Въглеводородна епоха III

В исторически план пазарните обстоятелства често налагат промени в пропорциите на произвежданите различни нефтопродукти и създаване на нови и по-ефективни процеси за добив на нефт и производство на бензин, дизелово гориво, керосин и прочее.        

С изострянето на диспропорцията между добив и потребление нефтените компании често са принудени изцяло да променят подхода си и да интензифицират производството с помощта на все по-активно привличане на научен потенциал. Без тежката научна артилерия би била невъзможна реализацията на сложни, извънредно трудни и мащабни дълбоководни проекти или добив от шисти, благодарение на които Щатите станаха нетен износител на петрол през годините преди пандемията. Същото обаче важи и за преработката на нефта, в която трябва да бъде усвоена всяка молекула по максимално ефективно начин и с минимално количество вложена енергия – рафинериите също имат голям принос в замърсяването и съществена тежест в уравнението за въглеродните емисии наречено well-to-wheel. 

Проблемите с нарастващите цени в края на първото десетилетие на XXI век не отминават преработката на нефта, защото междувременно и всичко в автомобилния свят се променя. За разлика от американците, европейците никога не са подценявали потенциала на дизеловия двигател. Със създаването на директното впръскване от Fiat в края на 80-те години, масовизирането му от VW през 90-те, въвеждането на системата common rail (пак от Fiat) през 1997 година и широкото и използване благодарение на Bosch, дизеловият двигател не само е изваден от летаргията си, но се превръща в динамична и икономична алтернатива на бензиновия. 

.

. 

Затова, когато цените започват драстично да растат в началото на XXI век европейците се оказват по-добре подготвени от разточителните американци. Заедно с усъвършенстваните турбокомпресори, системите помпа-дюма и common rail осигуряват на дизеловия двигател сериозно поле за развитие, но този процес касае и нефтените компании и предизвика преразпределение, което остава в сянката на обществото. Рафинериите в Европа трябва да настройват процесите си към производство на повече дестилатни продукти, каквото е дизеловото гориво. Въпреки че част от крекинга и особено хидрокрекинга дават възможност за увеличаване на количеството на качествено дизелово гориво, основната част от него е продукт на атмосферна дестилация от суров нефт, а това лимитира количеството му. Изискванията към емисиите пък създават нужда от увеличаване на дълбочината на хидроочистването на сярата в него, и повишаване на цетановото число през промяна на типа на част от въглеводородите (за което ще стане дума по-късно), които допълнително оскъпяват процеса. В голяма степен фактът че дизелът не намира почва в Америка дори в апогея му в Европа се дължи и на ниските данъчни ставки за горивата в Щатите, при които разходът на гориво не е толкова определящ. Освен това за разлика от европейците американците не толерират дизеловия двигател и поставят към него същите изисквания към нивата на емисии. Едва през последните години последните в Европа обаче бяха реално достигнати с помощта на сложни системи за допълнително очистване като филтри за твърди частици, DeNox катализатори и технологии на селективна каталитична редукция SCR, често реализирани като с двойни системи работещи в зависимост от режимите. 

Има и други причини за трудностите пред дизеловия двигател още преди скандала с емисиите. В началото на XX век, високотехнологичните разработки в областта на дизеловите двигатели насочват производствата на горива в тази насока. Ясно изразените диспропорции и недостиг в Европа повишават цената на продукта, чийто недостиг в голяма степен се балансира от внос от Америка, а европейските рафинерии изнасят бензини към САЩ. Това е още едно важно обяснение на факта защо европейските автомобилни компании започват да не разчитат на дизеловия двигател като на спасител – дизеловото гориво просто започва да не достига. Насочването към даунсайзинг включващ допинг технологии за бензиновия двигател в лицето на турбокомперсорите и директното впръскване, в голяма степен се дължи на факти които изискват по-дълбоко познаване на ситуацията. За разлика от дизела високите налягания в бензиновите двигатели водят до трудно контролируеми процеси, поради което двигателите с турбокомпресори пък изискват горива с по-високо октаново число, които както ще видим водят до нови предизвикателства за конструкторите. Така проблемите непрекъснато рекушират един върху друг. 

