; n =6, 0.

Система уравнений для V₅ и V₆:

(Р ₅- Р _э)· V ₅+(Р ₆- Р _э)· V ₆=ζ ₁;

(К ₅- Р _э)· V ₅+(К ₆- Р _э)· V ₆=ζ ₂;

где Р ₅=52, 0; Р ₆=4, 6; Р _э=10, 0, К ₅(И)=93, 0; К ₆(И)=97, 3; К _э(И)=87, 4.

Таким образом, система уравнений примет вид:

.

Решение системы уравнений:

Объём алкилата V ₆ получился отрицательным. Как объяснить такой результат? По-видимому, полученный объём н-бутана позволяет с избытком реализовать заданные требования к бензину по ДПР и ОЧ.

Проведём проверочный расчет, определим ДПР и ОЧ полученной смеси, полагая V ₅=3079 баррелей и V ₆=0.

,

где .

V₅=3079; Р₅=52;

Таким образом, требования к бензину по ДПР и ОЧ выполнены при V ₅=3079 баррелей и V ₆=0.

3.7. Контрольные вопросы и упражнения

3.7.1. Представить цикл работы ДВС с помощью диаграммы.

3.7.2. Что такое рабочий ход поршня ДВС.

3.7.3. Основные элементы ДВС.

3.7.4. В чем состоит явление детонации.

3.7.5. Дать определение следующим понятиям: давление насыщенных паров, паровая пробка, степень сжатия.

3.7.6. С помощью какого компонента увеличивают давление насыщенного пара.

3.7.7. Каким образом экспериментально определяются октановые числа бензина: ИОЧ, МОЧ, октановое число смешения.

3.7.8. Каким образом строится шкала октановых чисел.

3.7.9. Перечислить основные компоненты, используемы для получения бензина с заданным ДПР, ОЧ.

3.7.10. Какой компонент используется для повышения ОЧ бензина.

3.7.11. Как строятся одно- и двухпараметровые модели смешения бензина.

3.7.12. В чем состоит свойство аддитивности ДПР и ОЧ как физических величин.

3.7.13. Бензин получается в результате смешения шести компонентов (таблица 3.6.1). Сколько необходимо добавить н-бутана и алкилата в смесь из 4-х компонентов, чтобы обеспечить следующие значения параметров:

а) Р _э=12 psi; К _э(И)=95;

б) Р _э=10 psi; К _э(И)=90;

в) Р _э=10 psi; К _э(М)=85;

г) Р _э=12 psi; К _э(М)=90;

д) Р _э=10 psi; К _э(М)=80.

3.7.14. Рассчитать количество н-бутана, которое требуется для получения ДПР 12, 5 psi в смеси 2730 баррелей прямогонного бензина, 2490 баррелей риформата с ИОЧ94, 6100 баррелей тяжелого продукта гидрокрекинга и 3600 баррелей крекинг-бензина. Сколько надо добавить алкилата, чтобы ИОЧ бензина было 95, 0.

Литература

1. Вержичинская С.В., Дигуров Н.Г. Химия и технология нефти и газа. М.: Форум-ИНФРА-М., 2009, 399 с.

2. Леффлер У. Переработка нефти.М.: ЗАО " ОЛИМП-БИЗНЕС", 2011, 223 с.

3. Ола Д., Гепперт А. Метанол и энергетика будущего. Когда закончится нефть и газ. М.: Бином. Лаборатория знаний, 2009, 416 с.

4. Лутошкин Г.С. Сборник задач по сбору и подготовке нефти, газа и воды на промыслах. М.: Альянс, 2011, 133 с.