Главное меню

Плотность топлива

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.

Зависимость между плотностью и числом углеводородных атомов в молекуле циклов

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.

Зависимость между плотностью и числом углеродных атомов в молекуле ароматических углеводородов

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 ?4t — 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.

Номограмма для определения плотности насыщенных паров углеводородов при различных температурах

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.

Номограмма зависимости средней температуры кипения (50% объма) и цетанового числа от плотности дизельного топлива

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.