След дизеловия скандал през 2015 г. махалото още повече се насочва към бензиновия двигател, но въпреки навлизането на електрически автомобили на пазара потреблението на петролни продукти отново нараства. Товарният и лекотоварният транспорт са големи консуматори на дизелово гориво, а задвижваните с дизелови двигатели автомобили все още са много за да не оказва това съществено натиск върху потреблението му. Пазарът на суров петрол се свива от 99 милиона барела дневно на 82 милиона барела дневно през април 2020 г. и на 70 милиона през юни 2020 г. не поради пазарни причини, а заради пандемията. Преди да Русия да започне войната в Украйна се смяташе че през 2022 година отново ще бъде достигнато дневното потребление от около 99 милиона барела. Сега обаче цялостната  картина с производство и потребление ще се промени.     

Изводът от всичко това е че пазарът на нефтопродукти е сложна комбинация от фактори и адаптиращ се към потреблението. Това включва както гъвкавостта на работата на рафинериите, така и възможността за трансфер на различни нефтопродукти в зависимост от производството и потреблението. Към това трябва да добавим в уравнението и необходимостта от смесване с биопродукти като биоетанол и биодизел, които също трябва да отговарят на определени стандарти. Важен фактор в бъдеще ще са синтетичните горива базирани на процеси като Gas-to-Liquid и Biomass-to-Liquid, с източници природен газ и биомаса и съответните клонове на икономиката.

.    

.   

Всички добре знаем, че ако нагряваме водата при атмосферно налягане, равно на налягането на морското равнище, тя започва да кипи при 100 °С. Колкото и да я нагряваме, тя ще запази тази температура, изпарявайки се интензивно. 

Чистото химично съединение, наричано вода, обаче е еднокомпонентна течност. За разлика от нея нефтът е изграден от множество въглеводородни химични съединения с различен размер на молекулите – от разтворените газове, най-простият от които е метанът, състоящ се от четири водородни и един въглероден атом до сложни тежки съединения с формули като например С85Н60 – молекула, съдържаща 85 въглеродни атома. Всяко едно от веществата с различна структура и тегло на молекулите има своя собствена температура на кипене и на този факт се основава първичната преработка на нефта – атмосферната дестилация. Ако поднесем към съд със суров нефт горелка и започнем да го нагряваме, ще видим, че при достигане на температура от 65 °C например той ще започне да кипи. Ако поддържаме нивото на температурата по-продължително, ще забележим, че скоро този процес ще престане. Ако започнем отново да нагряваме нефта, например докато достигне 230 °C, той отново ще започне да кипи и след известно време отново ще престане. Можем да повтаряме това отново и отново и все повече нефт ще се изпарява и все по-малко ще остава в съда. Вероятно вече сте разбрали за какво става дума. Първоначално се изпаряват въглеводородите с температура на кипене, по-ниска от 65 °C, след това тези, които кипят в интервала от 65 °C до 230 °C. По този начин може да се начертае т. нар. „крива на изпарение” на всеки вид суров петрол. От нея може да се определи какъв процент от нефта се изпарява до определена температура, след това до следващата и т. н. Като правило колкото по-големи са молекулите, толкова по-висока е температурата на кипене. Например пропанът С3Н8 кипи при -42 °С, бутанът С4Н10 при –0,5 °C, деканът С10Н22 при 174 градуса. Веществата с различна температура на кипене са условно разделени на групи, които кипят в определени граници. Наричат ги фракции.

Има ръкописи още от древността, описващи нефта е многокомпонентна течност. На тази база, след анализите на професор Бенджамин Сълиман, е започнала и преработката на нефта в полетата на Пенсилвания и Баку. С помощта на дестилация от него се извлича тази смес от химически съединения, която наричаме керосин и която върши идеална работа за осветление. 

