„co je v naftě?“je otázka se dvěma odpověďmi, jedna velmi krátká a druhá velmi dlouhá. Krátká odpověď je uhlovodíky. Uhlovodíky, jak název napovídá, jsou molekuly vyrobené z vazeb vodíku a atomu uhlíku. Uhlovodíky jsou součástí každého fosilního paliva – a biopaliva -, které je činí cennými. Uhlovodíky jsou molekuly fosilních paliv a biopaliv, které se vznítí, spalují, hoří, explodují atd.
na molekulární úrovni jsou fosilní paliva jednoduše uhlovodíky a kontaminanty. Biopaliva jsou také uhlovodíky na elementární úrovni. Nafta je tedy jednoduše kombinací různých uhlovodíků. Právě směs uhlovodíků — poměr různých uhlovodíků — činí z nafty jedinečné fosilní palivo.
důležitější než ptát se, co je v naftě, je ptát se, jaké uhlovodíky jsou v naftě a v jaké kombinaci.
třídy uhlovodíků určují typy fosilních paliv a biopaliv
stejně jako existují různé typy fosilních paliv a biopaliv, existují různé kategorie, třídy a typy uhlovodíků. Kategorie, třídy a typy uhlovodíků určují typ paliva-nafta — benzín, zemní plyn, petrolej atd. — stejně jako různé druhy biopaliv.
existují dvě kategorie uhlovodíků fosilních paliv: nasycené a nenasycené. A existují čtyři typy tříd uhlovodíků, dva v nasycené kategorii a dva v nenasycené kategorii. Chevron.com technická kniha Diesel Fuels Technical Review nastiňuje čtyři třídy, “ existují čtyři hlavní třídy uhlovodíků: parafiny.“, nafteny, olefiny, a aromatické látky. Každá třída je rodina jednotlivých molekul uhlovodíků, které sdílejí společný strukturální rys, ale liší se velikostí (počet atomů uhlíku) nebo geometrií. Třídy se také liší v poměru vodíku k atomům uhlíku a ve způsobu, jakým jsou atomy uhlíku navzájem spojeny.“
olefiny-také známé jako alkeny – a aromáty jsou nenasycené uhlovodíky. Alkany jsou jediné nasycené uhlovodíky, které se přirozeně vyskytují v surovém oleji.
charakteristiky tříd uhlovodíků
velké molekuly uhlovodíků a dlouhé a komplexní řetězce molekul uhlovodíků se rovnají větší hustotě paliva. Hustota paliva je množství energie v každém objemu paliva, množství energie v galonu nebo litru nafty, například. Lehká paliva jako benzín a plyn-státní paliva-zemní plyn (metan), propan atd. – sestávají z malých uhlovodíkových molekul a krátkých molekulových řetězců. Výsledkem je, že lehká paliva mají nízkou hustotu energie.
Velké uhlovodíky a dlouhé řetězce molekul uhlovodíků obsahují většinu uhlovodíků v těžkých palivech, jako je motorová nafta, motorová nafta a bunkrové palivo (zbytkový olej). Je to proto, že velké uhlovodíkové molekuly a molekulové řetězce mají vysokou hustotu energie. Kromě velikosti a délky molekul uhlovodíků hrají roli v hustotě poměry uhlík-vodík. Počet atomů uhlíku ve vztahu k atomům vodíku určuje hmotnost a hustotu paliva. Čím větší je počet atomů uhlíku-nebo méně atomů vodíku-v poměru uhlík-vodík molekuly, tím více energie je palivo hustší.
uhlovodíky s vysokým poměrem vodík-uhlík jsou lehčí než uhlovodíky s vyšším poměrem uhlík-vodík. Důvodem je, že vodík je nejlehčí prvek na Zemi. Z toho vyplývá, že fosilní paliva v plynném stavu, jako je propan a zemní plyn (metan), která mají vysoký počet vodíku na uhlík, jsou extrémně lehká. Na opačném konci spektra, hustá a těžká fosilní paliva, jako je motorová nafta a topný olej, mají vysoký obsah uhlíku.
čím větší je poměr uhlík-vodík, tím větší je hustota paliva.
uhlovodíky a hustota paliva
hustota energie ovlivňuje vše od najetých kilometrů plynu a emisí po životnost motoru. Počet najetých kilometrů plynu, emise-znečištění-a opotřebení motoru jsou produkty velikosti molekuly uhlovodíku a délky řetězce molekuly uhlovodíku.
čím vyšší je poměr uhlík-vodík, tím více energie v palivu a čistší palivo hoří. Například, hustota energie galonu benzínu je podstatně menší než hustota energie galonu nafty. „Nafta a benzín mají zhruba stejnou energii na jednotku hmotnosti (nižší topná hodnota, asi 41 MJ / kg). Hustota nafty je asi 833 kg / m3 ve srovnání se 740 kg/m3 u benzínu. To dává naftu o 13% vyšší hustotu energie na objem, “ podle StackExchange.com.
výsledkem je — alespoň částečně — dieselové motory jsou o 25 až 35 procent úspornější než jejich protějšky benzínových motorů a vydrží dvakrát až třikrát tak dlouho.
