книги из ГПНТБ / Гуреев, А. А. Автомобильные эксплуатационные материалы учебник

А. А. ГУРЕЕВ, Р. Я. ИВАНОВА, Н. В ЩЕГОЛЕВ

АВТОМОБИЛЬНЫЕ

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ

МАТЕРИАЛЫ

Д о п у щ е н о Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучаю­ щихся по специальности «Автомобильный транспорт».

Москва «Транспорт» 1974

УДК 629.113.004.002.3 (075)

ству и применению автомобильных эксплуатационных ма­ териалов. Рассмотрены важнейшие свойства топлив, сма­ зочных материалов и жидкостей, определяющие надеж­ ность и долговечность автомобилей. Большое внимание в учебнике уделено особенностям применения и путям экономии автомобильных эксплуатационных материалов.

Учебник предназначен для студентов автомобильных и автомобильно-дорожных факультетов и может быть ис­ пользован инженерно-техническими работниками, зани­ мающимися эксплуатацией автомобильного транспорта.

Рис. 93, табл. 82, библ. 13.

31803-001 Г 049 (01)-74

© Издательство «Транспорт», 1974 г.

ВВЕДЕНИЕ

Директивами XXIV съезда КПСС намечена грандиозная программа развития автомобильной промышленности в нашей стране. Поставлена задача довести вы­ пуск автомобилей в 1975 г. до 2,0—2,2 млн. штук, увеличив при этом производство грузовых автомобилей примерно в 1,5 раза и легковых в 3,5—3,8 раза.

Одновременно с увеличением числа автомобилей пятилетним планом предус­ мотрен рост выработки топлив, смазочных материалов и жидкостей, т. е. тех ма­ териалов, которые расходуются при эксплуатации автомобилей. Характерной чертой развития автомобильных эксплуатационных материалов в девятой пяти­ летке является резкое улучшение их качества.

Новые автомобильные двигатели с улучшенными технико-экономическими по­ казателями требуют высококачественных эксплуатационных материалов. Для современных и перспективных автомобилей приходится разрабатывать новые сорта эксплуатационных материалов с улучшенными характеристиками.

Совершенствование автомобилей и рост их требований к качеству эксплуата­ ционных материалов обусловливают высокие темпы развития важнейших от­ раслей нефтеперерабатывающей и частично химической промышленностей. С дру­ гой стороны, качество автомобильных эксплуатационных материалов, вырабаты­ ваемых нефтеперерабатывающей и химической промышленностью, определяет развитие автомобилестроения. Таким образом, три крупнейших отрасли промыш­ ленности оказались взаимосвязанными, а непосредственным связующим звеном явилось качество автомобильных эксплуатационных материалов.

Завышенные требования к качеству автомобильных эксплуатационных мате­ риалов ведут к неоправданным затратам на освоение новых процессов их полу­ чения и, следовательно, к повышению их стоимости и удорожанию эксплуатации автомобилей. Заниженные требования к эксплуатационным материалам приводят

к снижению долговечности и надежности, усложнению обслуживания автомо­ билей.

Все возрастающее значение качества применяемых топлив и смазочных ма­ териалов привело к тому, что в ходе научно-технической революции на стыке не­ скольких наук родилась новая наука о свойствах, качестве и рациональном ис­ пользовании топлив, смазочных материалов и специальных жидкостей в технике. Эта наука в нашей стране получила название химмотологии, т. е. науки о химии в моторах. Часть химмотологии, занимающуюся вопросами трения и смазки в ма­ шинах, иногда называют трибологией (наука о трении) или любрилогией (наука о смазке).

снижение расхода и потерь топлив, смазочных материалов и жидкостей и со­ хранение их качества в эксплуатации;

3

Г л а в а I

ПРОИЗВОДСТВО АВТОМОБИЛЬНЫХ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Современные топлива, смазочные масла, основы пластичных сма­ зок, тормозные и амортизационные жидкости являются продуктами переработки нефти. Все более широкое применение в качестве кон­ струкционно-ремонтных материалов находят продукты переработки нефтяных газов — синтетические обивочные материалы, пластические массы, резиновые изделия и т. д. Почти все неметаллические ма­ териалы, применяемые в современном автомобиле, производят из нефти.

§ 1. ПРИНЦИПЫ ПЕРЕРАБОТКИ НЕФТИ

Нефть представляет собой вязкую маслянистую жидкость темк>- коричневого, иногда буро-зеленого цвета. В нефтях содержится до 99й» углеводородов самого разнообразного строения.

