Алкани як паливо. Октанове та цетанове число

Природний газ і нафта являють собою, головним чином, суміші насичених вуглеводнів. Основною складовою природного газу є метан. Нафта являє собою суміш гомологів метану з числом вуглеців у ланцюзі від С1 до С30 - С40.

Іншим джерелом метану є болотний газ. В болотах і болотистих місцевостях, де частини рослин вкриті водою, целюлоза ( С6Н10О5 ) n , з якої в основному складаються рослини, зазнають анаеробного бродіння під дією мікроорганізмів з утворенням болотного газу, що піднімається на поверхню і складається головним чином з метану поряд з невеликою кількістю водню, двуокису вуглецю і азоту. Каналізаційні нечистоти утворюють при бродінні схожий газ, який в деяких містах використовувався як паливо.

Нафта залягає разом з природним газом в пустотах зернистих гірських порід у верхніх шарах земної кори, що знаходяться під тиском вищезалягаючих непроникних порід. Коли через шапку нафтоносного шару пробурюють свердловину, нафта протягом деякого часу фонтанує на поверхню, поки не знизиться тиск газу; після цього її відкачують насосами. Природний газ, який виходить із свердловини, складається в основному з метану і його найближчих газоподібних гомологів, але містить також деяку кількість розчинених вуглеводнів С5 - С7, рідких в нормальних умовах. Суміш цих вуглеводнів, відомих під назвою газового або природнього бензину, виділяють з сирого газу зрідженням під тиском, або пропускають через масляні скруббери з наступною відгонкою.

Газовий бензин складає приблизно 10% всього бензину прямої гонки. Раніше його використовували головним чином у вигляді добавки при переробці звичайного бензину для підвищення тиску його пари. Тепер газовий бензин застосовують як сировину в нафтохімічній промисловості. Залишковий газ розділяють на компоненти або транспортують газопроводами для використання в якості палива в промисловості і для побутових цілей.

Добуту нафту переробляють поблизу родовища, якщо це дозволяють місцеві умови, або перевозять її танкерами або транспортують нафтопроводами до нафтопереробних заводів. Переробка нафти полягає в її перегонці з розділом на фракції, що мають різні інтервали кипіння. Основними фракціями є:

Нарешті, перегонкою у вакуумі одержують мастила ( С18 - С22 ) і залишок, який залежно від природи нафти являє собою асфальт ( > С20 ) або мазут.

Вуглеводні нафти

Природний газ, звільнений від газового бензину зрідженням під тиском або поглинанням маслом в скрубберах, складається з метану ( головна складова частина ), етану, пропану, бутану і ізобутану; крім того він містить змінні кількості двуокису вуглецю і азоту, а іноді і гелій. Внаслідок того, що температури кипіння нижчих парафінів, а також азоту і гелію сильно відрізняються один від іншого, компоненти природного газу вдається ефективно розділяти шляхом зрідження і наступної фракційної перегонки під тиском при низькій температурі. У такий засіб були виділені у чистому вигляді:

Стиснутий пропан застосовується як паливо, для зварки і як моторне паливо. Метан і етан перетворюють крекінгом в ацетилен і етилен.

Газовий бензин містить вуглеводні від С3 до С8 в наступних кількостях ( у % ) :

Фракція С4:

Фракція С5:

Окрім аліфатичних вуглеводнів, нафта містить різні кількості циклопарафінів, відомих в нафтохімії під загальною назвою нафтени. нижче приведені деякі нафтени, виділені з нафти:

Більшість нафт містить також ароматичні вуглеводні. Співробітники Бюро стандартів виділили з бензивої фракції 19 ароматичних вуглеводнів, типові представники яких наведені нижче:

Відносний вміст вуглеводнів трьох перерахованих типів в різних сирих бензинах не є постійним, навіть якщо ці бензини одержані з одного й того ж родовища; кількість нафтенів і ароматичних вуглеводнів коливається від декількох відсотків до 40%.

Приблизна оцінка вуглеводневого складу здійснюється за аніліновою точкою, тобто за температурою, при якій досліджуваний бензин ще змішується з рівним об’ємом аніліну. Оскільки анілін C6H5NH2 є похідним бензолу, ароматичні вуглеводні розчиняють його навіть при — 30 С. Нафтени характеризуються вищими аніліновими точками ( 35 - 55 С ), а парафіни, які найсильніше відрізняються від аніліну, розчиняють його лише при 70 - 76 С.

Для характеристики складу бензину використовують також визначення густини: найвища густина властива ароматичним вуглеводням ( бензол - 0,89 ), а найменшу густину мають нормальні парафіни ( н-гексан - 0,66 ); циклічні вуглеводні посідають проміжне положення ( густина циклогексану 0,78 ). Ще один з методів аналізу грунтується на тому, що ароматичні вуглеводні можна доволі легко відділити від парафінів і нафтенів адсорбцією. Згідно іншого методу, склад ароматичних вуглеводнів визначають за їх здатністю поглинання сірчаною кислотою:

P2O5

С6Н6 + H2SO4 - C6H5SO3H + H2O а кількість парафінів і нафтенів визначають в залишку за величиною густини і коефіцієнта заломлення.

Окиснення вуглеводнів

Взаємодія вуглеводнів з киснем супроводжується виділенням енергії. Цей процес є основою використання бензину в якості палива для двигунів внутрішнього згряння. Кількість тепла, що виділяється при згорянні 1 моль речовини ( табл. 1 ) зростає із збільшенням розмірів молекули, і в наведеному ряді сполук середнє збільшення складає 156 ккал на кожну групу СН2. Кількість тепла, віднесена до 1 г речовини, дозволяє порівняти ефективність рівних мас палива. Метан має найбільшу теплоту згоряння у розрахунку на 1 г речовини, а далі відповідні величини зменшуються спочатку доволі різко, а потім, починаючи з вуглеводню С8, стають майже постійними. Це відношення узгоджується з вмістом водню, який також є найбільшим у метану, і потім знижується по суті до постійної величини. Поясненням цього явища є те, що теплота згоряння водню складає 33,9 ккал/г, тоді як для вуглецю ця величина дорівнює тільки 8,08 ккал/г.