Химмотология ракетных и реактивных топлив (1043407), страница 28

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 28)

Жаровые трубы — наиболее часто повреждаемые элементы камер сго­рания. Их повреждение вызывается вибрацией стенок, отложением кокса и нагара, неравномерностью температуры стенок и частым изменением темпе­ратурного режима краев отверстий для прохода воздуха, что приводит к появлению трещин. Нагар, изолируя стенки жаровой трубы от охлаждающе­го воздуха, вызывает их местные перегревы, появление температурных на­пряжений, коробление и растрескивание. Кокс и нагар, отложившиеся на форсунке, изменяют характеристики распыливания, горения, распределения температуры газов перед турбиной.

Более подробно особенности процесса сгорания в воздуш­но-реактивном двигателе изложены в работе [130].

Большой расход реактивного топлива обусловливает сле­дующие требования: обеспеченность ресурсами, дешевизну и необходимую чистоту. При формулировании требований к топливу учитывают возможность его значительного нагрева и охлаждения, контакта с цветными металлами и сплавами, ре­зинами и герметиками, изменения давления и влажности окру­жающей среды в процессе полета.

Требования к качеству топлив. С учетом объемов потребле­ния топлив, условий эксплуатации летательных аппаратов, осо­бенностей протекания процесса сгорания в двигателях, условий применения в узлах и агрегатах топливных систем двигателей и летательных аппаратов топливо должно отвечать следующим общим требованиям:

1) быть обеспечено сырьевыми ресурсами и,вырабатываться доступными технологическими процессами; 2) хорошо перека­чиваться по топливной системе летательного аппарата и двига­теля при любых температурах, низком давлении в баках и при полете на больших высотах; 3) полностью испаряться в камере сгорания, воспламеняться в широких пределах состава топли-вовоздушной смеси; 4) обладать высокой теплотой сгорания, плотностью, обеспечивать устойчивое сгорание с высокой ско­ростью; 5) не содержать зольных элементов, не образовывать нагара и других высоко- и низкотемпературных отложений;

6) быть некоррозионно-активным по отношению к деталям топливной системы и газовоздушного тракта двигателя, а так­же хорошо совместимыми с неметаллическими материалами (резиной, герметиками); 7) иметь достаточно хорошие проти-воизносные, защитные и охлаждающие свойства; 8) быть мало­токсичными и, наконец, 9) иметь высокую стабильность в усло­виях Длительного храпения, транспортирования и применения.

Многие из перечисленных требований—общие для всех групп топлив: бензинов, реактивных, дизельных и котельных топлив. Некоторые из них отражают специфические условия реактивного движения и принципы работы авиационных сило­вых установок. Полная тяга ВРД составляет:

где т—расход воздуха и топлива в единицу времени; uг—скорость исте­чения продуктов сгорания; uв — скорость воздуха на входе; e — эффектив­ный коэффициент полезного действия.

Удельная тяга, отнесенная к единице массы рабочего те­ла — воздуха и топлива, и удельный расход топлива рассчиты­ваются по формулам

Из приведенных уравнений следует, что чем больше теплота сгорания топлива и меньше воздуха требуется для его полного сгорания, тем выше удельная тяга. Тяга зависит также от термического к.п.д. t, поскольку эффективный к.п.д. e ~t. Величина t определяется составом продуктов сгорания и степенью их расширения. С учетом изложенного топлива должно иметь по возможности более высокую теплоту сгора­ния, а для полного сжигания должно требоваться как можно меньше воздуха.

Требования высокой плотности топлива связаны с его боль­шим расходом и особенно важны для летательных аппаратов, имеющих ограниченную вместимость топливных баков, напри­мер истребителей.

По мере развития авиационной техники требования к топ-ливам становились все более жесткими. Так, с появлением сверхзвуковой авиации резко ужесточились требования к тер­моокислительной стабильности топлива. С увеличением вмести­мости топливных баков транспортных и бомбардировочных са­молетов пришлось повысить скорость заправки, а это повыси­ло опасность накопления зарядов статического электричества в топливе и вызвало необходимость применения средств борь­бы с этим явлением, в частности введения антистатических присадок.

