Температура кипения и давление паров топлив

Жидкость начинает кипеть тогда, когда давление паров нагре­ваемого вещества становится равным давлению окружающей ат­мосферы. Для углеводородных, в том числе топливных смесей, ис­пользуется парамер, характеризующий пределы выкипания.

Па основе температуры кипения и изменения давления насы­щенных паров топлив в зависимости от температуры устанавли­вают технологический режим их получения, рассчитывают объем и производительность заводской аппаратуры, разрабатывают ус­ловия хранения, перекачки и транспортирования топлив и, нако­нец, осуществляют рациональный, наиболее эффективный, с точ­ки зрения максимального использования энергетических возмож­ностей, процесс их сжигания в системе двигателя. Поэтому знать температурные пределы выкипания, характер испарения нефтяных топлив и составляющих их углеводородов весьма важно.

С увеличением давления окружающей среды температура ки­пения жидкости возрастает. На рис. 31 показано повышение температуры кипения топлив ТС-1 и Т-1 при различной степени испарения с увеличением давления до 21 кГ/см².

Как видно из рисунка, с увеличением давления температура выкипания 95% топлива ТС-1 возрастает с 240 до 510 °С, а для Т-1 —с 275 до 550 °С, т. е. более чем вдвое. Из этих данных сле­дует, что с повышением давления тяжелые фракции топлив испа­ряются менее интенсивно, чем при низких давлениях. С пониже­нием давления окружающей среды температура кипения жидкости понижается. В связи с этим желательно, чтобы авиационные топ­лива обладали возможно меньшим давлением насыщенных паров, поскольку оно будет возрастать по мере увеличения высоты поле­та вследствие увеличения разреженности атмосферы, с которой сообщается топливо в баке. Повышенное испарение авиационного топлива из баков самолета приведет к увеличенной его потере, а следовательно, к сокращению продолжительности полета. Чрез­мерно интенсивное парообразование в баке с топливом затруднит подачу насосами топлива в зо­ну сгорания. Кроме того, в этих условиях из-за опасности воспламенения образующихся паров топливо-воздушной смеси требуются дополнитель­ные противопожарные меры.

Для авиационных бензинов давление насыщенных паров при 37,8 °С и атмосферном дав­лении составляет 220—340 мм рт. ст., для автомобильных 200—500 мм рт. ст., а для ке­росинов менее 10 мм рт. ст.

Избежать потерь реактивно­го топлива широкого фракци­онного состава (Т-2, IР-4) можно предварительным его охлаждением до температуры, при которой даже в условиях пониженного давления испаре­ние его будет минимальным. Предварительное охлаждение такого топлива до —21°С поз­волило избежать потерь на сравнительно больших высотах.

Представление о потерях топлива из баков самолета на высоте можно получить из данных, приведенных в табл. 32.

Из табл. 32 видно, что поте­ри топлива на высоте сильно возрастают с увеличением темпера­туры топлива на поверхности земли.

На больших высотах потерь топлива, имеющего большое дав­ление насыщенных паров, можно избежать не только предвари­тельным охлаждением его на земле, но и созданием над ним из­быточного давления. Для топлив, приведенных в табл. 32, это давление на высоте 18 300 м должно быть не менее давления его паров, составляющего 0,35 ат. Однако создание такого давления связано с конструктивными и эксплуатационными трудностями, например с утяжелением топливных баков. Если же из топлива удалить легкие фракции, то в результате изменения его фракционного состава ухудшатся некоторые его эксплуатационные, в том числе и огневые свойства. Из изложенного выше следует, что дав­ление насыщенных паров перспективных авиационных реактивных топлив должно быть насколько возможно ниже.

То обстоятельство, что с понижением давления понижается температура кипения вещества, широко используется в технике, в частности для разделения высококипящих соединений. При этом весьма важно знать, как изменяется температура кипения жид­кости с понижением давления. Это изменение зависит от хими­ческой природы вещества и степени ассоциации его молекул при нагреве.

Рекхард на основе математической обработки полученных данных предложил воспользоваться константой b, являющейся мерилом степени ассоциации молекул перегоняющего вещества:

где b — константа при нормальном давлении; b_p — константа при заданном пониженном давлении Р; t_s— температура кипения ве­щества при нормальном давлении; t_p — то же при заданном дав­лении Р.

