Паливо джерело; хімічна енергія Культуранауки-хімія

Речовини, згоряння яких дозволяє тепловим двигунам функціонувати, називаються «паливом». Отже, хімічна енергія, що міститься у паливі, призначена для перетворення в механічну енергію. Бензин, що використовується в легкових автомобілях, є особливим випадком палива. Як і більшість звичайних видів палива, бензин насправді є сумішшю багатьох хімічних видів: кілька десятків вуглеводнів "резервуари енергії" та добавки в малих пропорціях, що вводяться для надання особливих властивостей суміші.

Паливо

Що таке паливо ?

Речовини, згоряння яких дозволяє тепловим двигунам функціонувати, називаються «паливом». Отже, хімічна енергія, що міститься в паливі, призначена для перетворення в механічну енергію1. Бензин, що використовується в легкових автомобілях, є особливим випадком палива. Як і більшість звичайних видів палива, бензин насправді є сумішшю багатьох хімічних видів: кілька десятків вуглеводнів "резервуари енергії" та добавки в малих пропорціях, що вводяться для надання особливих властивостей суміші.

Найпоширеніші види палива, а також їх використання та річне споживання у Франції наведені в наступній таблиці.

Виробництво палива переробкою нафти

Основним шляхом отримання найпоширеніших видів палива є переробка нафти (усі операції, спрямовані на перетворення видобутої з родовища сирої сировини у придатні для використання продукти: паливо, паливо, основні продукти родовища називаються «переробкою». Хімічна промисловість.) [2-4] .

Наступна схема дає спрощений вигляд ланцюга переробки: сира нафта завжди містить певну кількість солоної води, її видобувають на етапі знесолення. Потім він зазнає розділення його складових шляхом фракційної перегонки при атмосферному тиску. [5] . Висота використовуваних колон може досягати шістдесяти метрів, уздовж яких температура коливається від 370 до 70 ° C. Вони спроектовані таким чином, щоб вироби можна було знімати на різній висоті; ми говоримо про "дистиляційні чашки".

1 Речовина, згоряння якої використовується для виробництва тепла, називається «паливом». Хімічна енергія, що міститься в речовині, в цьому випадку перетворюється на теплову.
2 Рисунки 2004, Генеральний директорат з енергетики та сировини
3 реактивні двигуни рухаються потоком газу. Саме кінетична енергія вихлопних газів дозволяє літаку рухатися.

Різні дистиляційні зрізи, взяті вздовж колони:

Внизу колони: найважчі вуглеводні (C> 20, з більш ніж 20 атомами вуглецю на молекулу), звані «атмосферними залишками». Це ті, що мають найвищу температуру кипіння. Щоб пройти подальше розділення, їх потрібно перегнати у вакуумі.

Температура кипіння суміші зменшується з її висотою в колонці, і виділяються газойлі (C13-C20), гас (C10-C13), сировина реактивного палива, потім нафта (C5-C10), що дасть змогу виробляти звичайні та супер есенції.

У верхній частині колони найбільш леткі продукти відновлюються в газоподібному стані (C1-C4).

Наприклад, найбільший нафтопереробний завод у Франції (Нормандський НПЗ, група Total) має дистиляційну потужність 16 мільйонів тонн сирої сировини на рік.

Інші сектори виробництва: синтез Фішера-Тропша

Інші сектори дозволяють виробляти паливо синтетичним шляхом. Всі вони засновані на процесі Фішера-Тропша, але відрізняються використовуваною сировиною ("наповнювач"). Дійсно, точний характер заряду не є суттєвим, єдина вимога полягає в тому, що він повинен бути багатим на вуглець та водень. Найпоширеніші процеси використовують:

Природний газ: цей процес під назвою GTL («Газ до рідини») є історичним процесом Фішера-Тропша (1923). Отримане паливо все ще є дорогим порівняно з паливом для переробки нафти, але процес розробляється з метою підвищення його рентабельності.

