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. Вместо жидкости горючими являются пары жидкого топлива. Большинство жидкого топлива, широко используемого, получают из ископаемого топлива ; однако существует несколько типов, таких как водородное топливо (для автомобильного использования), этанол и биодизель , которые также относятся к жидкому топливу. Многие виды жидкого топлива играют первостепенную 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 относительно легко обращаться. Физические свойства жидкого топлива изменяются в зависимости от температуры, хотя и не так сильно, как у газообразного топлива. Некоторые из этих свойств: температура вспышки — самая низкая температура, при которой образуется огнеопасная концентрация пара; температура воспламенения — температура, при которой происходит устойчивое горение пара; температура помутнения дизельного топлива, температура, при которой растворенные парафинистые соединения начинают сливаться, и температура застывания , температура, ниже которой топливо становится слишком густым, чтобы свободно выливаться. Эти свойства влияют на безопасность и обращение с топливом.
Большинство жидкого топлива, используемого в настоящее время, производится из нефти . Наиболее заметным из них является бензин . Ученые обычно признают, что нефть образовалась из окаменелых останков мертвых растений и животных под воздействием тепла и давления в земной коре.
Бензин является наиболее широко используемым жидким топливом. Бензин, как его называют в США и Канаде, или бензин практически везде, состоит из молекул углеводородов (соединений, содержащих только водород и углерод), образующих алифатические соединения или цепочки 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-под земли с помощью нескольких процессов, наиболее распространенным из которых являются лучевые насосы . Чтобы создать бензин, сначала необходимо удалить нефть из сырой нефти.
Сам по себе жидкий бензин фактически не сгорает, но его пары воспламеняются, в результате чего оставшаяся жидкость испаряется, а затем сгорает. Бензин чрезвычайно летуч и легко воспламеняется, что делает любую утечку 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 позволяет добиться более высокой степени сжатия . Двигатели с более высокой степенью сжатия, обычно используемые в гоночных автомобилях и высокопроизводительных автомобилях серийного производства, могут производить больше мощности; однако такие двигатели требуют топлива с более высоким октановым числом. В прошлом повышение октанового числа достигалось за счет добавления «антидетонационных» присадок, таких как тетраэтилсвинец. Из-за воздействия свинцовых присадок на окружающую среду октановое число сегодня повышается за счет очистки 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, чем бензин, но, как правило, его производство обходится дешевле, поскольку используемые процессы экстракции проще. Некоторые страны (особенно Канада, Индия и Италия) также имеют более низкие ставки налога на дизельное топливо.
После дистилляции дизельная фракция обычно перерабатывается для уменьшения количества серы в топливе. Сера вызывает коррозию транспортных средств, кислотные дожди и повышенные выбросы сажи из выхлопной трубы (выхлопной трубы). Исторически сложилось так, что в Европе по закону требовались более низкие уровни серы, чем в Соединенных Штатах. Однако недавнее законодательство США снизило максимальное содержание серы в дизельном топливе с 3000 частей на миллион до 500 частей на миллион в 2007 году и до 15 частей на миллион к 2010 году. Аналогичные изменения также происходят в Канаде, Австралии, Новой Зеландии и некоторых азиатских странах. См. также Дизельное топливо со сверхнизким содержанием серы .
Дизельный двигатель — это тип двигателя внутреннего сгорания , в котором топливо воспламеняется путем впрыска его в камеру сгорания, предварительно сжатую воздухом (что, в свою очередь, повышает температуру), а не при использовании внешнего источника воспламенения, такого как свеча зажигания.
Керосин используется в керосиновых лампах , а также в качестве топлива для приготовления пищи, отопления и небольших двигателей. Он заменил китовый жир для освещения. Реактивное топливо для реактивных двигателей производится нескольких марок ( Автур , Джет А , Джет А-1 , Джет Б , JP-4 , JP-5 , JP-7 или JP-8 ), представляющих собой смеси типа керосина. Одна из форм топлива, известная как РП-1, сжигается с жидким кислородом в качестве ракетного топлива. Эти топливные керосины соответствуют спецификациям по температуре дымления и замерзания.