čtyři třídy uhlovodíků
opět existují pouze čtyři třídy uhlovodíků: parafiny, nafteny, olefiny a aromáty. Protože existují pouze čtyři třídy uhlovodíků, nutně to znamená, že uhlovodíky ve fosilních palivech spadají do jedné ze čtyř tříd. Existují však stovky různých typů uhlovodíků v naftě, stejně jako každý jiný typ fosilních paliv.
samotná nafta obsahuje více než 500 různých typů uhlovodíků. A mnoho uhlovodíků v naftě existuje také v benzínu a jiných fosilních palivech. Zatímco fosilní paliva mají společné uhlovodíky, je to poměr molekul velkých a malých uhlovodíků, které oddělují fosilní paliva. V každém fosilním palivu existuje vzorec pro uhlovodíkovou směs.
podobně existuje uhlovodíkový vzorec pro naftu.
kategorie A třídy uhlovodíků v motorové naftě
čtyři třídy uhlovodíků spadají do jedné ze dvou kategorií. Bez ohledu na to, do které ze čtyř tříd uhlovodík spadá, je uhlovodík buď nasycený uhlovodík, nebo nenasycený uhlovodík. Poměr nasycených uhlovodíků k nenasyceným uhlovodíkům se u nafty liší.
ale poměr je obvykle kolem čtyř nasycených uhlovodíků ke každému nenasycenému uhlovodíku.
pokud jde o třídy uhlovodíků, uhlovodíky v motorové naftě spadají do jedné ze tří kategorií: parafiny, aromatické látky a nafteny. Olefiny jsou velmi neobvyklé v motorové naftě, protože jsou neobvyklé v ropě. „Olefiny se v ropě vyskytují jen zřídka; jsou tvořeny určitými rafinérskými procesy.“Jak vysvětluje Oddělení pokročilých motorových paliv sítě energetické technologie,“ motorová nafta se skládá hlavně z parafinů, aromatických látek a naftenů. Motorová nafta obsahuje uhlovodíky s přibližně 12-20 atomy uhlíku a rozsah varu je mezi 170 a 360 °C.“
co jsou nasycené uhlovodíky-alkany –
nasycené uhlovodíky tvoří většinu uhlovodíků v motorové naftě. Asi 75 procent uhlovodíků v naftě jsou nasycené uhlovodíky. Stejně jako existují různé typy uhlovodíků, existují různé typy nasycených uhlovodíků nebo alkanů.
různé druhy alkanů-nasycené uhlovodíky-mají různé počty atomů vodíku a atomů uhlíku. A různé alkany mají různé poměry vodík-uhlík. V motorové naftě existují dva typy alkanů: parafiny a nafteny. „Parafiny a nafteny jsou klasifikovány jako nasycené uhlovodíky, protože k nim nelze přidat více vodíku, aniž by došlo k narušení uhlíkové páteře.“
parafinové uhlovodíky
normální parafiny jsou molekuly s jedním řetězcem. Existuje páteř atomů uhlíku. Připojené k atomům uhlíku jsou mezi jedním a třemi atomy vodíku. „Normální parafiny mají atomy uhlíku Spojené za vzniku molekul podobných řetězci, přičemž každý uhlík-kromě těch na koncích-je vázán na dva další, jeden na obou stranách.“Ale podobně jako skutečnost, že existují různá fosilní paliva, protože existují různé typy uhlovodíků — nasycené a nenasycené — existují různé druhy parafinů. Kromě normálních parafinů existují také izoparafiny.
Isoparafinové uhlovodíky
Isoparafiny mají stejnou uhlíkovou páteř jako normální parafiny. Nicméně, kromě páteře atomů uhlíku, izoparafiny mají uhlíkové větve. Důsledkem je, že jiný parafinový uhlovodík může mít stejný počet atomů uhlíku a vodíku v řetězci, ale jinou strukturu.
“ Izoparafiny mají podobnou uhlíkovou páteř,ale mají také jeden nebo více uhlíků odbočujících od páteře. Normální dekan a 2,4-dimethyloktan mají stejný chemický vzorec, C10H22, ale různé chemické a fyzikální vlastnosti. Sloučeniny, jako je tato, se stejným chemickým vzorcem, ale s odlišným uspořádáním atomů, se nazývají strukturní izomery.“
Cykloalkanové uhlovodíky (Nafteny)
kromě molekul s jedním řetězcem a molekul řetězce s větvemi se parafínové uhlovodíky také vyvíjejí do řetězců, ve kterých se oba konce spojují a vytvářejí smyčku. Parafinové uhlovodíky, které smyčkují, jsou cykloalkany nebo nafteny.
a každý typ alkanu může mít velké množství různých typů.