Вугілля: процес, який застосовувався до 1990-х років, а потім відмовився через низьку прибутковість.

Біомаса, тобто рослинні олії (ріпак), злакові (пшениця, кукурудза) та цукрові рослини (буряк). Цей процес дає можливість отримувати “біопаливо”. Хоча на даний момент вони не дуже конкурентоспроможні з паливом з нафтового сектору, вони мають перевагу у використанні відновлюваних ресурсів, на відміну від викопного палива (нафта, природний газ та вугілля). Ми також можемо розглянути питання використання сільськогосподарських, побутових або промислових відходів.

Ці три процеси базуються на одному і тому ж ланцюгу реакцій, розробленому на малюнку нижче на прикладі природного газу:

Корм піддається паровому риформінгу (газифікація у випадку з метаном), який перетворює його на «синтез-газ»: суміш CO + H2.

Синтез-газ перетворюється на парафінові вуглеводні1 під дією каталізатора. Цей етап (синтез Фішера-Тропша) лежить в основі процесу кожного сектора, незалежно від стартового заряду.

Утворені вуглеводні піддаються гідрокрекінгу, що дозволяє отримувати звичайне паливо.

Склад і горіння бензину

Склад бензину

Звичайне паливо не має чітко визначеного складу. Це суміші вуглеводнів, які залежать від географічного походження використовуваної нафти та застосовуваних процесів переробки. Насправді, суміш може продаватися, лише якщо вона задовольняє дуже суворим обмеженням щодо фізичних (щільність, летючість), енергетичних (калорійність) та хімічних (октанове число, обмеження вмісту певних компонентів) властивостей.

Наприклад, для продажу під назвою євросупер (супер 95) суміш повинна мати щільність від 0,72 до 0,78 кг/л при 15 ° C та октанове число2 щонайменше 95. Склад суміші повинен перевіряти близько десяти граничних значень. Наприклад, об'єм бензолу повинен бути менше 1%, вмісту сірки менше 150 мг/кг, свинцю менше 5 мг/л [6] .

Звичайні бензини (супер 95 та 98) та дизель - це суміші з декількох десятків вуглеводнів (лінійні та розгалужені алкани, алкени, ароматичні речовини), до яких додані добавки, що забезпечують особливі властивості: ефіри (покращення індексу октану), миючі та поверхнево-активні речовини (боротьба з явищами забруднення двигуна), барвників тощо. Для визначення енергетичних властивостей цих видів палива їх моделюють за допомогою «середнього вуглеводню»: октану C8H18 для бензину та додекану C12H26 для газойлю.

Спалювання бензину

У двигуні саме реакція горіння бензину виділяє енергію, необхідну для роботи. У випадку октану, вибраного для моделювання суміші вуглеводнів, що складають бензин, баланс повного згоряння діоксидом такий:

1 Парафінові вуглеводні - це лінійні або розгалужені алкани.
2 Октанове число є мірою протидетонаційної сили бензину, тобто його здатності протистояти самозайманню, останнє може знизити продуктивність двигуна і навіть пошкодити.

Стандартна реакційна ентальпія, ΔrH °, цього горіння становить близько -5000 кДж/моль: отже, вона дуже екзотермічна. Це показує, що доступна велика кількість енергії, яка зберігається у хімічному вигляді в паливі.

Ця енергія виділяється переважно під час перебудови хімічних зв’язків. Зв’язки C-C, C-H та O = O розриваються, утворюючи зв’язки C = O та O-H. Термодинамічний цикл, наведений нижче, дозволяє знайти значення ΔrH °.

На практиці бензин характеризується своєю теплотворною здатністю, ПК, яка є кількістю енергії, що виділяється при повному згорянні маси одного кг. PC = -ΔrH °/M, де M - мольна маса розглянутої речовини. У випадку з октаном, ПК (октан) = 44,103 кДж/кг. Ми зазначаємо, що це значення дуже близьке до значення, отриманого експериментально для реальних бензинів, це виправдовує подальший вибір октану для моделювання бензину. Калорійність дизеля трохи нижча, ніж у бензину.

