Октан саны
Дәріс жоспары:
1. Октан саны. ОС анықтау әдістері
2. Бензин құрамына кіретін көмірсутектердің детонациялық сипаттамасы
1. Іштей жану двигательдерінің жұмысы, оның ұзақ жұмыс істеуі автомобиль бензинінің сапасына байланысты. Бензин сапасы октан санымен сипатталады. Октан саны отынның іштей жану двигательдерінде (ІЖД) кенеттен жануының тұрақтылығын және детонацияға төзімділігін анықтайтын шама. Детонация – бензиннің қопарылыс түрінде жануы. Детонацияға төзімділік бензин компоненттерінің қатынасымен анықталады. Барлық көмірсутектер бірдей жанбайтындығы белгілі. Олардың көбі аралық өнім ретінде асқын оксидтер қосылыстары мен олардың ыдырау өнімдерін түзеді. Осы заттар өте тұрақсыз және қопарылуға бейім. Ұшқыш әсерінен отын қоспасы жанады да цилиндр ішінде жалын түзеді, ал оның жоғарғы жағында асқын оксидтер қоспасы жиналады. 15-20% пайдаланылмаған отын қоспасы қалғанда жарылыс болады. Жалынның таралу жылдамдығы мұнда 2500 м/с дейін жүз есе көбейеді. Көмірсутектер жанғанда пайда болатын газдардың көлемі ұлғаяды да, поршенді кері итеріп жұмыс істейді. Кейбір көмірсутектер қысым ретінде өте тез жанып қопарылыс сияқты белгі береді. Қопарылыс толқыны поршенді сығуынан цилиндрде дүрсілдеген қатты дыбыс шығады, осыдан двигательдің қуаты кемиді. Детонацияға төзімділігі жоғары – н-гетпан, ал төзімділігі төмен – 2,2,4-триметилпентан (изооктан):
Октан санын анықтауда осы көмірсутектер эталон ретінде алынған. Изооктанның октан саны 100, ал н-гептандікі 0 деп белгіленген. Бензиннің октан санын изооктан мен н-гептан қоспасының пайыздық (көлемі бойынша) мөлшері бойынша анықтайды. Егер осындай қоспаның детонацияға төзімділігі анықталатын отынның детонацияға төзімділігі анықталатын отынның детонацияға төзімділігіне эквивалентті болса, онда отынның осы құрамы бойынша октан санын белгілейді.
Октан санын бір цилиндрлі іштей жанатын карбюратормен двигатель орналасқан сынау қабырғасында анықтайды. Сынау жүргізгенде қондырғыға бензин үлгісін құяды да арнайы аспаппен детонация дәрежесін анықтайды. Одан соң осы қондырғыға изооктан мен н-гептан қоспасын детонацияның сол деңгейіне жеткенше әртүрлі мөлшерде құяды. Эталон ретінде алынған қоспа ретінде алынған изопентанның пайыздық құрамы октан санын көрсетеді. Егер қоспадағы изооктан 80% болса, онда октан саны (ОС) сексен пунктке тең деп есептеледі. Бұл отынның соншама қысылғанда детонацияға ұшырайтынын білдіреді, изооктанның 20% н-гептанмен сұйытылғанын көрсетеді. Октан саны осылайша салыстырмалы және шексіз физикалық мәні жоқ шама. Оны екі әдіспен – моторлы және зерттеу әдісімен өлшейді. Моторлы әдістің зерттеу әдісінен айырмашылығы двигательдің қатты жағдайда жұмыс істеуі, айналымның көп болуы және ыстық қоспаның температурасы. Октан санын моторлы әдіспен анықтау әдісі еуропалық және американдық практикада жолға қойылмаған, ол тек біздің жолдар мен двигательдерге арналған. Бұл әдіспен номинальды жүктеме ұзақ жұмыс істегенде бензиннің детонацияға төзімділігі анықталады. Бензин көрсеткішін белгілегенде бұл әдіс көрсетелмейді (А76). Зерттеу әдісімен белгіленбеген режимде (АЗ-93, А-автомобилді, З-октан санын анықтаудың зерттеу әдісі, ОС=93). Моторлы және зерттеу әдісімен анықталған октан санының айырымы двигательдің жұмыс істеу АЗ-93 мотор әдісімен алынған A-86-ға сәйкес келеді. Егер октан саны төмен бензинді қолданатын болса, жүктеме артады және двигатель істен шығып қалуы мүмкін. Егер октан саны жоғары бензин қолданылса қатты қызу болады да, май құйылған тығындар істен шығады, қызу нәтижесінде резеңке істен шығады, май шығыны дереу артады.
