Плотность топлива

Плотность среднедистиллятных топлив позволяет выявить их эксплуатационные свойства, играющие существенную роль в условиях транспортирования и хранения, при определении разо­вой загрузки топливом баков машин; при определении энерге­тического запаса, отвечающего объему загружаемого топлива. Наконец, от плотности зависят основные физико-химические ха­рактеристики топлив: пределы выкипания, молекулярный вес составляющих углеводородов, характер распыла в данных усло­виях и другие параметры, которыми определяются огневые каче­ства топлив.

Плотность углеводородов изменяется с изменением их моле­кулярного веса и химического строения даже в пределах одного гомологического ряда (табл. 11).

Как видно из табл. 11, углеводороды с более компактно и симметрично расположенными углеродными атомами в молекуле характеризуются более высокой плотностью. Такой же особен­ностью отличаются алкилмоноциклические (ароматические и циклановые) углеводороды.

Плотности углеводородов различных классов, близких по мо­лекулярным весам и пределам выкипания, неодинаковы. Это вид­но на примере узких фракций однотипных по строению углево­дородов, которые выделены из среднедистиллятных топлив, полученных с заводских условиях из различного нефтяного сырья (табл. 12). Для углеводородов с одинаковым числом углеродных атомов в молекуле, но различных по химическому строению плотность возрастает в следующем направлении: н-алканы ? н-алкены ? изоалканы ? изоалкены ? алкилциклопентаны ? алкилциклогексаны ? алкилбензолы ? алкилнафталины. Различия в плотностях углеводородов, составляющих топливные смеси, достигают 15—20%. В пределах гомологических рядов углеводородов, однотипных по строению, плотности возрастают с увеличением температуры их кипения на каждые 50 °С и, следо­вательно, с увеличением молекулярного веса примерно на 2,5-3,5%.

Систематизация справочных материалов, позволила гра­фически (рис. 13—15) представить зависимость между плотностью и химическим строением углеводородов с числом углерод­ных атомов 5—20.

Из приведенных на рис. 13—15 данных видно, что относитель­ная плотность алканов зависит не только от числа углеродных атомов, но и от их расположения в молекуле. Максимальную плотность имеют алканы с тремя и более метальными группами в молекуле, расположенными при одном углеродном атоме или рядом. Более высокая плотность наблюдается у алканов развет­вленного строения. Для этого число боковых цепей должно быть возможно большим, расположение их компактным, а длина це­пей может ограничиваться лишь одной метильной группой. Так, относительная плотность н-додекана составляет 0,7487, а 2,2,3,4,5,5-гексаметилгексана — 0,7925. Для алканов с числом углеродных атомов В молекуле ОТ Сб ДО С20 плотность изменяется от 0,66 до 0,79; для цикланов с таким же числом углеродных атомов в молекуле — от 0,75 до 0,88.

Для цикланов наблюдается такая же закономерность, как и для алканов. С увеличением числа боковых цепей и при более компактном их расположении в молекуле плотность заметно возрастает.

Плотность цикланов С₈—С12 с боковыми цепями, расположен­ными в ортоположении, 0,795—0,815; при расположении боковых цепей в метаположении она равна 0,785—0,800.

Плотность цикланов по мере увеличения числа метильных групп, находящихся в положении 1, 2, 3, 4, 5, б, резко возраста­ет. Изомеры моноциклических ароматических углеводородов с одинаковым молекулярным весом, так же как алканов и цикла­нов, имеют тем большую плотность, чем больше боковых цепей, компактно расположенных в бензольном кольце. Плотность бен­зольных углеводородов с боковыми цепями в ортоположении вы­ше, чем углеводородов с таким же молекулярным весом, но с боковыми цепями в мета- и тем более в параположении.

В гомологическом ряду алкилароматических углеводородов плотность уменьшается при переходе к структурам с более длинными боковыми цепями, хотя в некоторых случаях это правило не выдерживается.

Наибольшая плотность наблюдается у бициклических углево­дородов. Для бицикланов величина р₄²⁰ приближается к 0,88, для углеводородов ряда нафталина — к единице.

Смиттенберг на основании экспериментальных данных предложил формулы для вычисления плотности углеводородов пяти гомологических рядов. Формулы (табл. 13) включают лишь одну переменную величину: число атомов углерода С в молекуле или молекулярный вес М. Эти формулы можно использовать для углеводородов, застывающих при температуре ниже 20 °С. От­клонения вычисленных при помощи формул значений плотности от экспериментальных данных находятся в пределах ошибки определения.

Плотность углеводородов и их смесей изменяется с темпера­турой. При изменении температуры реактивного топлива на 50 °С объем его изменяется на 3—5%—увеличивается при нагреве и уменьшается при охлаждении. Зная плотность при одной тем­пературе, можно ее пересчитать для другой температуры с до­статочной точностью по формуле:

где ?₄^t — плотность при t^°С; р₄²⁰ -- плотность при 20°С.

Среднюю температурную поправку ? можно вычислить по формуле:

Влияние высоких давлений на сжимаемость жидких углево­дородов и их смесей невелико. Под давлением 100 ат плотность среднедистиллятного топлива возрастает всего лишь на 2—3%. Даже очень высокое давление не приводит к существенному из­менению плотности углеводородов (табл. 14).

Величина, обратная плотности, называется удельным объе­мом, что соответствует объему единицы массы жидкости или га­за при данных температуре и давлении. С увеличением темпера­туры удельный объем жидкости возрастает, а с увеличением давления уменьшается (табл. 15).

Для расчетов часто требуется знать плотность паров углево­дородов или топливных смесей. Плотность насыщенных паров углеводородных смесей зависит от фракционного состава и тем­пературы.

Бударов вывел закономерности, устанавливающие темпе­ратурную зависимость между давлением и плотностью насыщен­ных паров углеводородов, входящих в состав топлив. На этом основании составлена номограмма, изображенная на рис. 16.

Зная плотность насыщенных паров углеводородов или их смесей при одной температуре, можно рассчитать их плотность при дру­гой температуре. Данные номограммы справедливы для темпе­ратурных пределов от —50 до 150°С.

В табл. 16 приведены данные о давлении и плотности насы­щенных паров керосина прямой перегонки.

От плотности зависят многие физико-химические характери­стики топлив и индивидуальных углеводородов. На основании этой зависимости составлены и используются различные номо­граммы, облегчающие расчеты и позволяющие легко определить значение неизвестных, но зависимых величин.

На рис. 17 приве­дена номограмма, основанная на зависимости между плотностью дизельных топлив, их средней температурой кипения (температу­ра выкипания 50% объема при стандартной разгонке) и цетановым числом. Плотность топлив и углеводородов — весьма важная характеристика, при помощи плотности подсчитывают объемную теплоту сгорания, вес заправленного топлива при из­вестном объеме, степень распыла топлива, подаваемого в зону сгорания, и др. В Приложениях 2 и 3 приводятся плотности индивидуальных углеводородов различного химического строения, которые могут являться составляющими компонентами то­пливных смесей.