Общие требования к конкретным показателям качества топ­лив сформулировать не представляется возможным, так как, удовлетворение требований по одним показателям можно до­стичь, как правило, только за счет снижения требований к другим, а положительный эффект одних показателей можно

усилить соответствующими значениями других показателей. Например, с увеличением плотности топлива ухудшается его испаряемость, но возрастает вязкость, что в определенной сте­пени может компенсировать недостаточные противоизносные свойства. Таким образом, оптимальный уровень качества реак­тивных топлив является обычно следствием компромиссных ре­шений.

Глава 7

ПРОИЗВОДСТВО РЕАКТИВНЫХ ТОПЛИВ

Физико-химические свойства нефтепродуктов и реактивных топлив, в частности, определяются свойствами перерабатывае­мой нефти, способами получения базовых фракций и компо­нентов, методами их. очистки и смешения, свойствами и кон­центрацией добавляемых присадок. В связи с этим хитлмотоло-гия изучает особенности технологии топлив, масел, смазок и технических жидкостей.

Качество реактивных топлив в сравнении с другими нефте­продуктами в наибольшей степени зависит от природы нефти и пределов выкипания фракций, выделяемых при атмосферной перегонке. Фракции прямой перегонки очищают разными спо­собами, обусловленными составом нефти и требованиями, предъ­являемыми к качеству топлива. Некоторое количество реактив­ных топлив получают каталитической деструктивной перера­боткой в присутствии водорода дистиллятов атмосферной или вакуумной перегонки и продуктов каталитического крекинга. Режим каталитической переработки зависит от качества сырья и в свою очередь практически полностью определяет качество топлива.

7.1. ПОЛУЧЕНИЕ ТОПЛИВ ПРЯМОЙ ПЕРЕГОНКОЙ НЕФТИ

Добываемая на промыслах нефть содержит растворенные газы, механические примеси в виде песка и глины (около 1,5%), воду (до 50% и более), различные соли (от десятков граммов до нескольких килограммов на 1 м³ нефти), а также различные химические соединения, закачиваемые в скважины для увели-' чения нефтеотдачи пластов, предотвращения коррозии обору­дования, отложения солей, парафинов, развития микроорга­низмов и в других целях. Все эти продукты могут частично перейти в реактивные топлива, получаемые прямой перегонкой, я повлиять на их качество.

Установки первичной переработки нефти составляют основу всех нефтеперерабатывающих предприятий. От их работы за­висят качество и выходы получаемых топлив или их компонен-

Рис. 7.1. Принципиальная схема перегонки нефти на атмосферно-вакуумной трубчатой установке:

/—теплообменник; 2—колонна К-1; 3 — холодильники; 4—трубчатые печи, 5—атмо­сферная ректификационная колонна К-2; 6 — газооепаратор; 7 — выносные отпарные сек­ции; 8—вакуум-создающий эжектор; 9 — барометрический конденсатор; 10— вакуумная колонна

тов. Для современной нефтеперерабатывающей промышлен­ности характерна многоступенчатость при производстве нефте­продуктов. Предварительно нефть проходит подготовительные технологические процессы на промыслах и на самом предприя­тии. Это—стабилизация нефтей на промыслах для удаления газовых компонентов, обессоливание и обезвоживание на НПЗ и очистка от механических примесей, что обеспечивает защиту оборудования от коррозии и способствует получению продуктов высокого качества.

Принципиальная схема АВТ. Фракции реактивного топлива выделяют на атмосферных трубчатых установках. Вследствие большого разнообразия перерабатываемых нефтей и широкого ассортимента получаемых продуктов (и их качества) установ­ки первичной переработки нефти также многообразны. Одна из возможных типовых схем представлена на рис. 7.1.

