Введение

Жидкие топлива — это горючие или вырабатывающие энергию молекулы, которые можно использовать для создания механической энергии, обычно преобразуемой в кинетическую; они также должны принимать форму своего сосуда. Воспламеняются пары жидкого топлива, а не сама жидкость. Большинство широко используемых жидких топлив получают из ископаемого топлива, однако существуют и другие типы, такие как водородное топливо (для транспортных целей), этанол и биодизель, которые также классифицируются как жидкое топливо. Многие жидкие топлива играют ключевую роль в транспорте и экономике. Жидкие топлива отличаются от твердого и газообразного топлива.

Общие свойства

Некоторые общие свойства жидкого топлива заключаются в том, что его легко транспортировать и обращаться с ним относительно просто. Физические свойства жидкого топлива изменяются в зависимости от температуры, хотя и не так значительно, как у газообразного топлива. К этим свойствам относятся: температура вспышки – самая низкая температура, при которой образуется горючая концентрация паров; температура воспламенения – температура, при которой происходит устойчивое горение паров; температура помутнения для дизельного топлива – температура, при которой растворенные воскообразные вещества начинают коагулировать, и температура застывания – температура, ниже которой топливо становится слишком вязким для свободного течения. Эти свойства влияют на безопасность и правила обращения с топливом.

Нефтяные топлива

Большинство жидких топлив, используемых в настоящее время, производятся из нефти. Наиболее известным из них является бензин. Учёные в основном полагают, что нефть образовалась из окаменелых останков мёртвых растений и животных под воздействием тепла и давления в земной коре.

Бензин

Бензин – наиболее широко используемое жидкое топливо. Бензин, как его называют в Соединенных Штатах и Канаде, или петрол практически везде, состоит из молекул углеводородов (соединений, содержащих только водород и углерод), формирующих алифатические соединения, или цепочки углерода с присоединенными атомами водорода. Однако многие ароматические соединения (углеродные цепи, образующие кольца), такие как бензол, содержатся в бензине в естественном виде и вызывают риски для здоровья, связанные с длительным воздействием топлива. Производство бензина осуществляется путем дистилляции сырой нефти. Желаемый продукт отделяется от сырой нефти на нефтеперерабатывающих заводах. Сырая нефть добывается из земли различными способами, наиболее распространенным из которых являются штанговые глубинные насосы. Для производства бензина сначала необходимо выделить нефть из сырой нефти. Сам жидкий бензин не сгорает, а воспламеняются его пары, что приводит к испарению оставшейся жидкости и последующему сгоранию. Бензин чрезвычайно летуч и легко воспламеняется, что делает любую утечку потенциально очень опасной. Бензин, продаваемый в большинстве стран, имеет указанный октановый рейтинг. Октановое число – это эмпирическая мера устойчивости бензина к преждевременному воспламенению, известному как детонация. Чем выше октановое число, тем более устойчиво топливо к самовоспламенению под высоким давлением, что позволяет использовать более высокую степень сжатия. Двигатели с более высокой степенью сжатия, обычно используемые в гоночных автомобилях и высокопроизводительных серийных автомобилях, могут развивать большую мощность; однако такие двигатели требуют топлива с более высоким октановым числом. Ранее повышение октанового числа достигалось путем добавления противодетонационных присадок, таких как тетраэтилсвинец. В связи с негативным воздействием свинцовых присадок на окружающую среду, в настоящее время октановое число повышается путем очистки от примесей, вызывающих детонацию.

Дизель

Обычный дизель похож на бензин тем, что представляет собой смесь алифатических углеводородов, полученных из нефти. Дизель может стоить дороже или дешевле бензина, но обычно обходится дешевле в производстве, поскольку используемые процессы добычи проще. В некоторых странах (в частности, в Канаде, Индии и Италии) также применяются более низкие налоговые ставки на дизельное топливо. После дистилляции дизельная фракция обычно подвергается обработке для снижения содержания серы в топливе. Сера вызывает коррозию в двигателях, кислотные дожди и увеличение выбросов сажи из 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 ряде азиатских стран. См. также дизельное топливо с ультранизким содержанием серы. Дизельный двигатель – это тип двигателя внутреннего сгорания, который воспламеняет топливо путем впрыскивания его в камеру сгорания, предварительно сжатую воздухом (что повышает температуру), в отличие от использования внешнего источника зажигания, такого как свеча зажигания.