Маркалары әртүрлі бензиндердің октан сандары
Бензин маркасы Октан саны (моторлы әдіс) Октан саны (зерттеу әдісі)
А-72 72 Шектелмеген
А-76 76 Шектелмеген
А-80 76 80
АИ-91 82,5 91
А-92 83 92
АИ-93 85 93
АИ-95 87 95
АИ-98 89 98
Отынның детонацияға төзімділігін арттыруға немесе жоғары октан санына қол жеткізу үшін бірнеше тәсілдер қолданылады:
— Товар ретінде қолданылатын бензиннің базалық компоненттерінің жоғары октанды үлесін арттыру,
— Октан саны жоғары мұнай өңдеудің екіншілей өнімін базалық бензин ретінде қолдану,
— Детонацияға қарсы қондырмалар қолдану.
2. Қазіргі кезде осылардың барлығы қолданылады. Бензин құрамына кіретін жеке көмірсутек топтарының детонациялық сипаттамасының негізгі ерекшеліктері мынадай:
— Қалыпты құрылысты алкандар: пентаннан бастап осы қатардың көмірсутектері өте төмен октан санымен сипатталады, олардың молекулалық массалары жоғарлаған сайын, октан саны төмен болады. Олардың молекулалық массаларынан сызықтық тәуелділікте болады.
— Тармақталған құрылысты алкандар: қаныққан қатардың молекуласының тармақталуы олардың детонацияға төзімділігін дереу арттырады, октанның октан саны 20, ал 2,2,4 – триметилпендікі 100. Ең жоғары ОС бір көмірсутек атомында (неогексан, триптан, эталонға алынған изооктан) жұпты метил тобы бар изомерлерде, сонымен қатар октанның басқа да триметил изомерлерінде байқалады. Изоалкандардың детонацияға қарсы жоғары қасиеттеріне сәйкес олар бензинге өте қажет компоненттер.
— Алкендер: қалыпты құрылысты көмірсутектер молекуласында қос байланыстың пайда болуы, сәйкес қаныққан көмірсутектермен салыстырғанда детонацияға төзімділіктің артуына әкеледі.
— Циклоалкандар: циклопентан мен циклогексанның алғашқы өкілдерінің детонацияға төзімділігі жоғары, әсіресе бұл циклопентанға қатысты. Бұл көмірсутектер бензиннің бағалы құрам бөліктері балып табылады. Циклопентанды да циклогександы да көмірсутектерде қалыпты құрылысты бүйір тізбектің болуы олардың октан санының төмендеуіне әкеледі. Бүйір тізбектің тармақталуы және олардың мөлшерінің жоғарлауы циклоалкандардың детонацияға төзімділігін арттырады.
— Арендер: бензол қатарындағы барлық қарапайым арендердің октан саны 100- ге жуық және одан да жоғары. Арендер мен ароматталған бензиндер тармақталған алкандармен қатар жоғары октанды бензиннің өте жақсы компоненттері. Бірақ бензиндегі арендер мөлшерін 40-50% дейін шектеу керек. Өте ароматталған отын жалпы жану температурасын арттырады, бұл өз кезегінде двигательдің жылу кернеуін көбейтеді.
Әдетте товар ретінде қолданылатын бензинді тікелей айдау, крекинг, риформинг, кокстеу, алкилдеу және мұнай өңдеу мен мұнай фракцияларынан алынған бензинмен араластыру арқылы дайындайды. Мұнай өндеу сатысы мен әртүрлі процестердің өнімін беретін осындай компоненттер саны оннан астам. Мұнайды тікелей айдау арқылы алынған бензинде әлсіз тармақталған құрылысты детонацияға төзімділігі төмен парафинді көмірсутектер көп болады; мұндай бензиндердің октан саны жоғары болмайды. Тек жеке таңдаулы мұнайдан тікелей айдау арқылы ОС А-70 бензин алуға болады. Тікелей айдау арқылы алынған бензин мен олардың басты фракцияларын аз көлемде А-76 автомобиль бензинін дайындау үшін қолданады. Катализдік крекинг арқылы алынған бензиндердің детонацияға төзімділігі жоғары болады. Бұл өз кезегінде бензин фракцияларындағы ароматты және изопарафинді көмірсутектердің көбеюіне байланысты. Катализдік крекинг бензинінің детонацияға қарсы қасиеттері шикізаттың фракциялық құрамына, крекинг режиміне, катализатор құрамына байланысты және біршама ауытқуы мүмкін. Катализдік крекинг бензинін көбінесе товар ретінде қолданылатын октан саны жоғары бензин дайындауға пайдаланады. Катализдік риформинг процесі ароматтау және біртіндеп изомерлеу арқылы детонацияға төзімділігі жоғары бензин алуға мүмкіндік береді. Әртүрлі компоненттер қоспаларының детонацияға төзімділігі аддивті қасиет болмайды. Қоспадағы компоненттердің ОС осы компоненттің таза күйіндегі ОС айырмашылығы болуы мүмкін. Әрбір компоненттің өзінің араластыру сипаттамасы немесе ОС ығысуы болады, бірақ берілген компонентке ол тұрақты емес және енгізілген компонент массасына, базалық бензин құрамына және басқа да компоненттердің болуына байланысты.