В середине 20 века керосин или «ТВО» (тракторное испаряющееся масло) использовался как дешевое топливо для тракторов. Двигатель запускался на бензине, а затем, когда двигатель прогревался, переключался на керосин. «Тепловой клапан» на коллекторе будет направлять выхлопные газы вокруг впускной трубы, нагревая керосин до такой степени, что он может воспламениться от электрической искры .
Керосин иногда используется в качестве добавки к дизельному топливу для предотвращения гелеобразования или парафинообразования при низких температурах. Однако это не рекомендуется для дизельных двигателей некоторых современных транспортных средств, поскольку это может помешать работе оборудования регулирования выбросов двигателя.
Сжиженный нефтяной газ представляет собой смесь пропана и бутана , которые легко сжимаются при стандартных атмосферных условиях. Он обладает многими преимуществами сжатого природного газа (СПГ), но горит не так чисто, более плотен, чем воздух, и его гораздо легче сжимать. Сжиженный нефтяной газ и сжатый пропан, обычно используемые для приготовления пищи и отопления помещений, все чаще используются в моторизованных транспортных средствах; Пропан является третьим наиболее часто используемым моторным топливом в мире.
Нефтяное топливо при сгорании выделяет углекислый газ, который необходим для роста растений, но который (учитывая большие масштабы глобальных выбросов) потенциально вреден для мирового климата. Количество углекислого газа, выделяющегося при сгорании одного литра топлива, можно оценить: [1] В качестве хорошего приближения химическая формула, например, дизельного топлива: C.
нЧАС
2н. Обратите внимание, что дизельное топливо представляет собой смесь разных молекул. Поскольку углерод имеет молярную массу 12 г/моль, а водород (атомный!) имеет молярную массу около 1 г/моль, то весовая доля углерода в дизельном топливе составляет примерно 12/14. Реакция сгорания дизельного топлива выражается:
2 С
нЧАС
2н+ 3н О
2⇌ 2н СО
2+ 2н Ч
2О
Диоксид углерода имеет молярную массу 44 г/моль, так как состоит из 2 атомов кислорода (16 г/моль) и 1 атома углерода (12 г/моль). Итак, из 12 г углерода получается 44 г углекислого газа. Дизель имеет плотность 0,838 кг на литр. Если сложить все вместе, массу углекислого газа, образующегося при сжигании 1 литра дизельного топлива, можно рассчитать как:
Количество 2,63 кг углекислого газа в 1 литре дизеля близко к значениям, найденным в литературе.
Для бензина плотностью 0,75 кг/л и соотношением атомов углерода к водороду примерно от 6 до 14 расчетное значение выбросов углекислого газа при сжигании 1 литра бензина дает:
Когда нефть недоступна, можно использовать химические процессы, такие как процесс Фишера-Тропша, для производства жидкого топлива из угля или природного газа . Синтетическое топливо из угля было стратегически важным во время Второй мировой войны для немецкой армии. Сегодня синтетическое топливо производится из природного газа, чтобы воспользоваться преимуществами более высокой стоимости жидкого топлива на транспорте.
Природный газ , состоящий в основном из метана , можно сжимать до жидкого состояния и использовать вместо других традиционных жидких видов топлива. Его сгорание очень чистое по сравнению с другими углеводородными видами топлива, но низкая температура кипения топлива требует поддержания высокого давления, чтобы оно оставалось в жидком состоянии. Хотя у него гораздо более низкая температура вспышки, чем у такого топлива, как бензин, оно во многих отношениях безопаснее из-за более высокой температуры самовоспламенения и низкой плотности, что приводит к его рассеиванию при попадании в воздух.
