[Н3.4] Производство бензина

Описание процесса получения автомобильного бензина обычно фокусируется на разборе принципов функционирования установок риформинга, изомеризации, алкилирования… Читатель смотрит и недоумевает — зачем всё это нужно? Дело в том, что для повышения потребительских и экологических свойств топлива были разработаны стандарты и регламенты, устанавливающие строгие требования по ряду параметров. Производство современного бензина похоже на сборку головоломки по замысловатым правилам.

Наиболее известный параметр бензина — октановое число. Оно определяет детонационную стойкость бензина, то есть его способность противостоять самопроизвольному воспламенению при сжатии. При нормальной работе двигателя пары бензина сначала сжимаются в цилиндре, после чего в нужный момент воспламеняются искрой от свечи зажигания. Чем сильнее будут сжаты пары, тем эффективнее работа двигателя. Считается, что шкалу для изменения детонационной стойкости бензина придумал американский химик Эдгар Грэхем в 1927 году, хотя его первенство оспаривалось другими учёными. В качестве нижней границы он взял характеристики нормального гептана (0 единиц), в качестве верхней — изооктана (100 единиц). Бензин с октановым числом 92 ведёт себя как смесь 8% н-гептана и 92% изооктана, а бензин с октановым числом 60 соответствует смеси 40% н-гептана и 60% изооктана.

azs

Определение октанового числа топлива проводится на стенде, имитирующем работу одноцилиндрового двигателя внутреннего сгорания. Детонационная стойкость не является постоянным параметром, она зависит от условий измерения. Применяются два варианта: мягкий (частота вращения коленвала 600 об/мин, температура 52°С, угол опережения зажигания 13 градусов) и жёсткий (частота вращения коленвала 900 об/мин, температура 149°С, переменный угол опережения зажигания). Октановое число, измеренное по первому варианту, называется исследовательским октановым числом (ИОЧ), по второму — моторным октановым числом (МОЧ).

Отраслевое сообщество не смогло прийти к единому мнению относительно того, какой способ считать правильным. С одной стороны, моторное число точнее соответствует работе нагруженного двигателя, с другой — исследовательское обычно больше, что нравится потребителю. В России согласно ГОСТ 2084-77 для низкооктанового бензина указывалось октановое число по моторному методу (А-76), для высокооктанового — по исследовательскому (Аи-92, Аи-95). Присутствие буквы «и» в названии говорило о том, что приведено ИОЧ, отсутствие этой буквы означало МОЧ. По новым правилам (ГОСТ Р 51105–97) бензины стали называться Нормаль-80, Регуляр-92, Премиум-95, Супер-98. Бензин А-76 превратился в Нормаль-80, Аи-92 — в Регуляр-92. Аналогичный способ маркировки топлива применяется в Европе.

usafuelstationВ США и Канаде проблему с разными методами определения октанового числа решили по-своему. В этих странах используется антидетонационный индекс (АДИ), представляющий собой среднее арифметическое из ИОЧ и МОЧ. Величина АДИ не имеет физического смысла, но достаточно удобна.

Существует множество веществ, позволяющих довести октановое число до заданного уровня, но почти все они чему-нибудь вредят (природе, здоровью людей, деталям машин). Если потенциальный вред очень высок, то использование вещества запрещается, если умеренный — то ограничивается верхний предел содержания этого вещества в готовом топливе. Например, очень легко поднять октановое число путём добавки тетраэтилсвинца, но современный техрегламент запрещает присутствие в топливе ядовитых свинцовых соединений. Также из-за ядовитости запрещено использование метилового спирта. Недороги и эффективны присадки на основе марганца и железа, но они быстро выводят из строя свечи зажигания. Высокое октановое число имеет бензол, но его пары ядовиты, поэтому содержание бензола в бензине не может превышать 1%. Сплошные ограничения! Очень похоже на рецепты здорового питания — как приготовить вкусное блюдо без соленого, перчёного, острого, жареного и копчёного.

Процесс приготовления бензина дополнительно осложняется нелинейностью воздействия добавок на октановое число смеси. Например, чистый этиловый спирт в малых дозах весьма полезен для повышения октанового числа, но когда его в смеси становится более 5%, то положительный эффект заметно снижается. Ну и в качестве «вишенки на торте» — ИОЧ и МОЧ не подчиняются правилам аддитивности, то есть октановое число смеси не соответствует среднему, рассчитанному с учётом объёмных долей компонентов. Чтобы обойти эту проблему, для расчётов применяются так называемые октановые числа смешения. Способы измерения октановых чисел смешения не найдены, они определяются методом подбора.

Кроме октанового числа, бензин нормируется по содержанию легкоиспаряющихся углеводородов. Если бензин образует недостаточно паров, то пуск холодного двигателя станет невозможен. Слишком много летучих компонентов — тоже плохо, в жаркую погоду это может привести к образованию паровых пробок в топливной системе автомобиля. Согласно Техническому регламенту, давление насыщенных паров бензина в летний период должно составлять 45-80 кПа, в зимний период — 50-100 кПа. Почти все компоненты бензина характеризуются меньшим давлением насыщенных паров, до нормы этот показатель доводится путём добавления н-бутана или изобутана. Это очень летучий углеводород. При заправке автомобиля можно наблюдать, как он в виде паров утекает из горловины бензобака, образуя в воздухе достаточно заметные переливающиеся струи. Добавление бутана влияет на итоговое октановое число, что требуется заранее учитывать.

Смешивание компонентов бензина и получение товарной продукции осуществляется на установке компаундирования. Технологии производства различных компонентов бензина будут рассмотрены в следующей статье.