За да ни стане ясно за какво става дума, достатъчно е да хвърлим един бегъл поглед в цеховете на някое просто предприятие за производство на алкохол, основният процес в което е дестилацията. 

За целта е необходим един казан за варене на ракия и в това няма нищо смешно, тъй като именно по този начин работят първите „рафинерии”. След ферментацията на продукта – процес на превръщане на въглехидратите от гроздето, сливите и прочие в спирт (етанол), получената смес се нагрява в съда, обикновено метален цилиндър, до температурата на кипене на етанола. Този т. нар. „светъл продукт” започва да се изпарява, парите му попадат в охлаждаща серпентина, където кондензират и отново се втечняват. Това е то – готовата ракия. Ако разбира се, производителят желае качеството на продукта да е по-високо, той прекарва тази течност отново през друго дестилационно устройство. Така увлечените при първата обработка по-тежки неспиртови примеси вече се филтрират. По това, а и дълго след това всичко останало се изхвърля. 

Подобен процес е протичал и в първите нефтопреработващи предприятия. Те са можели да извършат и двустепенно нагряване с два или три казана, с което последователно да разделят фракциите. Това, което се отлага на дъното на първия казан, е гъст остатък, от който могат да се произведат масла. Нерядко, особено през първите години на нефтената промишленост, той просто е изхвърлян или изгарян. Разбира се, с повишаване на изискванията за по-точното разделяне на съединенията и с развитието на техническия прогрес този цикъл и устройствата стават далеч по-сложни. Нефтът първоначално се очиства от различни примеси, а в котлите се нагрява до температура между 320 и 410 °С, след което полученият дестилат се изпраща в т. нар. „ректификационна колона”, при което фракциите се отделят значително по-прецизно.

.

. 

Както казахме ембрионалното развитие и кърмаческите години на автомобила не са неразривно свързани с нефта. Известният керосин не се оказва нито по вкуса на двигателя на Ото, нито на създадения по-късно мотор на Рудолф  Дизел. Въпреки това, първоначално ще има мнозина ентусиасти, които упорито се мъчат да тъпчат моторите с тази трудносмилаема храна. Двигателят с вътрешно горене поема по своя самобитен път, захранван със светилен газ, продукт на деструктивната дестилация на въглища, а след създаваното на първите смесителни устройства, известни по-късно като „карбуратори”, често ще използва и спирт, или другояче казано, етилов алкохол, получаван от ферментацията на различни земеделски продукти. 

Малко след патентоването на машината на Льоноар в ръцете на търговския пътник от Кьолн Николаус Аугуст Ото попада списание в което се описва работата на този двигател. Ото е обладан от идеята на Льоноар и още повече от магията на изобретателството и започва експерименти със собствени прототипи, някои от които работят с етилов алкохол. В процеса на своята работа Ото разбира че предварителното сгъстяване на сместа, вместо запалването и в хода на разширяването води до много ефективно изгаряне. В резултат от това се ражда първият четиритактов двигател включващ всмукателен, сгъстяващ, работен и изпускателен такт. Създадената с помощта на захарния магнат Ойген Ланген фирма Deutz започва производството на двигатели за промишлени нужди захранвани със споменатия по-рано светилен газ. Заслугата за раждането на автомобила обаче не е на Ото, а на главния инженер на неговия завод Готлиб Даймлер. Тъй като той възнамерява да проектира лек бърозообратен двигател, който да монтира на каляска, което е в противоречие с намеренията на Ото, Даймер и неговият добър приятел Вилхелм Майбах започват разработките сами.

. 

.