Всостав нефтей входят главным образом углеводороды трех клас­ сов — парафиновые, нафтеновые и ароматические. Непредельные угле­ водороды образуются из углеводородов этих классов в процессах нефте­ переработки.

Внефтях содержатся углеводороды с различным числом атомов углерода в молекуле. Простейшие парафиновые углеводороды с двумя, тремя и четырьмя атомами углерода при обычных условиях являются

в растворенном состоянии. Такое разнообразие углеводородов приводит к тому, что нефть не имеет какой-либо постоянной температуры кипе­ ния и при нагревании выкипает в широких температурных пределах. Из большинства нефтей даже при слабом нагревании до 30—40° С на­ чинают испаряться и выкипать наиболее легкие углеводороды. При дальнейшем нагревании до более высоких температур из нефти выки­ пают все более тяжелые углеводороды. Эти пары можно отвести и охла­ дить (сконденсировать) и таким образом выделить часть нефти или,

5

как принято называть, фракцию нефти, выкипающую в определенных температурных пределах.

Процесс разделения углеводородов нефти по температурам их ки­ пения называется прямой перегонкой.

Прямая перегонка нефти при атмосферном давлении является обя­ зательным первичным процессом переработки нефти. Принципиальная схема получения топлив и масел из нефти представлена на рис. 1 (на рис. не показаны установки по очистке дистиллятов, по добавлению присадок и т. п.).

Установки по первичной прямой перегонке нефти являются обяза­ тельными для всех заводов. Наличие других установок определяется свойствами перерабатываемой нефти, профилем продукции, выраба­ тываемой на заводе, и многими другими факторами. В целом нефтепе­ реработка представляет собой ряд взаимосвязанных нефтехимических производств, предусматривающих наиболее полное использование не только основного сырья, но и образующихся газов, сернистых соедине­ ний и т. п.

На современных заводах процесс прямой перегонки нефти осуществляют на крупных установках непрерывного действия (рис. 2). Нефть под давлением подают насосами в трубчатую печь /, где ее нагревают до температуры 330—350° С. Горячая нефть вместе с парами попадает в среднюю часть атмосферной ректификационной колонны 2,

Рис. 1, Схема получения автомобильных топлив и масел из нефти

6

Нефть

где она вследствие снижения давления дополнительно испаряется и испарившиеся углеводороды отделяются от жидкой части нефти — мазута. Пары углеводородов устремляются вверх по колонне, а жидкий остаток стекает вниз. В ректификационной колонне по пути движения паров углеводородов устанавливают ректификационные тарелки, на ко­ торых конденсируется часть паров углеводородов. Более тяжелые угле­ водороды с высокой температурой кипения конденсируются сразу же на первых тарелках. Легкие углеводороды успевают подняться вверх по колонне, а наиболее легкие углеводороды в смеси с газами проходят всю колонну, не конденсируясь, и отводятся с верха колонны в виде паров. Таким образом, в ректификационной колонне по ее высоте угле­ водороды нефти разделяют на фракции в зависимости от температуры

делами кипения от 30 до 180—205° С после очистки являются составной частью многих товарных автомобильных бензинов. Ниже отбирают керосиновый дистиллят, который после очистки используют в качестве топлива для газотурбинных реактивных авиационных двигателей. Еще ниже отводят газойлевый дистиллят, который также после очистки идет в качестве топлива для дизельных двигателей

Мазут, остающийся после прямой перегонки нефти, в зависимости от его состава используют или непосредственно в виде топлива (топоч­ ный мазут), или в качестве сырья на установки крекинга (см. ниже), или подвергают дальнейшему разделению на масляные фракции

ввакуумной ректификационной колонне 5.

Впоследнем случае мазут снова нагревают в трубчатой печи до температуры 420—430° С и подают в ректификационную колонну, работающую под разряжением (остаточное давление 50—100 мм рт. ст.). Температура кипения углеводородов при понижении давления снижается, что позволяет испарить без разложения тяжелые угле­

водороды, содержащиеся в мазуте. При вакуумной перегонке мазута в верхней части ректификационной колонны отбирают соляровый ди­

7

стиллят, который может служить сырьем для каталитического крекин­ га. Ниже отбирают масляные фракции — сначала веретенный дистил­ лят, затем машинный или автоловый и, наконец, цилиндровый. Все эти дистилляты после соответствующей очистки идут на приго­ товление товарных масел. Такие масла называют дистиллятными.

