Жидкое топливо — это горючие или генерирующие энергию молекулы, которые можно использовать для создания механической энергии , обычно производящей кинетическую энергию ; они также должны принимать форму своего контейнера. Это пары жидкого топлива, которые воспламеняются вместо жидкости. Большинство широко используемых жидких топлив получают из ископаемого топлива ; однако существует несколько типов, таких как водородное топливо (для автомобильного использования), этанол и биодизель , которые также относятся к категории жидкого топлива. Многие жидкие топлива играют основную роль в транспорте и экономике.
Жидкое топливо противопоставляется твердому и газообразному топливу .
Некоторые общие свойства жидкого топлива заключаются в том, что его легко транспортировать и с ним можно обращаться относительно легко. Физические свойства жидкого топлива зависят от температуры, хотя и не так сильно, как у газообразного топлива. Вот некоторые из этих свойств: температура вспышки — самая низкая температура, при которой образуется воспламеняющаяся концентрация паров; температура воспламенения — температура, при которой происходит устойчивое горение паров; температура помутнения дизельного топлива — температура, при которой растворенные восковые соединения начинают коалесцировать, и температура застывания — температура, ниже которой топливо становится слишком густым, чтобы свободно литься. Эти свойства влияют на безопасность и обращение с топливом.
Большинство используемых в настоящее время жидких видов топлива производятся из нефти . Наиболее известным из них является бензин . Ученые в целом признают, что нефть образовалась из окаменелых останков мертвых растений и животных под воздействием тепла и давления в земной коре.
Бензин — наиболее широко используемое жидкое топливо. Бензин, как его называют в Соединенных Штатах и Канаде, или бензин практически везде, состоит из молекул углеводородов (соединений, содержащих только водород и углерод), образующих алифатические соединения , или цепи углерода с присоединенными атомами водорода. Однако многие ароматические соединения (углеродные цепи, образующие кольца), такие как бензол, естественным образом содержатся в бензине и вызывают риски для здоровья, связанные с длительным воздействием топлива.
Производство бензина достигается путем перегонки сырой нефти . Желаемая жидкость отделяется от сырой нефти на нефтеперерабатывающих заводах . Сырая нефть добывается из земли несколькими способами, наиболее часто встречающимися из которых являются балансирные насосы . Для создания бензина сначала необходимо удалить нефть из сырой нефти.
Сам жидкий бензин на самом деле не сгорает, но его пары воспламеняются, заставляя оставшуюся жидкость испаряться и затем гореть. Бензин чрезвычайно летуч и легко воспламеняется, что делает любую утечку потенциально чрезвычайно опасной. Бензин, продаваемый в большинстве стран, имеет опубликованное октановое число . Октановое число является эмпирической мерой устойчивости бензина к преждевременному возгоранию, известному как детонация . Чем выше октановое число, тем более устойчиво топливо к самовоспламенению под высоким давлением, что обеспечивает более высокую степень сжатия . Двигатели с более высокой степенью сжатия, обычно используемые в гоночных автомобилях и высокопроизводительных автомобилях серийного производства, могут вырабатывать больше мощности; однако, таким двигателям требуется топливо с более высоким октановым числом. Повышение октанового числа в прошлом достигалось путем добавления «антидетонационных» присадок, таких как тетраэтилсвинец. Из-за воздействия свинцовых присадок на окружающую среду октановое число сегодня увеличивается путем очистки от примесей, вызывающих детонацию.
Обычное дизельное топливо похоже на бензин тем, что представляет собой смесь алифатических углеводородов, извлеченных из нефти. Дизельное топливо может стоить дороже или дешевле бензина, но, как правило, его производство обходится дешевле, поскольку используемые процессы извлечения проще. В некоторых странах (в частности, в Канаде, Индии и Италии) также действуют более низкие налоговые ставки на дизельное топливо.
После перегонки дизельная фракция обычно обрабатывается для снижения количества серы в топливе. Сера вызывает коррозию в транспортных средствах, кислотные дожди и более высокие выбросы сажи из выхлопной трубы (выхлопной трубы). Исторически в Европе законодательно требовалось более низкое содержание серы, чем в Соединенных Штатах. Однако недавнее законодательство США снизило максимальное содержание серы в дизельном топливе с 3000 ppm до 500 ppm в 2007 году и до 15 ppm к 2010 году. Аналогичные изменения также происходят в Канаде, Австралии, Новой Зеландии и нескольких азиатских странах. См. также Дизельное топливо с ультранизким содержанием серы .
Дизельный двигатель — это тип двигателя внутреннего сгорания , в котором топливо воспламеняется путем впрыска в камеру сгорания, предварительно сжатую воздухом (что, в свою очередь, повышает температуру), а не с помощью внешнего источника зажигания, например свечи зажигания.
