Углеводородное топливо

Углеводородное топливо – это горючее вещество, состоящее из смеси углеводородов (соединений углерода и водорода). К углеводородному топливу относят жидкие нефтяные топлива и горючие газы.

Классическое углеводородное топливо получают из сырой нефти и природного газа, месторождения которых, как правило, находятся рядом друг с другом.  

Основное назначение углеводородного топлива – применение в двигателях внутреннего сгорания, ракетных и самолетных двигателях.

Авиационное топливо состоит на 96-99% из углеводородов. От процентного содержания водорода зависит массовая теплота сгорания углеводородного топлива – чем больше водорода содержит углеводородное топливо, тем выше его теплота сгорания. Наибольшей теплотой сгорания из углеводородных горючих газов обладает метан – 50 МДж/кг, поскольку он больше всего содержит водорода (25%). Для сравнения, теплота сгорания реактивного топлива колеблется около значения в 43 МДж/кг. 

Состав углеводородного топлива 

Авиационные топлива могут состоять из парафиновых, нафтеновых и ароматических углеводородов:

• Парафиновые углеводороды содержат 15-16% водорода,
• Нафтеновые углеводороды – 14%,
• Ароматические углеводороды – 9-12,5% 

От углеводородного состава топлива зависит возникновение детонации в двигателе. Топливо, содержащее парафиновые углеводороды, достаточно легко окисляется под воздействием высокой температуры и кислорода, образуя перекиси, что приводит к детонации уже при низкой степени сжатия. Топливо, состоящее  из ароматических углеводородов, обладает более высокой детонационной стойкостью, поскольку при окислении такого топлива образование перекисей идет очень медленно. По этой причине ароматические топлива применяют в двигателях с высокой степенью сжатия.

Состав углеводородного топлива имеет очень важное значение для подбора топлив в двигателях реактивной техники, поскольку правильный выбор топлива напрямую влияет на эксплуатационные свойства таких двигателей. 

Жидкое углеводородное топливо 

Жидкое углеводородное топливо имеет сложный состав, включает большое количество индивидуальных углеводородов.  Интересно, что такое топливо не имеет конкретной температуры кипения. Процесс кипения происходит в некотором интервале температур.

Углеводородное топливо является достаточно гигроскопичным, поглощая из воздуха воду и растворяя ее. Степень растворимости атмосферной воды в углеводородном топливе зависит от  температуры и химического состава топлива. Наибольшей гигроскопичностью обладает бензол.

Горение углеводородного топлива сопровождается выделением воды и двуокиси углерода. Отличительной особенностью такого топлива является его высокая теплота сгорания, которая зависит от содержания водорода в топливе (см. выше). Только у водорода, бериллия и бора более высокая теплота сгорания, чем у углеводородного топлива. Однако, с точки зрения эксплуатационных свойств, углеводородное топливо даст «сто очков» вперед этим химическим элементам.

Углеводородное топливо сгорает очень быстро, и практически в полном объеме, давая двигателю тепловой заряд высокой плотности за очень короткий отрезок времени. Именно благодаря этим свойствам топливо нашло такое широкое применение в двигателях различных конструкций.

Сжиженное углеводородное топливо

Углеводородное топливо, которое транспортируется в жидком виде, но используется в газообразном, называется сжиженным. Сжиженное углеводородное топливо получило широкое применение в населенных пунктах, где нет централизованной сети подачи природного газа.

В качестве сжиженного углеводородного топлива, как правило, используется метан, который сжижается в процессе охлаждения до -160°C. При такой низкой температуре метан превращается в жидкость, не имеющую ни цвета, ни запаха. Плотность сжиженного метана составляет 0,4-0,5 кг/л (примерно в два раза легче воды). Очень важно, что сжиженный природный газ (СПГ) не воспламеняется и не взрывается, поэтому, его безопасно транспортировать. При нормальной температуре СПГ снова возвращается в газообразное состояние.

В конце минувшего столетия появились первые проекты по использованию СПГ в качестве моторного топлива в двигателях внутреннего сгорания на водном, железнодорожном и автомобильном транспорте.

В настоящее время СПГ получают на специализированных производствах. Сжиженный природный газ уменьшается в объеме в 600 раз. Процесс сжижения идет ступенчато, на каждом этапе газ сжимается в 5-12 раз, после чего охлаждается и отправляется на следующую ступень. Надо признать, что процесс сжижения требует довольно большого расхода энергии, которая составляет примерно четверть от всей энергии, которая содержится в сжиженном газе.

Производства по сжижению природного газа, как правило, располагаются в непосредственной близости с районом добычи природного газа. Сжиженный природный газ хранится в огромных сосудах Дьюара, которые называются криоцистернами. Транспортируют СПГ на специальных морских судах-газовозах, и специальных автомобилях.

Если длина классического газопровода превышает несколько тысяч километров, с экономической точки зрения транспортировать газ на такие большие расстояния выгоднее в сжиженном виде. 

Углеводородное топливо из солнца и водяного пара 

Современная наука научилась делать настоящие «чудеса». Несколько лет назад, в начале 2016 года американские химики разработали оригинальный метод, при помощи которого получили углеводородное топливо, используя водяной пар и солнечный свет в среде углекислого газа.

Существовавшая ранее технология получения топлива из парниковых газов на солнечном свете была очень громоздкой, требовала дорогих катализаторов, а КПД такого топлива составлял всего 1-2% от затраченной солнечной энергии. Американцам удалось найти менее затратный способ. Ими был изобретен проточный химический реактор, в котором под давлением и при участии концентрированного солнечного света смешивались углекислый газ и водяной пар. В качестве катализатора процесса использовались относительно дешевые титановые белила. Авторы изобретения считают, что в ближайшем будущем их доработанный метод можно будет использовать в коммерческих целях. Производство такого синтетического углеводородного топлива будет конкурентоспособно даже в условиях низкой стоимости нефти.