Но тази история е добре известен факт. По-важно тук е да се споменем че за новата си идея те се нуждаят и от ново гориво, което трябва да бъде пренасяно по-лесно и да може да се изпарява в приемливи условия. Първоначалните експерименти с керосин и малко по-леката фракция лигроин удрят на камък. На ход идва още по-лекият бензин, който се оказва най-подходящ за целта, а изпарението му се осъществява в устройство с натопено като фитил парче плат. Преломът настъпва през 1893 г., когато Вилхелм Майбах едновременно с унгарците Донат Банки и Янош Чонка създава нов вид карбуратор – усъвършенстван вариант на устройството, в което течният бензин се превръща в пара. Той разполага с малки отвори за фино разпрашаване, наречени жигльори, а много скоро след това използваният за запалване на сместа открит пламък в първите мотори е заменен със специална нагорещена до червено тръбичка. Истинската революция в конструкцията на ДВГ обаче настъпва в мига, когато известният конструктор и предприемач Роберт Бош изобретява магнетното запалване, генериращо високо напрежение, и запалителната свещ. Оттук насетне прогресът е толкова бърз, че още през 1899 г. четирицилиндровият Daimler Phoenix вече разполага с мощност от цели 23 к. с. Независимо от тези на Даймлер в подобна насока вървят и разработките на Карл Бенц. 

И така – блестящата идея на Даймлер е реализирана, а горивото е открито. Но това не означава че то е единственото. Бензините добити директно от атмосферна дестилация са с много ниско октаново число и степента на сгъстяване дълги години няма да надвишава 4-5:1. Утвърждаването му ще трябва да премине през дълга борба с етиловия алкохол, който също притежава отлични качества, като високо-октаново число и по-пълноценно горене поради наличието на кислород в молекулите му. И все пак етанолът има и недостатъци като по-големият разход заради по-ниската си енергийна стойност и затруднен старт дължащ се на по-високата  топлина на изпарение. Тези факти заедно с все по-изобилното количество нефт, усъвършенстването на процесите на рафиниране и най-вече – откриването на тетраетиловото поставят кръст на това гориво.

. 

Идеята на Рудолф Дизел коренно се различава от залегналата в основата на двигателите, работещи по принципа на Ото. „В моя двигател въздухът ще се сгъстява много по-силно, след което, в последният момент, се впръсква горивото”, убедено твърди германският инженер. „Повишената температура ще води до самовъзпламеняване на горивото, а високата компресия ще го направи много по-икономичен”. Идеята на Дизел е изключително рационална, но той няма и капка представа какво ще е поведението на горивото, което ще впръска в цилиндрите на своите двигатели. Първоначално смята че благодарение на високото налягане неговият двигател ще може да се захранва със суров петрол, което показва колко рудиментарни по това време са познанията в тази област. Двигатели с вътрешно горене и чисто нефтено задвижване все пак ще бъдат създадени по-късно от шведския инженер Йонас Хеселман, чийто двигател се запалва със свещ и има директно впръскване на горивото в цилиндрите (неговата машина се стартира на бензин за да достигне работна температура след което преминава на тежко гориво. Поради ниската си степен на сгъстяване обаче тази температура не е достатъчно висока, в резултата от което влошеното и непълно горене водят до образуване на нагар по свещите и много вреден пушек). 

Първият опит на Дизел с керосин, в машиностроителната фабрика в Аугсбург (известният днес завод за производство на тежкотоварни автомобил MAN), е неуспешен, а двигателят се разлита на парчета. Експерименталната машина заработва едва когато и Дизел преминава към използването на по-тежка нефтена фракция, наречена по-късно в негова чест „дизелово гориво”. Така двата нови топлинни двигателя, които се раждат в този период, ще използват две фракции, различни от керосиновата: бензиновият – по-лека, а дизеловият – по-тежка. Това обаче не означава че Дизел е напълно убеден че е открил подходящото гориво. Някои от прототипите му се задвижват с близкото като химическа структура растително (по-точно фъстъчено) олио. В това отношение двигателят на Дизел се оказва облагодетелства – още от самото начало той получава перфектно гориво, докато както по-рано споменахме ефективността на бензиновия е ограничена не само поради конструкцията му, но и поради факта че естеството на горивото ограничава ефективността му. Неслучайно спортните автомобили в продължение на дълъг период от време се задвижват с високооктанови смеси включващи бензол и алкохоли като етанол и метанол. 

. 

Текст: Георги Колев