Керосин используется в керосиновых лампах и как топливо для приготовления пищи, отопления и небольших двигателей. Он заменил китовый жир в освещении. Реактивное топливо для реактивных двигателей производится в нескольких сортах ( Avtur , Jet A , Jet A-1 , Jet B , JP-4 , JP-5 , JP-7 или JP-8 ), которые представляют собой смеси типа керосина. Одна из форм топлива, известная как RP-1, сжигается с жидким кислородом в качестве ракетного топлива. Эти керосины топливного сорта соответствуют спецификациям по точкам дымления и точкам замерзания.
В середине 20-го века керосин или «TVO» (Tractor Vaporising Oil) использовался в качестве дешевого топлива для тракторов. Двигатель запускался на бензине, а затем переключался на керосин, как только двигатель прогревался. «Тепловой клапан» на коллекторе направлял выхлопные газы вокруг впускной трубы, нагревая керосин до точки, где его можно было поджечь электрической искрой .
Керосин иногда используется в качестве добавки к дизельному топливу для предотвращения гелеобразования или парафинирования при низких температурах. Однако это не рекомендуется для некоторых современных дизельных двигателей транспортных средств, поскольку это может помешать работе оборудования по регулированию выбросов двигателя.
Сжиженный газ представляет собой смесь пропана и бутана , оба из которых легко сжимаются при стандартных атмосферных условиях. Он обладает многими преимуществами сжатого природного газа (СПГ), но не сгорает так чисто, плотнее воздуха и гораздо легче сжимается. Обычно используемые для приготовления пищи и отопления помещений, сжиженный газ и сжатый пропан все чаще используются в моторизованных транспортных средствах; пропан является третьим по частоте использования моторным топливом в мире.
При сгорании нефтяного топлива выделяется углекислый газ, необходимый для роста растений, но который (учитывая масштабы глобальных выбросов) потенциально вреден для мирового климата. Количество углекислого газа, выделяемого при сгорании одного литра топлива, можно оценить следующим образом: [1] В качестве хорошего приближения химическая формула, например, дизельного топлива, имеет вид C
нЧАС
2н. Обратите внимание, что дизельное топливо представляет собой смесь различных молекул. Поскольку углерод имеет молярную массу 12 г/моль, а водород (атомарный!) имеет молярную массу около 1 г/моль, то массовая доля углерода в дизельном топливе составляет примерно 12/14. Реакция сгорания дизельного топлива имеет вид:
2 С
нЧАС
2н+ 3н О
2⇌ 2н СО
2+ 2н Н
2О
Углекислый газ имеет молярную массу 44 г/моль, поскольку он состоит из 2 атомов кислорода (16 г/моль) и 1 атома углерода (12 г/моль). Таким образом, 12 г углерода дают 44 г углекислого газа. Дизельное топливо имеет плотность 0,838 кг на литр. Собрав все вместе, можно рассчитать массу углекислого газа, которая получается при сжигании 1 литра дизельного топлива:
Количество углекислого газа, составляющее 2,63 кг из 1 литра дизельного топлива, близко к значениям, найденным в литературе.
Для бензина с плотностью 0,75 кг/л и соотношением атомов углерода к атомам водорода примерно 6 к 14 расчетное значение выбросов углерода при сжигании 1 литра бензина составляет:
Когда нефть не так легкодоступна, химические процессы, такие как процесс Фишера-Тропша, могут использоваться для производства жидкого топлива из угля или природного газа . Синтетическое топливо из угля имело стратегическое значение во время Второй мировой войны для немецких военных. Сегодня производят синтетическое топливо, полученное из природного газа, чтобы воспользоваться более высокой стоимостью жидкого топлива в транспорте.
Природный газ , состоящий в основном из метана , может быть сжат в жидкость и использоваться в качестве замены другим традиционным жидким видам топлива. Его сгорание очень чистое по сравнению с другими углеводородными видами топлива, но низкая температура кипения топлива требует, чтобы топливо поддерживалось под высоким давлением, чтобы оставаться в жидком состоянии. Хотя у него гораздо более низкая температура вспышки, чем у таких видов топлива, как бензин, он во многих отношениях безопаснее из-за более высокой температуры самовоспламенения и низкой плотности, что заставляет его рассеиваться при попадании в воздух.
Биодизель похож на дизельное топливо, но имеет различия, схожие с различиями между бензином и этанолом. Например, биодизель имеет более высокое цетановое число (45-60 по сравнению с 45-50 для дизельного топлива, полученного из сырой нефти), и он действует как чистящее средство, избавляя от грязи и отложений. Утверждается, что он становится экономически целесообразным только при цене на нефть выше 80 долларов США (40 фунтов стерлингов или 60 евро по состоянию на конец февраля 2007 года) за баррель. Однако это зависит от местности, экономической ситуации, позиции правительства в отношении биодизеля и множества других факторов, и было доказано, что он является жизнеспособным при гораздо более низких затратах в некоторых странах. Кроме того, он дает примерно на 10% меньше энергии, чем обычное дизельное топливо. Аналогично использованию более высоких степеней сжатия, используемых в двигателях, сжигающих более высокооктановые спирты и бензин в двигателях с искровым зажиганием, использование высокого цетанового числа биодизеля может потенциально преодолеть дефицит энергии по сравнению с обычным дизельным топливом № 2.