Биодизельное топливо похоже на дизельное топливо, но имеет различия, аналогичные различиям 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 действует как чистящее средство, удаляя грязь и отложения. Утверждалось, что это становится экономически целесообразным только при цене на нефть выше 80 долларов (40 фунтов или 60 евро на конец февраля 2007 года) за баррель. Однако это зависит от местности, экономической ситуации, позиции правительства в отношении биодизельного топлива и множества других факторов, и в некоторых странах было доказано, что это жизнеспособно при гораздо меньших затратах. Кроме того, он дает примерно на 10% меньше энергии, чем обычный дизель. Аналогично использованию более высоких степеней сжатия, используемых в двигателях, сжигающих высокооктановые спирты и бензин в двигателях с искровым зажиганием, использование преимуществ высокого цетанового числа биодизеля потенциально может преодолеть дефицит энергии по сравнению с обычным дизельным топливом номер 2.
Обычно термин «спирт» относится к этанолу, первому органическому химическому веществу , производимому человеком, [2] но любой спирт можно сжигать в качестве топлива. Этанол и метанол являются наиболее распространенными, поскольку они достаточно недороги и могут быть полезны.
Метанол — самый легкий и простой спирт , получаемый из метана , компонента природного газа . Его применение ограничено прежде всего из-за его токсичности (по аналогии с бензином), но также из-за высокой коррозионной активности и смешиваемости с водой. Небольшие количества добавляются в некоторые виды 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 , поскольку раньше его производили путем перегонки древесины. Он также известен под названием метилгидрат .
Этанол , также известный как зерновой спирт или этиловый спирт, обычно содержится в алкогольных напитках . Однако его также можно использовать в качестве топлива, чаще всего в сочетании с бензином. По большей части он используется в соотношении бензина и этанола 9:1, чтобы уменьшить негативное воздействие бензина на окружающую среду. [ нужна 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 бензинов премиум-класса. При использовании в современных транспортных средствах с гибким топливом он обеспечивает большую производительность бензина, который он заменяет, за счет более высокого расхода топлива из-за меньшего удельного энергосодержания этанола. [3]
Этанол для использования в бензине и промышленных целях можно рассматривать как ископаемое топливо, поскольку его часто синтезируют из этилена нефтепродуктов , который дешевле, чем производство путем ферментации зерна или сахарного тростника .
Бутанол — это спирт , который можно использовать в качестве топлива в большинстве бензиновых двигателей внутреннего сгорания без модификации двигателя. Обычно это продукт 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.
Преимуществами бутанола являются его высокое октановое число (более 100) и высокая энергоемкость, всего примерно на 10% ниже, чем у бензина, и, следовательно, примерно на 50% более энергоемкая, чем у этанола, и на 100% выше, чем у метанола. 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 испускает неприятный запах. Организм Вейцмана может переносить уровни бутанола только до 2% или около того, по сравнению с 14% для этанола и дрожжей. Производство бутанола из нефти не дает такого запаха, но ограниченные запасы и воздействие использования нефти на окружающую среду сводят на нет цель использования альтернативных видов топлива. Стоимость бутанола составляет около 1,25–1,32 доллара за килограмм (0,57–0,58 доллара за фунт или примерно 4 доллара за галлон США). Бутанол намного дороже, чем этанол (приблизительно 0,40 доллара за литр или 1,50 доллара за галлон) и метанол.
20 июня 2006 года DuPont и BP объявили, что они переоборудуют существующий завод по производству этанола для производства 9 миллионов галлонов (34 000 кубических метров) бутанола в год из сахарной свеклы. DuPont заявила о своей цели быть конкурентоспособной с нефтью при цене 30–40 долларов за баррель (0,19–0,25 доллара за литр) без субсидий, поэтому ценовой разрыв с этанолом сокращается.
Сжиженный водород — это жидкое состояние элемента водорода . Это обычное жидкое ракетное топливо для ракет , которое 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 впервые сжижал Джеймс Дьюар в 1898 году.
Аммиак (NH 3 ) использовался в качестве топлива и раньше, когда бензин был недоступен (например, для автобусов в Бельгии во время Второй мировой войны). Его объемная плотность энергии составляет 17 мегаджоулей на литр (по сравнению с 10 у водорода, 18 у метанола, 21 у диметилового эфира и 34 у бензина). Его необходимо сжать или охладить, чтобы он стал жидким топливом, хотя он не требует криогенного охлаждения, как водород для сжижения. [4]
СМИ, связанные с жидким топливом, на Викискладе?