„za standardních podmínek teploty a tlaku (STP) jsou první čtyři členy alkanové řady (metan, ethan, propan a butan) v plynné formě a sloučeniny začínající od C5H12 (pentan) po n-heptadekan (C17H36) jsou kapaliny (tvořící velké frakce uhlovodíků nalezených v kapalných palivech (např. benzín, tryskové palivo a motorová nafta), zatímco N-oktadekan (C18H38) nebo těžší sloučeniny existují izolovaně jako pevné látky podobné vosku při STP. Tyto těžší parafiny jsou rozpustné v lehčích parafínech nebo jiných uhlovodících a lze je nalézt v motorové naftě a topných olejích. Parafiny od C1 do C40 se obvykle objevují v surovém oleji (těžší alkany v kapalném roztoku, nikoli jako pevné částice)a představují až 20% objemu ropy.“
zbývajícími složkami motorové nafty jsou aromatické látky, nenasycené uhlovodíky.
co nenasycené uhlovodíky — aromáty — jsou v naftě
aromáty jsou nenasycené uhlovodíky. Aromáty tvoří nealkany v motorové naftě. „Motorová nafta má obsah aromatických látek v rozmezí 15 až 37% objemu.“Existují tři typy aromatických látek: mono-aromatické látky, di-aromatické látky a tri-aromatické látky. Zatímco v naftě existují stovky specifických typů aromatických látek, existuje jen půl tuctu, který tvoří hlavní část současné nafty.
nejběžnější aromatické látky v naftě jsou:
- benzen
- toluen nebo methylbenzen
- m-xylen nebo 1,3-dimethylbenzen
- ethylbenzen
- Propylbenzen
- Isopropylbenzen
výhody a nevýhody aromatických látek
aromáty hrají klíčovou roli ve dvou důležitých vlastnostech nafty. Za prvé, čím větší je počet aromatických látek, tím větší je viskozita. Takže čím více aromatických látek v naftě, tím více tekutiny je. Kromě toho jsou aromatické látky těkavé uhlovodíky, což znamená, že aromatické látky pomáhají při startu chladného počasí vznětového motoru. A čím více aromatických látek, tím vyšší je cetanové hodnocení motorové nafty. Existují však i nevýhody aromatických látek, zejména s ohledem na životní prostředí.
aromatické látky při spalování produkují špinavější emise, než generují alkany. „Aromatické látky mohou vést ke karcinogenním sloučeninám ve výfukových plynech, jako jsou benzen a polyaromatické sloučeniny. Olefiny v benzínu mohou vést ke zvýšení koncentrace reaktivních olefinů ve výfukových plynech, z nichž některé jsou karcinogenní, toxické nebo mohou zvýšit potenciál tvorby ozonu.“
dobré Vs špatné uhlovodíky v motorové naftě
motorová nafta není podle tradičního ekologa“ čistým “ palivem. Důvodem jsou částice a smog spojený se spalováním nafty. Černý kouř produkovaný dieselovými motory se však téměř neliší od kouře z komínů, sopek a lesních požárů. Zatímco ošklivý, černý kouř, který dieselové motory minulosti vyráběly, byl prostě nespálený uhlovodík.
pravděpodobně nejnebezpečnějšími emisemi ze spalovacích motorů jsou neviditelné plyny, které se vyskytují v emisích. Například oxid uhelnatý se vyrábí v extrémně malých množstvích dieselovými motory. Na druhé straně benzínové motory produkují značné množství.
existuje jeden důvod-prevalence jednoho uhlovodíku nad druhým -, který odděluje naftu od ostatních fosilních paliv: nafteny. „Nafteny jsou třídou cyklických alifatických uhlovodíků nebo jednoduše cykloalkanů.“Jednoduše, nafteny jsou alkany, které smyčkují. To znamená, že nafteny jsou energeticky bohaté a extrémně husté. Ještě důležitější je, že emise z naftenů nejsou toxické.
zatímco všechna fosilní paliva mají velké množství parafinů (alkanů) a aromatických látek, ne všechna fosilní paliva mají velké množství naftenů. Místo naftenů jsou třetí složkou lehkých paliv, jako je benzín a fosilní paliva v plynném stavu, alkeny. Alkeny jsou toxické. Na základní úrovni se tedy nafta liší od benzínu a jiných lehkých plynných paliv, protože má nafteny, cenné, netoxické emise produkující uhlovodíky.
naftové uhlovodíky ve srovnání s jinými fosilními palivy
naštěstí uhlovodíky, které jsou „čisté“, jsou stejné uhlovodíky, které mají vysokou hustotu energie. Podobně ty uhlovodíky, které jsou toxické pro lidi a poškozují atmosféru a životní prostředí, jsou také ty, které nejsou energeticky husté. Zatímco nafta má problémy s emisním znečištěním, tyto problémy nesouvisejí s uhlovodíky. Zatímco síra v běžné naftě je toxická, nafta s nízkým obsahem síry je výrazně méně znečišťující než benzín.
nafta má vyšší obsah alkanů než benzín a nižší obsah aromatických látek. Kromě toho má benzín vysoký obsah alkenů. Alkeny produkují toxické emise. Spíše než alkeny obsahuje nafteny, což je forma alkanů. Alkany jsou nejčistší třídou uhlovodíků z hlediska emisí. A nafteny mají nejvyšší energetickou hustotu ze všech uhlovodíků.
pokud jde o emise uhlovodíků, je nafta nejčistším fosilním palivem.