Бензин: свойства, производство и применение¶
Бензин (от фр. benzine) — горючая смесь лёгких углеводородов с температурой кипения от 30 до 205 °C, получаемая в результате перегонки нефти и применяемая в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием, а также как растворитель в промышленности.
¶Состав и свойства
Основу бензина составляют углеводороды с числом атомов углерода от 4 до 12: алканы (парафины), циклоалканы (нафтены), алкены (олефины) и ароматические углеводороды. Точный состав зависит от исходной нефти и технологии переработки. Важнейшими эксплуатационными характеристиками бензина являются октановое число, фракционный состав, давление насыщенных паров, плотность и теплота сгорания.
Октановое число характеризует детонационную стойкость топлива — способность противостоять самовоспламенению при сжатии. Чем выше октановое число, тем большую степень сжатия выдерживает топливо без детонации. Определяется двумя методами: исследовательским (ИОЧ, Research Octane Number) и моторным (МОЧ, Motor Octane Number). Среднее арифметическое этих показателей называется октановым индексом и используется в ряде стран для маркировки топлива.
Фракционный состав определяет испаряемость бензина. Температура выкипания 10 % объёма характеризует пусковые свойства двигателя, 50 % — прогреваемость и приёмистость, 90 % и конец кипения — полноту сгорания и склонность к разбавлению масла в картере. Давление насыщенных паров (норматив — 45–90 кПа по ГОСТ 32513-2013) влияет на образование паровых пробок в топливной системе и потери от испарения.
Плотность бензина обычно составляет 700–780 кг/м³, теплота сгорания — около 44 МДж/кг. Для обеспечения стабильности при хранении в топливо вводят антиокислительные присадки, а для предотвращения отложений на впускных клапанах — моющие присадки.
¶История
До появления двигателей внутреннего сгорания бензин был побочным продуктом перегонки нефти при производстве керосина и не находил широкого применения, часто просто сливался в отходы. Ситуация изменилась в конце XIX века: в 1885–1886 годах Карл Бенц и Готлиб Даймлер создали первые автомобили с бензиновыми двигателями. В России первый автомобиль с двигателем на бензине был построен в 1896 году Евгением Яковлевым и Петром Фрезе.
Первоначально бензин получали прямой перегонкой нефти, выход светлых фракций не превышал 10–20 %. Рост автомобильного парка потребовал увеличения производства, что привело к развитию крекинга — термического (запатентован в 1891 году Владимиром Шуховым) и каталитического (внедрён в 1930-х годах). В 1920-х годах для повышения детонационной стойкости начали применять тетраэтилсвинец, от которого в большинстве стран отказались к началу XXI века из-за токсичности.
¶Классификация и маркировка
В России и странах ЕАЭС маркировка бензинов регламентируется ГОСТ 32513-2013 и техническим регламентом Таможенного союза ТР ТС 013/2011. Обозначение вида АИ-92, АИ-95, АИ-98 расшифровывается следующим образом: «А» — автомобильный, «И» — октановое число определено исследовательским методом, цифра — минимальное значение октанового числа. По содержанию серы бензины делятся на классы К2–К5 (не более 500, 150, 50 и 10 ppm соответственно). С 2016 года в России запрещён оборот топлива ниже класса К5.
По сезону применения различают летний и зимний бензин: зимний имеет более низкое давление насыщенных паров и облегчённый фракционный состав для надёжного запуска при отрицательных температурах. По назначению выделяют автомобильный бензин, авиационный (имеет более узкий фракционный состав и повышенные требования к теплоте сгорания) и растворители (уайт-спирит, нефрас), которые являются узкими бензиновыми фракциями.
¶Производство
Современный бензин — компаундированный продукт, то есть смесь компонентов, получаемых разными технологическими процессами. Основные компоненты:
- бензин каталитического риформинга — высокооктановый (95–100 ИОЧ), богат ароматикой;
- бензин каталитического крекинга — октановое число 88–93, содержит олефины;
- бензин изомеризации — низкооктановый, но с хорошими экологическими свойствами;
- алкилат (продукт алкилирования) — высокооктановый, без ароматики;
- бензин прямой перегонки — низкооктановый компонент.
Компаундирование ведётся с учётом требований к октановому числу, фракционному составу и экологическим нормативам. В России действует запрет на использование метанола в составе товарного бензина из-за его токсичности и агрессивности к материалам топливной системы.
¶Применение
Бензин — основное топливо для легковых автомобилей с искровым зажиганием, мототехники, малой авиации, генераторов и садовой техники. В России он также широко используется в качестве растворителя в лакокрасочной промышленности, при производстве резины и для обезжиривания поверхностей. Бензиновые фракции служат сырьём для пиролиза в нефтехимии при производстве этилена и пропилена.
Мировое потребление бензина составляет около 1,4 млрд тонн в год. Крупнейшими потребителями являются США, Китай и страны Европейского союза. В России объём производства автомобильного бензина в 2023 году составил около 38 млн тонн, внутреннее потребление — примерно 36 млн тонн.
¶Экологические аспекты
При сгорании бензина в атмосферу выделяются углекислый газ, оксиды азота, оксид углерода, несгоревшие углеводороды и твёрдые частицы. Для снижения вредных выбросов применяются каталитические нейтрализаторы, системы рециркуляции отработавших газов и ужесточение требований к составу топлива. Евро-стандарты, действующие и в России, ограничивают содержание серы, бензола и ароматических углеводородов.
Альтернативой бензину считаются сжиженный нефтяной газ, природный газ (метан), этанол и электромобили. Тем не менее бензин сохраняет доминирующее положение в мировом автопарке благодаря высокой энергетической плотности, развитой инфраструктуре заправок и относительной дешевизне производства.