Обычно термин «алкоголь» относится к этанолу, первому органическому химикату, произведенному человеком, [2], но любой спирт может быть сожжен в качестве топлива. Этанол и метанол являются наиболее распространенными, поскольку они достаточно недороги, чтобы быть полезными.
Метанол — самый легкий и простой спирт , получаемый из компонента природного газа метана . Его применение ограничено в первую очередь из-за его токсичности (аналогично бензину), а также из-за его высокой коррозионной активности и смешиваемости с водой. Небольшие количества используются в некоторых типах бензина для повышения октанового числа . Топливо на основе метанола используется в некоторых гоночных автомобилях и моделях самолетов.
Метанол также называют метиловым спиртом или древесным спиртом , последний — потому что раньше его производили путем перегонки древесины. Он также известен под названием метилгидрат .
Этанол , также известный как зерновой спирт или этиловый спирт, обычно встречается в алкогольных напитках . Однако его также можно использовать в качестве топлива, чаще всего в сочетании с бензином. В основном его используют в соотношении бензина к этанолу 9:1, чтобы снизить негативное воздействие бензина на окружающую среду. [ необходима цитата ]
Растет интерес к использованию смеси 85% топливного этанола с 15% бензина. Эта топливная смесь под названием E85 имеет более высокое октановое число, чем большинство премиальных видов бензина. При использовании в современном транспортном средстве с гибким топливом она обеспечивает большую производительность бензину, который она заменяет, за счет более высокого расхода топлива из-за меньшей удельной энергоемкости этанола. [3]
Этанол, используемый в бензине и промышленных целях , можно считать ископаемым топливом, поскольку его часто синтезируют из нефтепродукта этилена , что дешевле, чем его производство путем ферментации зерна или сахарного тростника .
Бутанол — это спирт , который может использоваться в качестве топлива в большинстве бензиновых двигателей внутреннего сгорания без модификации двигателя. Обычно он является продуктом ферментации биомассы бактерией Clostridium acetobutylicum (также известной как организм Вейцмана). Этот процесс был впервые описан Хаимом Вейцманом в 1916 году для производства ацетона из крахмала для изготовления кордита , бездымного пороха.
Преимущества бутанола — его высокое октановое число (более 100) и высокое содержание энергии, всего на 10% ниже, чем у бензина, и, следовательно, примерно на 50% более энергоемкий, чем этанол, и на 100% более энергоемкий, чем метанол. Единственными серьезными недостатками бутанола являются его высокая температура вспышки (35 °C или 95 °F), токсичность (обратите внимание, что уровни токсичности существуют, но точно не подтверждены), и тот факт, что процесс ферментации возобновляемого бутанола выделяет неприятный запах. Организм Вейцмана может переносить только уровни бутанола до 2% или около того, по сравнению с 14% для этанола и дрожжей. Производство бутанола из нефти не дает такого запаха, но ограниченные поставки и воздействие на окружающую среду использования нефти сводят на нет цель альтернативных видов топлива. Стоимость бутанола составляет около 1,25–1,32 долл. США за килограмм (0,57–0,58 долл. США за фунт или около 4 долл. США за галлон США). Бутанол намного дороже этанола (примерно 0,40 доллара за литр или 1,50 доллара за галлон) и метанола.
20 июня 2006 года DuPont и BP объявили, что они переоборудуют существующий завод по производству этанола для производства 9 миллионов галлонов (34 000 кубометров) бутанола в год из сахарной свеклы. DuPont заявила о своей цели — стать конкурентоспособной с нефтью по цене 30–40 долларов за баррель (0,19–0,25 доллара за литр) без субсидий, поэтому разрыв в цене с этанолом сокращается.
Сжиженный водород — это жидкое состояние элемента водорода . Это обычное жидкое ракетное топливо для ракетных приложений, его можно использовать в качестве топлива в двигателе внутреннего сгорания или топливном элементе . Различные концепции водородных транспортных средств имели меньшую объемную энергию, объемы водорода, необходимые для сгорания, были большими. Водород был впервые сжижен Джеймсом Дьюаром в 1898 году.
Аммиак (NH 3 ) использовался в качестве топлива раньше, когда бензин был недоступен (например, для автобусов в Бельгии во время Второй мировой войны). Он имеет объемную плотность энергии 17 мегаджоулей на литр (по сравнению с 10 для водорода, 18 для метанола, 21 для диметилового эфира и 34 для бензина). Его необходимо сжать или охладить, чтобы он стал жидким топливом, хотя для сжижения ему не требуется криогенное охлаждение, как водороду. [4]
Медиа, связанные с жидким топливом на Wikimedia Commons