Для каждого класса соединений константа b оказалась харак­терной величиной. Для сильно ассоциированных веществ с гид- роксильной группой (кислоты, фенолы, спирты) константа нахо­дится в пределах от 0,17 до 0,16 (с точностью до ±5%). Для слабо ассоциированных веществ (алифатические, ароматические углеводороды, галогениды, азот- и сероорганические соединения, эфиры, альдегиды, кетоны) константа b находится в пределах от 0,19 до 0,20. В равных условиях большее значение b отвечает бо­лее высокой температуре. Например, для воды при температуре от 0 до 100 °С значение b равно 0,167, а при критической темпе­ратуре достигает 0,18.

Ниже приводятся средние значения b для различных классов соединений при любой температуре:

Для определения температуры кипения при пониженных дав­лениях топлив, углеводородов и других химических соединений составлена номограмма (рис. 32). На левой стороне номограм­мы обозначена температура кипения (4 в ^СС) жидкости при нор­мальном давлении, на правой шкале — заданное пониженное дав­ление (в мм рт. ст.). В середине номограммы сетка универсально­го назначения, на которой определяется температура кипения ве­щества при пониженном давлении с учетом характерной констан­ты Ъ. Для практических целей предлагается упрощенная номо­грамма (рис. 33) при константе 6 = 0,18. Эта номограмма не дает большой точности и 'пригодна для соединений неизвестного состава.

При помощи номограмм, изображенных на рис. 32 и 33, можно определить: 1) температуру кипения соединения при нормальном давлении зная температуру его кипения при пониженном дав­лении; 2) температуру кипения соединения при пониженном дав­лении 1_Р, зная температуру кипения при нормальном давлении; 3) давление паров соединения с известной температурой кипения при нормальных условиях; 4) константу b.

Зависимость между температурой кипения и давлением паров лучше всего описывается уравнением Антуана:

P — абсолютное давление, мм рт. ст.; Т — абсолютная темпе- «ратура, °К; А, В, С —постоянные константы, характеризующие углеводороды (соединение).

Для определения давления паров нормальных алканов С₄—С₂₉ (в пределах от —20 до +240^СС) построена номограмма со шка­лой от 1 до 90 мм рт. ст..

Для определения давления насыщенных паров индивидуаль­ных углеводородов и их смесей пользуются различными методами и приборами, в том числе такими, для которых достаточно иметь 5 г образца.

Для авиационных бензинов Бударов предложил эмпириче­скую формулу и на ее основе составил номограмму зависимости температуры кипения смеси углеводородов (температуры образо­вания паровых пробок t_п._пр. в топливной системе двигателя) от атмосферного давления и от давления насыщенных паров топлив при 38 °С (рис. 34).

Зная давление насыщенных паров топлива при одной темпе­ратуре, можно определить температуру топлива при другом (за­данном) давлении насыщенных паров по номограмме (рис. 35).

Для сложных и многокомпонентных топливных смесей часто нужно знать среднюю температуру кипения. В наиболее простом случае эту величину принимают равной температуре выкипания 50% объема топлива при стандартной разгонке. Если необходима большая точность, среднюю температуру кипения подсчитывают как средневзвешенную величину, получаемую от деления суммы произведений теплоемкостей и температурных пределов выкипа­ния узких фракций (10—20 °С), составляющих топливо, на сред­нюю теплоемкость топлива:

где t_ср — средняя температура кипения топлива, °С; t₀— темпера­тура начала кипения топлива, °С; t₁, t₂, t₃… t_к-1 —температуры кипения отдельных фракций, °С; t_к— температура кипения послед­ней фракции, °С; с₁ с₂, с₃, ... с_к— теплоемкость топлива в интер­вале температур t₀ – t₁, t₁ – t₂, t₂ – t₃… t_k-1 - t_k, ккал/(кг • град); с_ср. — средняя теплоемкость топлива, кипящего в интервале тем­ператур t₀ – t_k, ккал/(кг•град).

Теплоемкость топливных фракций подсчитывается по формуле:

где ? плотность фракции топлива при 15 °С, г/см³; t — темпера­тура, при которой определяется теплоемкость, °С.

Зная среднюю абсолютную температуру кипения для топлива при нормальном давлении, можно ее пересчитать с точностью до 14% для повышенного давления по формуле:

где Т_ср. — средняя температура кипения топлива (керосина) при давлении Р, °К; T_cp.0— средняя температура кипения топлива при давлении 760 мм рт. ст., °К; Т₀ — температура кипения гексана 68,74 °С при 760 мм рт. ст.; Р — давление, при котором опреде­ляется средняя температура кипения топлива, мм рт. ст.