Ефективність звичайного двигуна

Навіть за оптимальних умов використання (робота при повному навантаженні) ефективність бензинових двигунів не перевищує 36% (42% для дизеля) [7] . Решта енергії розсіюється у вигляді тепла. Для використання при зменшеному навантаженні (наприклад, короткі поїздки у місто) ефективність стає менше 15%. Ось чому двигуни і сьогодні є предметом багатьох досліджень, спрямованих на оптимізацію їх роботи.

висновок та перспективи

Зрозуміло, що використання викопного палива для виробництва звичайних видів палива не є стійким рішенням. Нині прийнято виснаження більш-менш довгострокових запасів (див. Статтю "Викопне паливо: утворення, склад та запаси"), і міграція до інших джерел виробництва або іншого палива видається неминучою. Крім того, використання палива, отриманого з викопного палива, не позбавлене наслідків для навколишнього середовища та здоров'я. Дійсно, спалювання цих видів палива призводить до викидів багатьох забруднюючих речовин:

СО2, який разом з водою є основним продуктом повного згоряння палива. Це парниковий газ: його викид в атмосферу сприяє глобальному потеплінню.

Окис вуглецю CO і незгорілі вуглеводні (HC), включаючи бензол, які виділяються при неповному згорянні палива в двигуні. Ці речовини небезпечні для здоров’я людини.

Оксиди азоту NOx, які утворюються в результаті реакції між динітрогеном та киснем у повітрі в камері згоряння. Вони можуть генерувати кислотні дощі та брати участь в утворенні атмосферного озону, який спричиняє піки забруднення.

Короткотермінові зусилля спрямовані на підвищення продуктивності двигунів та систем дообробки. Наприклад, оптимізація процесів горіння за рахунок багаторазових впорскувань дозволяє підвищити ефективність роботи двигуна та зменшити викиди забруднювачів неповного згоряння (CO і HC). З іншого боку, викиди забруднень, що утворюються, зменшуються за допомогою триходових каталітичних перетворювачів, які одночасно дозволяють окиснювати CO і HC до CO2 і зменшувати NOx до N2. [8] .

У довгостроковій перспективі передбачаються технологічні зміни з переходом до нових систем моторизації та нових джерел енергії:

Двигун, присвячений природному газу. Метан, основна складова природного газу, як і нафта, є не відновлюваним викопним паливом. З іншого боку, його згоряння виділяє менше СО2 і менше забруднюючих речовин, ніж бензин та дизельне паливо з рівною енергією. Отже, це власне «чистіше» паливо.

Гібридний тепловий/електричний двигун. Звичайний тепловий двигун з'єднаний з електричним двигуном, який не виділяє забруднюючих речовин. Електрична енергія може надходити з не викопного джерела. Крім того, енергію гальмування можна відновити за допомогою електродвигуна, що працює як акумулятор, що оптимізує ефективність.

Двигун паливних елементів. Енергія походить від реакції утворення води окислювально-відновним процесом між воднем та діоксидом. Хімічна енергія в цьому випадку перетворюється на електричну, перш ніж перетворюється на механічну. Його робота супроводжується дуже низькими викидами забруднюючих речовин порівняно з поточними тепловими двигунами.

Можна також розглянути можливість заміни поточного палива біопаливом, яке може бути вуглеводнями або іншими речовинами (етанол, складні ефіри). Вони синтезуються з біомаси методом Фішера-Тропша у випадку вуглеводнів (див. Інші канали виробництва) або іншими процесами, можливо, біохімічними (ферментативний каталіз). Довгостроковою перевагою біомаси є те, що вона є джерелом відновлюваної енергії, тому вона забезпечує сталий розвиток1.