Книга: Удивительный мир органической химии

14.2. «Пища» для моторов 

14.2. «Пища» для моторов 

И все же нефть сжигают. Потому что без автомобильного, авиационного, железнодорожного и других видов транспорта трудно представить жизнь современных людей. Количество автомобилей в мире постоянно растет и уже приближается к миллиардному рубежу. Самолетов в мире меньше, но вполне достаточно, чтобы быстро и с комфортом добраться до любого материка или государства. А кто может точно сказать, сколько в мире тракторов, самосвалов, мотоциклов и мопедов? Сколько тепловозов, морских и речных судов? Кроме этого, современная армия опирается прежде всего на моторы. Вся эта гигантская движущаяся, летающая и плавающая армада нуждается в огромном количестве горючего — бензина, керосина, дизтоплива.

О бензине знают все. Бензин состоит из десятков жидких углеводородов, содержащих в молекуле от 5 до 12 углеродных атомов. Это в основном изомеры пентана, гексана, гептана и октана. Так как бензин — смесь углеводородов, то он не имеет определенной точки кипения. Кипение происходит в интервале от 40 до 195 °С.

Бензин — основное топливо для карбюраторных двигателей внутреннего сгорания (этот двигатель изобрел француз Этьен Ленуар в 1860 г.). От качества бензина зависит работа двигателя, его долговечность, скорость движения автомобиля.

Как работает карбюраторный двигатель внутреннего сгорания?

Смесь паров бензина с воздухом сжимается поршнем в цилиндре. Сжатая смесь поджигается электрической искрой от запальной свечи и сгорает с образованием СO₂, СО и воды. Образовавшиеся газы двигают поршень, совершая работу. Чем сильнее сжимается смесь паров бензина и воздуха в цилиндре, тем больше мощность двигателя. Однако бывает так, что смеси некоторых углеводородов, входящих в состав бензина, сгорают еще до достижения максимального сжатия. Происходит это не от электрической искры, а от высокой температуры в цилиндре. Взрывообразное сгорание порождает волну, которая с огромной скоростью ударяет о поршень, о чем свидетельствует характерный стук в двигателе. Такое взрывное сгорание, называемое детонацией, приводит к преждевременному износу двигателя.

Оказалось, что детонацию вызывают углеводороды нормального (неразветвленного) строения, а углеводороды с разветвленной углеродной цепью, а также непредельные и особенно ароматические углеводороды сгорают без детонации.

Антидетонационные свойства углеводородов и их смесей выражают октановым числом. Чем выше это число, тем выше стойкость углеводородов к детонации и тем выше качество бензина. Для наиболее устойчивого к детонации изооктана (2,2,4-триметилпентана)

октановое число приняли за 100, а для н-гептана, который обладает сильно выраженной склонностью к детонации, октановое число приравняли к 0. Смешивая изооктан и н-гептан, можно получать промежуточные октановые числа. Например, бензин с октановым числом 90 обладает такими же антидетонационными свойствами, как смесь из 90% изооктана и 10% н-гептана. Чем выше октановое число, тем более высокими антидетонационными свойствами обладает бензин.

Бензин, получаемый из нефти путем простой перегонки, содержит много углеводородов нормального строения, поэтому, как уже говорилось, обладает низким октановым числом (50-60). Такой бензин не может служить горючим для двигателей современных автомобилей. Для повышения октанового числа поступают так: или в горючее вводят добавки, которые регулируют процесс сгорания бензина (или обладают высоким октановым числом), или подвергают бензин различным химическим воздействиям. В качестве добавок могут служить различные антидетонаторы, например, марганецорганическое соединение С₅Н₅Мn(СО)₃. Еще совсем недавно с этой целью широко использовали тетраэтилсвинец Рb(С₂Н₅₎₄, незначительное количество которого (0,05%), добавленное к горючему, повышало его октановое число. Но тетраэтилсвинец оказался очень ядовитым соединением. Сейчас «этилированный бензин» (бензин, к которому добавляли тетраэтилсвинец) не используется. Увеличить октановое число бензина можно добавлением в него изооктана, бензола, этилового спирта и некоторых других веществ.

Бензин с более высоким октановым числом получается при крекинге. В зависимости от типа крекинга это число составляет 70-80. Следует отметить, что применение каталитического крекинга (по сравнению с термическим) позволяет повысить октановое число бензина приблизительно на 10 единиц. Качество бензина можно улучшить также риформингом. Риформинг похож на процесс крекинга. Его проводят в паровой фазе под давлением и при нагревании в присутствии катализаторов. При этом молекулы с неразветвленной цепью углеродных атомов превращаются в разветвленные или образуются ароматические соединения. Особая заслуга в решении вопросов ароматизации нефти принадлежит знаменитому химику-органику Н. Д. Зелинскому.

В 1897 г. немецкий инженер Рудольф Дизель изобрел двигатель внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия. В цилиндрах этих двигателей происходит быстрое сжатие воздуха до высоких давлений. Дизельные двигатели установлены на судах, тепловозах, грузовых автомобилях, тракторах и дизельных электростанциях. Для дизельного двигателя необходимо другое горючее, которое назвали дизельным топливом. Это топливо отличается от бензина по числу углеродных атомов (15-20) и кипит при температуре 180-360 °С.

С появлением реактивной авиации произошло второе «рождение» керосина. Издавна он исправно выполнял свою роль. Без него не обходились бытовые осветительные и нагревательные приборы. Еще сейчас можно кое-где встретить старые керосинки, керогазы и примусы. Правда, они уже отслужили свой век. На смену им пришло электричество и газ. А на смену винтовой авиации пришла авиация реактивная. Это произошло в начале 50-х гг. XX в. Реактивная авиация — основной потребитель керосина. Для реактивных самолетов бензин непригоден. Почему?

Керосин кипит в интервале 200-300 °С, а бензин — при 40-195 °С. Если бы реактивные самолеты использовали бензин, то высота их полета была бы значительно ниже. Известно, что атмосферное давление падает при подъеме. Поэтому потребовалась бы сверхтщательная герметизация топливных баков и всей топливной системы в самолете. Это, в свою очередь, увеличило бы его массу и усложнило конструкцию. Кроме того, при увеличении скорости самолета топливо в баках заметно нагревается. Чем выше скорость, тем выше температура. Например, при скорости самолета даже ниже скорости звука топливо в топливных насосах и топливомасляном радиаторе нагревается до 100-120 °С. Если же скорость самолета выше скорости звука, то приходится учитывать и трение самолета о воздух. Например, при скорости 2300 км/ч топливо разогревается до 180 °С! В этих условиях бензин начал бы кипеть, а керосин — нет. Поэтому для реактивных самолетов керосин стал основным видом топлива. Это важно еще и потому, что керосин дешевле, а реактивные самолеты расходуют топливо в огромных количествах. Так, самолет Ил-86 за один час полета «съедает» до 11,5 т топлива, а Ил-76 — 8 т. Даже небольшой Як-40 расходует за один час 1,2 т.

Но керосин — топливо не только для реактивной авиации. Это также и жидкое топливо для ракет. Известно, что в американских ракетах типа «Атлас» топливом служит смесь керосиновой и бензиновой фракций нефти. Двигатели, которые выводили советские космические корабли «Восток» на орбиту Земли, также работали на керосине.