Газ бензинін араластырудың ОС тікелей айдау бензинінің парафинді және аралас шикізаттардан кейбір изоқұрылысты техникалық таза көмірсутектердің, әдетте олардың таза күйдегі ОС жақын. Базалық отынның ОС төмен болған сайын жоғары октанды компонентті араластырудың ОС әдетте жоғары болады.
Товар ретінде қолданылатын бензинді дайындауда компоненттер таңдауда бензин фракцияларына октан сандарының біркелкі таралуын қамтамасыз ету керек. Тікелей айдау арқылы алынған бензиннің төмен қайнайтын фракциясының детонацияға төзімділігі жоғары қайнайтын фракцияға қарағанда жоғары болады. Катализдік крекинг бензиндеріндегі әртүрлі фракциялардағы ОС бір біріне жақын. Платформинг бензинінде кейбір басты фракциялардың детонацияға төзімділігі төмен, жоғары қайнайтын ароматталған фракциялардың ОС 100-ден асады.
Товар ретінде алынатын өнім алуда арнайы қоспаларды қосу маңызды роль атқарады. Қазіргі заманғы двигательдердің қысылу дәрежесі жоғары ОС 91 және одан да жоғары бензинді талап етеді. Мұнай өңдеу әдістері арқылы мұндай отынды алу қымбатқа түседі, сондықтан да ОС арттыратын әртүрлі қондырмалар қолданылады. Ең тиімді сондықтан да әрдайым қолданылатыны тетраэтилқорғасын (ТЭҚ). Ол улылығымен қоса қазіргі автомобиль конструкциясының міндетті элементі болып табылатын катализдік бейтараптаушыларды және кейбір аспаптарды істен шығарады. Отын жанғанда ТЭҚ ыдырайды. Сонда белсенді радикалдар түзіледі:
Pb(C2H5)4 → Pb(C2H5)3. + C2H5.
Осы радикалдар ТЭҚ болмағанда тұрақты болатын көмірсутектердің тотығуына жол береді. Түзілетін гидроасқынтотықтар жаймен жануға себебін тигізеді. ТЭҚ қолданғанда қосалқы өнім ретінде оның тотығу өнімдері түзіледі, мысалы: (C2H5)2Pb(OH)2; (C2H5)2Pb(OR)2; (C2H5)2PbOROH; PbO. Бұл заттар двигательде жиналып, оның істен шығуына әсерін тигізеді. Одан басқа олардың экологияға тигізетін зияны да зор, себебі олар канцерогенді заттар болып табылады.
Қазіргі кезде тек авиация бензині ғана этилденген болуы мүмкін. ОС жоғарлату үшін кейде ферроцен қолданылады. Бірақ бұл қондырма құрамында темір болатындықтан қиын аласталынатын қақ тұрып қалады да, тетіктердің қызмет етуін 5-7 мың километрге дейін азайтады. Детонацияға қарсы двигательге зиянсыз МТБЭ – метилтретбутилэфирі болып табылады.
Автомобиль бензиніне қойылатын талаптар
бензин Детонацияға төзімділігі (ОС) CPb, г/дм3 ωS, % C6H6,
% көл. МТБЭ мөлшері % көл. CFe, г/дм3
Зерттеу әдісі Моторлы әдіс
Қалыпты-80 80,0 76,0 0,010 0,05 5,0 15 0,037
Тұрақты-91 91,0 82,5 0,010 0,05 5,0 15 0,037
Премиум-95 95,0 85,0 0,010 0,05 5,0 15 0,037
Супер-98 98,0 88,0 0,010 0,05 5,0 15 0,037
Аи-80ЭК 80,0 76,0 0,010 0,05 3,0 15 0,037
Аи-92ЭК 92,0 83,0 0,010 0,05 3,0 15 0,037
Аи-95ЭК 95,0 85,0 0,010 0,05 5,0 15 0,037
Аи-98ЭК 98,0 88,0 0,010 0,05 5,0 15 0,037
Дәріс материалдарын игергеннен кейін білуге қажетті негізгі түсініктер: октан саны, октан саның анықтау әдістері, автомобиль бензиндеріне қойылатын талаптар, бензиндердің сипаттамасы
Өзін өзі бақылауға арналған сұрақтар:
1. Детонациялық төзімділік дегеніміз не?
2. Октан саны қалай анықталады?
3. Октан санынын қалай арттыруға болады?
Ұсынылған әдебиеттер:
1. Г.К. Бишімбаева, А.Е. Букетова. Мұнай және газ химиясы мен технологиясы. – Алматы.: Бастау, 2007. 80-86 б.
2. Мановян А.К. Технология первичной переработки нефти и природного газа. –М.: Химия, 2001. 173-183