Киросин

Керосин используется в керосиновых лампах, а также в качестве топлива для приготовления пищи, отопления и небольших двигателей. Он вытеснил китовое масло для освещения. Авиационное топливо для реактивных двигателей производится в нескольких марках (Avtur, Jet A, Jet A 1, Jet B, JP 4, JP 5, JP 7 или JP 8), представляющих собой смеси на основе керосина. Одна из разновидностей топлива, известная как RP 1, сжигается с жидким кислородом в качестве ракетного топлива. Керосин топливных марок соответствует требованиям к показателям дымности и температуре застывания. В середине XX века керосин или "TVO" (Tractor Vaporising Oil) использовался как недорогое топливо для тракторов. Двигатель запускался на бензине, а затем переключался на керосин после прогрева. "Тепловой клапан" на впускном коллекторе направлял выхлопные газы вокруг впускной трубы, нагревая керосин до температуры, необходимой для воспламенения от электрической искры. Керосин иногда добавляют в дизельное топливо для предотвращения загустения или образования парафина при низких температурах. Однако это не рекомендуется для некоторых современных дизельных двигателей, поскольку это может нарушить работу системы регулирования выбросов.

Сжиженный нефтяной газ (СНГ)

Газ LP представляет собой смесь пропана и бутана, оба из которых легко сжимаемые газы при стандартных атмосферных условиях. Он обладает многими преимуществами сжатого природного газа (СПГ), но горит не так чисто, плотнее воздуха и гораздо легче сжимается. Обычно используемый для приготовления пищи и отопления, газ LP и сжатый пропан все шире применяются в моторизованных транспортных средствах; пропан является третьим по распространенности видом моторного топлива в мире.

Ненефтяные ископаемые виды топлива

Когда нефть недоступна в достаточном количестве, для производства жидкого топлива из угля или природного газа могут использоваться химические процессы, такие как процесс Фишера-Тропша. Синтетическое топливо из угля имело стратегическое значение для немецкой армии во время Второй мировой войны. В настоящее время синтетическое топливо, производимое из природного газа, изготавливается для извлечения выгоды из более высокой ценности жидкого топлива в транспортной отрасли.

Природный газ

Природный газ, состоящий главным образом из метана, может быть сжат до жидкого состояния и использоваться как замена другим традиционным жидким видам топлива. Его сгорание значительно чище, чем сгорание других углеводородных топлив, однако низкая температура кипения требует поддержания высокого давления для сохранения его в жидком состоянии. Несмотря на то, что температура вспышки природного газа намного ниже, чем у бензина, он во многих отношениях безопаснее благодаря более высокой температуре самовоспламенения и низкой плотности, что способствует его быстрому рассеиванию при утечке в воздух.

Биодизель

Биодизель похож на дизельное топливо, но имеет различия, сопоставимые с различиями между бензином и этанолом. Например, биодизель обладает более высоким цетановым числом (45-60 по сравнению с 45-50 у дизельного топлива, полученного из нефти) и действует как очиститель, удаляя грязь и отложения. Утверждается, что экономическая целесообразность биодизеля достигается 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 региона, экономической ситуации, государственной политики в отношении биодизеля и множества других факторов, и в некоторых странах его жизнеспособность доказана при значительно более низких ценах. Кроме того, биодизель обеспечивает примерно на 10% меньше энергии, чем обычное дизельное топливо. Подобно использованию более высоких степеней сжатия в двигателях, работающих на спиртах и бензине с высоким октановым числом, использование высокого цетанового числа биодизеля потенциально может компенсировать дефицит энергии по сравнению с обычным дизельным топливом №2.

Алкоголи

В общем, термин "алкоголь" обычно подразумевает этанол – первое органическое химическое вещество, полученное человеком, – но любой спирт может использоваться в качестве топлива. Этанол и метанол наиболее распространены, поскольку они достаточно недороги для практического применения.