Подогретая в теплообменниках 1 нефть поступает в колонну 2 предва­рительного испарения, где из нее удаляются низкокипящие бензиновые фракции. С низа колонны 2 нефть подается для дальнейшего нагрева в змеевики трубчатой печи 4 и затем поступает в основную ректификацион­ную колонну 5. Здесь она разделяется на паровую и жидкую фазы. Пары, поднимаясь вверх по колонне, подвергаются многократной конденсации и испарению на тарелках, при этом достигается разделение нефти, на фрак­ции. Допустимый нагрев нефти в печи достигает 360—380 °С. При более высокой температуре начинается нежелательный процесс разложения угле­водородов — крекинг. Химически активные продукты крекинга — алкены — резко ухудшают качество реактивных топлнв, поэтому их содержание в топ­ливе ограничивается. В низ колонны 5 подается перегретый пар, что спо­собствует более полному извлечению светлых нефтепродуктов из мазута. С верха колонны 5 отводятся пары бензина и воды. Они конденсируются, охлаждаются и поступают в газосепаратор. Часть бензиновой фракции воз­вращается в колонну 5 (острое орошение), а остальная—выводится с установки на дальнейшую переработку. При переработке сернистых нефтей на верх колонны 5 вместе с бензином-орошением для защиты ее от коррозии подаются следующие реагенты: 1,5%-и раствор СаСОз, 4—6%-и раствор NНз, а при необходимости—ингибиторы коррозии, например 0,5—1,0%-й раствор ИКБ-2, в состав которого входят азотистые соединения [135]. Эти соединения принимают активное участие в образовании смол и осадков при нагревании топлива [136], поэтому переход ингибитора в реактивное топли­во нежелателен. Содержание его контролируют, измеряя удельную элект­рическую проводимость топлива (она должна быть не более 10 пСм/м)

Из колонны 5 фракция 180—220 С перетекает в верхнюю секцию отпарной колонны 7. В низ секции отпарной колонны подается перегретый пар для удаления паров бензина, попадающих в керосиновую фракцию. С низа верхней секции колонны 7 фракция 180—220 °С через теплообмен­ники и холодильники отводится на блок очистки (на схеме не показан).

В средней и нижней секциях колонны 7 подвергаются дополнительной ректификации фракции 220—280 и 280—350 °С, вовлекаемые в производст­во дизельных топлив. С низа колонны 5 мазут после дополнительного на­грева в Трубчатой печи поступает на дальнейшее разделение в вакуумную^ колонну 10. Создаваемый в этой колонне посредством эжектора 8 и кон-~ денсатора 9 вакуум облегчает испарение фракций мазута. В вакуумной ко­лонне выделяются дистилляты, например фракции 350—420 и 420—500 °С, которые используют в качестве сырья для деструктивной переработки (ка­талитический крекинг, коксование и др.) с получением компонентов мо­торных и котельных топлив. Остаток вакуумной перегонки—гудрон исполь­зуют в котельных топливах, в масляном производстве и для получения до­рожных битумов.

Данные о качестве фракций и мазута, получаемых при ат­мосферной перегонке нефти типа ромашкинской, приведены в табл. 7.1. [133]. Керосиновая фракция 180—220 °С имеет тем­пературу начала кристаллизации не выше —60 °С, а темпера­туру вспышки не ниже 28 °С; по этим показателям она удовлет­воряет требованиям к наиболее массовому реактивному топли­ву. В зависимости от состава перерабатываемой нефти, осна­щенности предприятия оборудованием и требуемого соотноше­ния вырабатываемых бензина, реактивного и дизельного топлив пределы выкипания фракций различны и количество фракций, вовлекаемых в реактивное топливо, неодинаково. Если требует­ся повысить пожаробезопасность топлива, отбирают керосино­вую фракцию с более высокой температурой начала кипения, а для увеличения ресурсов повышают температуру конца ки­пения керосиновой фракции или смешивают ее с бензиновой фракцией, отбираемой с верха основной ректификационной колонны.

Влияние изменений температуры начала и конца кипения фракций, отобранных в лабораторных условиях на аппарате' разгонки нефти (АРН-2) из промышленной смеси западноси­бирских нефтей, на выход и качество топлива характеризуют данные табл. 7.2 [137]. Для топлива,типа ТС-1 с увеличением температуры конца кипения на 10 °С повышается выход на ~10% и одновременно возрастает температура начала кри­сталлизации примерно на 5°С. Вовлечение в состав топлива бензиновой фракции позволяет повысить его ресурсы на 70— 90%.

• В технологических схемах фракции характеризуют значениями истинных темпера­тур кипения (ИТК), которые отличаются от значений, получаемых при разгонке на ла­бораторном приборе по ГОСТ 2177—82, где другие условия испарения, ректификации и охлаждения.

Характеристики

Список файлов книги