Из нижней части вакуумной ректификационной колонны отбирают неиспарившуюся часть мазута — полугудрон или гудрон. Из этих остатков путем глубокой очистки делают высоковязкие, так называемые остаточные масла. Прямая перегонка нефти долгое время была единст­ венным способом нефтепереработки. При этом основным продуктом являлся осветительный керосин, а бензин считался бесполезным и даже вредным отбросом.

Появление двигателей внутреннего сгорания привело к подлинной революции в нефтепереработке. Для работы двигателей потребовался бензин, который быстро стал одним из наиболее ценных продуктов, получаемых из нефти.

Прямой перегонкой нефти можно получить только то небольшое количество бензиновых фракций, которое непосредственно содержится в нефти, поэтому вскоре этот процесс уже не мог удовлетворить спроса на бензин. *

Для обеспечения возросших потребностей в бензине необходимо было увеличить выход бензина из нефти за счет превращения тяжелых углеводородов с большим числом углеродных атомов в молекуле в более легкие, выкипающие в пределах бензиновых фракций.

Эта задача была решена русскими учеными А. А. Летним, который еще в 1875 г. предложил разлагать углеводороды нефти при высоких температурах для получения дополнительных количеств бензина, и ин­ женером В. Г. Шуховым, запатентовавшим способ разложения нефти на бензин. В промышленности этот процесс впервые применили в США, где он был назван крекингом, что означает расщепление, раскалыва­ ние. Основной реакцией процесса крекинга является расщепление крупных молекул, состоящих из многих углеродных атомов, на более мелкие под действием высоких температур без катализатора (терми­ ческий крекинг) или в присутствии катализаторов (каталитический крекинг). Процессы крекинга позволили увеличить выход бензиновых фракций из нефти до 50—60% против 20—25%, получаемых с по­ мощью прямой перегонки.

При термическом крекинге получают газ, широкую гамму углево­ дородов, выкипающих в пределах бензиновой, керосиновой, газойлевойи соляровой фракций, а также тяжелый крекинг-остаток (крекингмазут).

Процесс термического крекинга в промышленных условиях осу­ ществляют по различным схемам. У нас больше всего распространен двухпечный крекинг (рис. 3), при котором процесс крекинга мазута осуществляют в два этапа. В первой печи идет легкий крекинг сырья при невысокой температуре. Продукты легкого крекинга разделяют, отбирая газ, бензин и тяжелый остаток. Всю среднюю часть, так называемую крекинг-флегму, направляют во вторую печь для глубо­ кого крекинга. Процесс термического крекинга ведут при темпера­

8

топлив. Нагревание нефтяного сырья до температуры 670—800° С (пи­ ролиз) ведет к значительному образованию газообразных углеводоро­ дов (этилен, пропилен и др.), которые являются сырьем для нефтехими­ ческого синтеза —получения полиэтилена, полипропилена и т. д. В процессе пиролиза сырья образуются и жидкие углеводороды, пре­ имущественно ароматического характера.

Более совершенным процессом, позволяющим получать качествен­ ные нефтепродукты, является каталитический крекинг. При катали­ тическом крекинге все превращения углеводородов происходят в при­ сутствии катализаторов. Для каталитического крекинга нефтяного сырья наибольшее распространение получили твердые алюмосиликат­ ные катализаторы, в состав которых входят окись кремния и окись алюминия.

Основной реакцией каталитического крекинга, так же как и терми­ ческого, является расщепление сложных и больших молекул на более легкие с меньшим числом углеродных атомов. В присутствии катали­ заторов скорость расщепления углеводородов значительно возрастает.

В условиях каталитического крекинга большое значение приобре­ тают вторичные превращения образующихся углеводородов. В моле­ кулах нефтяных углеводородов в присутствии катализатора атомы водорода могут отщепляться с образованием ароматических угле­ водородов (реакции ароматизации). Водород, выделяющийся в процес­ се ароматизации нефтяных углеводородов, может вступать в реакцию с углеводородами олефинового ряда с насыщением двойных связей (реакция гидрогенизации). Углеводороды с прямой цепочкой углерод­ ных атомов в присутствии катализатора могут изменять взаимное рас­ положение атомов внутри молекул без изменения общего числа атомов (реакция изомеризации).

9