Метанол

Метанол – самый легкий и простой спирт, получаемый из метана, входящего в состав природного газа. Его применение ограничено главным образом из-за его токсичности (схожей с бензином), а также из-за высокой коррозионной активности и смешиваемости с водой. Небольшие количества используются в некоторых марках бензина для повышения октанового числа. Топливо на основе метанола используется в некоторых гоночных автомобилях и моделях самолетов. Метанол также известен как метиловый спирт или древесный спирт, последнее название связано с тем, что ранее его получали путем дистилляции древесины. Он также известен под названием метилгидрат.

Этанол

Этанол, также известный как зерновой спирт или этиловый спирт, обычно содержится в алкогольных напитках. Однако он также может использоваться в качестве топлива, чаще всего в сочетании с бензином. В основном его используют в соотношении 9:1 бензина к этанолу для снижения негативного воздействия бензина на окружающую среду. Растет интерес к использованию смеси, содержащей 85% топливного этанола и 15% бензина. Эта топливная смесь, известная как E85, имеет более высокое октановое число, чем большинство премиальных марок бензина. При использовании в современных автомобилях с гибким топливным баком она обеспечивает большую мощность по сравнению с бензином, который она заменяет, но при этом увеличивается расход топлива из-за более низкой удельной энергоемкости этанола. Этанол, используемый в бензине и в промышленных целях, может рассматриваться как ископаемое топливо, поскольку он часто синтезируется из этилена, продукта переработки нефти, который дешевле, чем производство путем ферментации зерна или сахарного тростника.

Бутанол

Бутанол — это спирт, который можно использовать в качестве топлива в большинстве бензиновых двигателях 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 заключаются в его высоком октановом числе (более 100) и высокой энергетической ценности, которая лишь примерно на 10% ниже, чем у бензина, и, следовательно, примерно на 50% выше, чем у этанола и на 100% выше, чем у метанола. Основными недостатками бутанола являются его высокая температура вспышки (35 °C или 95 °F), токсичность (следует отметить, что уровни токсичности существуют, но не подтверждены точно) и тот факт, что процесс ферментации для получения возобновляемого бутанола сопровождается неприятным запахом. Организм Вейцмана может переносить уровни бутанола лишь до 2% или около того, в то время как этанол и дрожжи – до 14%. Получение бутанола из нефти не производит такого запаха, но ограниченность запасов нефти и её негативное воздействие на окружающую среду сводят на нет смысл использования альтернативного топлива. Стоимость бутанола составляет около 1,25–1,32 доллара за килограмм (0,57–0,58 доллара за фунт или примерно 4 доллара за американский галлон). Бутанол значительно дороже этанола (примерно 0,40 доллара за литр или 1,50 доллара за галлон) и метанола. 20 июня 2006 года компании DuPont и BP объявили о переоборудовании существующего завода 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 по цене 30–40 долларов за баррель (0,19–0,25 доллара за литр) без субсидий, поэтому разница в цене с этанолом сокращается.

Водород

Сжиженный водород — это жидкое состояние элемента водорода. Он является распространенным жидким ракетным топливом для ракетных двигателей и может использоваться в качестве топлива в двигателях внутреннего сгорания или топливных элементах. Различные концептуальные водородные транспортные средства страдали от низкой объемной энергоемкости, а объемы водорода, необходимые для сгорания, были значительными. Водород был впервые сжижен Джеймсом Дьюэром в 1898 году.

Аммиак

Аммиак (NH3) использовался в качестве топлива и ранее, в периоды, когда бензин был недоступен (например, для автобусов в Бельгии во время Второй мировой войны). Его объемная энергетическая плотность составляет 17 мегаджоулей на литр (по сравнению с 10 для водорода, 18 для метанола, 21 для диметилового эфира и 34 для бензина). Для использования в качестве жидкого топлива аммиак должен быть сжат или охлажден, хотя для сжижения он не требует криогенного охлаждения, в отличие от водорода.