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石油加工与辛烷抗爆值

2022-05-30 12:58 作者:19370_K  | 我要投稿

   我国是世界上最早发现和利用石油的国家之一。宋代科学家沈括在《梦溪笔谈》当中第一次提到“石油”这个名称。19世纪中期,石油最主要的加工方式是蒸馏。其主要产物煤油被当作照明用燃料,原油的利用率极低。1886年内燃机革命之后石油开发需求日益增长。直到1911年美国标准石油公司最先采用热裂化工艺,大大提高了燃油产量。后来的催化裂化工艺进一步提高汽油收率,产油的辛烷值也显著提高。而汽油也随之成为人类使用最多的燃料之一。

汽油的炼制过程

  石油最原始的使用方式是直接燃烧,但那样的利用方法热值低、杂质多燃烧不充分。后来的蒸馏法则成为石油加工的最先步骤,一直延续到现代的石油加工流程。

  石油蒸馏是利用石油内不同有机物(或者说不同油分)沸点不同的原理来分离提取不同的石油产物。我们常说的汽油属于轻质油,在蒸馏过程中最早被提取。但是直馏汽油的辛烷值较低,不能作为燃料直接使用。

表 1 我国部分原油的馏分组成

  经过一次加工蒸馏分离之后,重质馏分油和渣油又会经过催化裂化热裂化、石油焦化、加氢裂化等过程继续产出轻质汽油。这一步被划分为汽油炼制的二次加工,得到的汽油具有更高的辛烷值。三次加工的对象是前面步骤所产生的各种气体。这一步所得汽油辛烷值高,往往和第一步蒸馏得到的轻质油混合使用,也就得到了我们常用的汽油。


表 2 石油加工大致流程

辛烷值

  在汽油的炼制过程中,需要将不同辛烷值(Octane number)的轻质汽油混合才能使用。辛烷值是表示燃油抗爆性的数值。辛烷值越高,抗爆性越好,燃油燃烧越稳定。带支链的烷烃以及烯烃、芳烃通常具有优良的抗爆性。规定异辛烷的辛烷值为100,正庚烷的辛烷值为0。辛烷值的测定方法是,将燃油的爆燃强度与异辛烷和正庚烷的混合标准燃料对比。与之爆燃强度相同的标准燃料中所含异辛烷的百分比即为该燃油的辛烷值。常说的93号、97号等不同汽油牌号,指的就是汽油的不同辛烷值。

表 3 部分物质辛烷值

辛烷值与不同燃料

  尽管将辛烷含量作为燃油抗爆燃性能的相对数值。但是从表3可以看到,许多物质的辛烷值低于0或者高于100。这说明,燃料的抗爆性不仅仅局限在0~100的范围内。许多物质的抗爆性要好于纯的异辛烷,辛烷值也就大于100;低于纯的正庚烷,辛烷值也就低于0。

  最为典型的例子,MTBE(methyl tert-butyl ether,甲基叔丁基醚) ,是常用的汽油添加剂。它的研究法辛烷值可以达到117,加在汽油中后可以有效提高汽油的抗爆性。F1赛车使用的汽油辛烷值就比较高。2020年版F1世界锦标赛技术规则第十九章规定赛车燃油辛烷值不小于87。

两种提高辛烷值的物质

  在汽油工业发展的初期阶段,人们也曾经使用四乙基铅作为添加剂。四乙基铅对燃油辛烷值的提高效果奇好,一般汽油中加入0.1%即可提高辛烷值14~17个单位。二战期间英国甚至使用四乙基铅制成100/150号航空燃油用于战斗机驱动。这种燃油的辛烷值达到了150,飞机发动机输出得到极大提升。1923年,美国的托马斯·米基利将四乙基铅用于汽车用油。尽管解决了车用燃油的爆燃问题,但铅污染却导致了严重的环境污染,地球大气环境中的铅含量增加约百倍;许多工人因此中毒丧命、儿童因此发育畸形。在诸多环保人士的研究、抗议之下,1986年,美国决定停止销售一切含铅汽油。此后世界各国也逐渐禁用含铅汽油。

  为了保证飞行安全、提高发动机效能,目前的航空用煤油仍含有高量的铅。

其他燃料

  除了汽油,石油加工而成的燃料还有柴油、航空煤油和船用重油等。

  由于汽油燃烧快、燃点低,可以满足汽车快速加速的要求,所以汽车的燃料使用汽油。柴油的燃点和热值比汽油高,更为稳定。而且柴油的燃点也可以满足压燃的条件,所以常用于重型车辆、农用机车的驱动。航空煤油黏度小、流动性好,经过添加处理之后燃烧性能也很好。可以应对高空零下几十摄氏度的低温,不至于燃油结块影响飞行。而船舶用油对热值要求高,对加速性能要求低。重油由于能量密度大、廉价的特点被用于船舶航行。所以船上的燃烧室非常巨大,与汽车内燃机结构完全不同。但是在船舶进入港口,或者需要转弯航行时,也会换成柴油驱动增加马力。

  对于石油的开发利用极大地促进了人类工业文明发展,石油因此被誉为“工业的血液”。在当今资源问题凸出的情况下,如何更为高效、环保、合理地利用石油,仍然需要我们进行创新性探索。

  是我的有机化学小作业发出来了=.=。你问为什么要发?因为期末复习太无聊了找个心安理得的理由摸摸鱼=.=(顺便请大家找找毛病哈哈哈哈哈)

   等我写完逻辑学结课论文还会接着发的。

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