Керосин
Общие сведения
Керосин представляет собой горючую смесь жидких углеводородов, занимающую промежуточное положение между легкой бензиновой и тяжелой мазутной фракциями. Углеродный скелет молекул, входящих в состав керосина, содержит от восьми до пятнадцати атомов углерода. Этимологически термин происходит от греческого слова «кирос», означающего «воск», и имеет английское происхождение, что связано с доминированием Британской империи в период активного внедрения данного продукта в девятнадцатом веке. Исторически в девятнадцатом столетии также широко использовалось альтернативное название «фотоген», указывающее на первоначальное главное предназначение вещества — генерацию света.
До середины девятнадцатого века для освещения применялись растительные и животные жиры (в частности, китовый жир, массовый промысел которого описан во многих исторических и литературных источниках), а также светильный газ и дорогие парафиновые свечи. Использование жиров сопровождалось выделением сильного неприятного запаха и образованием нагара. Несмотря на то, что месторождения нефти были известны человечеству давно (например, бакинские промыслы упоминаются с пятнадцатого века, а в 1823 году на Моздоке был построен первый нефтеперегонный куб), продукты нефтепереработки имели крайне ограниченное применение. Бензин использовался преимущественно как аптечный и ветеринарный антисептик или бытовой растворитель, а мазут сжигался в паровых машинах в качестве альтернативы углю.
Ситуация кардинально изменилась, когда канадский физик Абрахам Геснер в 1846 году продемонстрировал технологию получения осветительного масла из каменного угля, предложив для него название «керосин». Новое топливо давало яркий свет и практически не коптило. Вскоре было установлено, что получение керосина из нефти экономически значительно более целесообразно. В 1851 году в Англии заработала первая промышленная установка по перегонке нефти. Важнейшим технологическим прорывом стало изобретение в 1853 году во Львове безопасной керосиновой лампы (конструкция И. Лукасевича и Я. Зеха), что спровоцировало глобальный бум керосинового освещения. В 1857 году близ Баку был построен крупный нефтеперегонный завод, ориентированный исключительно на производство керосина. К 1863 году на керосиновое освещение был полностью переведен Санкт-Петербург, а в 1865 году — Москва. На протяжении длительного времени керосин оставался важнейшим бытовым товаром, которым наряду с сахаром и спичками могли выдавать заработную плату.
Широкое применение керосина для приготовления пищи (в примусах и керогазах) сохранялось вплоть до 1930-х годов. Закат эпохи массового бытового использования керосина был обусловлен развитием электрификации и автомобилестроения, потребовавшего огромных объемов бензина. Однако в период Второй мировой войны и последующего развития реактивной авиации керосин обрел новое стратегическое значение, став основным видом авиационного топлива.
Классификация
В зависимости от физико-химических характеристик, степени очистки и области применения керосин классифицируется на несколько основных групп. Важнейшей современной категорией является авиационный керосин, производство которого строго регламентировано. В Российской Федерации выпускается пять марок топлива, предназначенных для дозвуковой авиации: ТС-1, Т1, Т1С, Т2 и РТ. Для нужд сверхзвуковой авиации производятся специализированные марки Т6 и Т8.
Отдельно классифицируется керосин, применяемый в ракетной технике. В советский период для нужд космонавтики также был разработан и применялся специализированный синтетический заменитель традиционного ракетного керосина, получивший название «синтин».
В исторической ретроспективе выделялся автотракторный керосин, использовавшийся в качестве топлива для сельскохозяйственной техники первой половины двадцатого века, а также осветительный керосин, требования к которому определялись в первую очередь высотой некоптящего пламени. В химической промышленности выделяют технический керосин, служащий сырьем для органического синтеза.
Способы получения
Главным промышленным способом получения керосина является фракционная перегонка сырой нефти (ректификация). В процессе разделения углеводородных смесей по температурам кипения керосиновая фракция отбирается в температурном диапазоне, находящемся между более легкой бензиновой фракцией и тяжелым мазутом или газойлем. В девятнадцатом веке при получении керосина бензиновая фракция часто рассматривалась как бесполезный побочный продукт и попросту сжигалась или сливалась, так как технологии безопасного хранения легких углеводородов еще не были развиты.
Современные технологии производства авиационного керосина предполагают глубокую очистку исходной фракции. Обязательным этапом является гидроочистка, направленная на удаление сернистых, азотистых и кислородсодержащих соединений, которые могут вызывать коррозию деталей двигателей и ухудшать эксплуатационные свойства топлива. После очистки в базовое топливо вводится комплекс специализированных химических присадок, обеспечивающих стабильность, противоизносные и антистатические свойства. Производство авиационного керосина сопровождается строжайшим контролем качества, включающим восемь обязательных ступеней проверки на различных этапах технологической цепи для исключения малейших примесей, способных привести к аварии в полете.
Свойства
В химическом отношении керосин представляет собой сложную многокомпонентную смесь углеводородов. Базу продукта (от 20 до 60 процентов) составляют предельные алифатические углеводороды — алканы нормального и изомерного строения. Помимо алканов, в составе присутствуют циклоалканы (нафтены), ароматические углеводороды, а также некоторое количество непредельных углеводородов. Длина углеродной цепи молекул варьируется от 8 до 15 атомов.
Физические свойства керосина во многом определяют специфику его использования. По сравнению с бензином керосин обладает значительно меньшей испаряемостью, что снижает риск случайного воспламенения паров, но затрудняет запуск холодных двигателей. Детонационная стойкость (октановое число) чистого керосина крайне низка, что делает невозможным его эффективное использование в современных бензиновых двигателях внутреннего сгорания. При оценке керосина в качестве дизельного топлива его цетановое число составляет около 40 единиц, тогда как государственные стандарты для полноценного дизельного топлива требуют показателя не ниже 45 единиц.
С точки зрения токсикологии керосин классифицируется как опасное вещество. Как и прочие фракции перегонки нефти, он обладает общетоксичным и выраженным наркотическим действием на живые организмы. Пары керосина вызывают раздражение слизистых оболочек дыхательных путей и глаз. Присутствие в современных авиационных марках большого количества специализированных химических присадок делает их крайне токсичными, в связи с чем категорически не рекомендуется использовать авиационный керосин в бытовых целях (например, в качестве растворителя или для освещения).
Применение
В современном мире наиболее масштабной и стратегически важной сферой применения керосина является авиация. Авиационный керосин служит моторным топливом для газотурбинных двигателей подавляющего большинства летательных аппаратов. В авиационной технике функции керосина не ограничиваются только сгоранием с выделением энергии: он также выступает в роли эффективной смазки для прецизионных деталей топливных систем, применяется в качестве хладагента в бортовых теплообменниках, а в двигателях сверхзвуковых самолетов выполняет функцию рабочей жидкости в гидроцилиндрах, управляющих регулированием проходного сечения реактивного сопла.
Вторым важнейшим направлением является ракетная техника. Использование керосина в жидкостных ракетных двигателях в паре с жидким кислородом было научно обосновано еще Константином Эдуардовичем Циолковским в 1914 году. Данная топливная пара успешно применялась и продолжает применяться в советских и российских ракетах-носителях семейств «Союз», «Зенит», «Энергия», «Ангара», а также в американских ракетах серии «Дельта».
В автомобильной промышленности керосин находит ограниченное применение в качестве зимней добавки к дизельному топливу. Для предотвращения замерзания (загустевания) дизельного топлива при экстремально низких температурах допускается добавление до 20 процентов керосина, что эффективно снижает температуру застывания смеси. Использование керосина в качестве чистого дизельного топлива возможно только при условии введения специальных присадок, повышающих цетановое число.
В нефтехимической промышленности технический керосин используется в процессах тонкого и тяжелого органического синтеза. Он является сырьем для пиролиза с целью получения легких олефинов (этилена и пропилена), из которых впоследствии синтезируют различные виды пластмасс, а также для выделения ароматических углеводородов.
В бытовой и хозяйственной сферах традиционный (не авиационный) керосин продолжает использоваться в качестве растворителя для снятия старых лакокрасочных покрытий, очистки металлических деталей от ржавчины и технических загрязнений. В отдаленных районах он может применяться в резервных источниках света (керосиновых лампах) и приборах для приготовления пищи (керогазах и примусах). Специфической областью использования керосина является индустрия развлечений, где он традиционно служит основным горючим веществом для организации огненных шоу из-за оптимального сочетания горючести, температуры пламени и относительной безопасности при соблюдении техники работы с огнем. Историческое применение керосина в качестве основного топлива для сельскохозяйственных тракторов в настоящее время полностью прекращено по причине низкой эффективности и необходимости установки дополнительных баков с бензином для запуска холодного двигателя.