شاخص ستان

 مروری بر محاسبه شاخص ستان سوخت دیزل و فراورده های نفتی از طریق معادله چهار متغییره

 

چکیده

شاخص ستان، اندازه گیری نسبی تاخیر زمانی بین تزریق سوخت به محفظه و شروع احتراق است. سوخت برای موتورهای احتراق تراکمی، باید به راحتی از بین برود. احتراق در فاز گاز اتفاق می افتد. بنابراین ، برای یک سوخت مایع ، اولین گام ها به سمت اشتعال شامل انتقال از مایع به گاز است. زمان مورد نیاز برای این انتقال "تاخیر فیزیکی" در احتراق است و شامل مدت زمان مورد نیاز برای یک قطره سوخت برای گرم شدن ، بخار شدن و مخلوط شدن با هوای گرم در سیلندر است. اگر هنگام تزریق سوخت به داخل سیلندر به سرعت رخ ندهد ، سوخت و هوا از پیش مخلوط شده جمع می شوند به گونه ای که هنگام احتراق سرعت سوختن خیلی سریع صورت می گیرد. سوختن سریع باعث افزایش فشار می شود که می تواند منجر به ضربه موتور شود که این مورد می تواند  باعث کاهش کارایی و آسیب رساندن به موتور شود. بنابراین، توانایی درجه بندی کیفیت اشتعال سوخت های احتراق فشاری برای فرمولاسیون سوخت دیزل مهم است. بدون کیفیت جرقه زنی سوخت (تعداد ستان به اندازه کافی)، موتور به سختی روشن می شود و ضعیف کار می کند.
کلمات کلیدی: عدد ستان ، احتراق ، تاخیر فیزیکی ، سوخت.

 

1- مقدمه

 

از پارامترهای کيفی احتراق سوخت, شاخص ستان می باشد که نشان دهنده درجه آرام سوزی و کيفيت سوخت ديزل است. يکی از روش هایی که بدون صرف هزينه و زمان زياد می توان اين پارامتر را اندازه گيری نمود، استاندارد  INSO 8525 می باشد. این استاندارد برای سوخت های بخش میانی برج تقطیر حاصل از منابع نفتی کاربرد دارد.
در سال های اخير بدليل کاهش منابع سوخت های فسيلی و مسائل زيست محيطی و قابليت تجديدپذيری سوخت های بيوديزل تحقيقات وسيعی در راستای امکان استفاده از آن به جای سوخت گازوييل انجام يافته است. منابعی به عنوان سوخت جايگزين می توانند مطرح شوند که اولا منابعی ارزان قيمت و در دسترس (عدم وابستگی به منطقه جغرافيایی) بوده و ثانيا دوست دار محيط زيست باشند که از آن جمله می توان به سوخت های بيولوژيکی به عنوان يک پيشنهاد اشاره کرد. مواد بيولوژيک پايه آلی داشته و به عنوان منابع انرژی قابل بازيابی، قابليت مستقيم به انرژی و يا مواد حامل انرژی را دارند. يکی از مهم ترين سوخت های بيولوژيک, بيوديزل ها می باشند. بيوديزل را می توان از روغن های گياهی تازه يا کارکرده و چربی های حيوانات توليد نمود. استفاده از روغن های گياهی به طور مستقيم در موتور ديزل، با توجه به ويسکوزيته ی بالای روغن، باعث بوجود آمدن مشکلاتی از قبيل پايين بودن اشتعال و احتراق ناقص سوخت می شود. از طرف ديگر با تشکيل لایه های از سوخت محترق نشده روی ديواره ی سيلندر، کار سيستم روانکاری را مختل می نمايد. از جمله مهم ترين فرآيندها در موتورهای احتراق داخلی، فرآيند احتراق می باشد.

 

زمان مورد نیاز برای انتقال سوخت از حالت مایع به گاز تاخیر فیزیکی در احتراق می باشد. از پارامترهای مهم در فرآيند احتراق،  درجه آرام سوزی سوخت است که نشان دهنده کيفيت احتراقی سوخت می باشد که موارد زیر در مورد تاخیر فیزیکی نقش دارند:

تراکم و دمای هوا در سیلندر
سرعت و تلاطم هوا
اتمی شدن ، نفوذ و شکل اسپری

- دانسیته

- ویسکوزیته

- کشش سطحی

- تقطیر

- آنتالپی تبخیر

- فشار بخار

- اشتعال

 

به دنبال فرآیندهای فیزیکی تبخیر و اختلاط هوا ، توالی واکنش های شیمیایی رخ می دهد که در آن سوخت فاز گاز با اکسیژن واکنش نشان می دهد. به منظور اشتعال ، سوخت باید تا دمای کافی گرم شود تا برخی از پیوندهای ضعیف درون مولکول ها شکسته شوند و رادیکال تشکیل دهند. سرعت محدود این واکنش های اکسیداسیون تشکیل رادیکال مسئول تاخیر شیمیایی در احتراق فشاری است. هنگامی که رادیکال های آزاد به غلظت کافی رسید، شعله ور شدن (اشتعال) سریع اتفاق می افتد. برای تخمين درجه ی آرام سوزی سوخت، از عدد ستان و استفاده ميکنند. 

 

2- اصول شاخص ستان

 

2-1- سوخت های مرجع

 

در طول دهه 1930 ، بویرلگ 9 و بروزی 10 از آزمایشگاه دلفد در هلند به دنبال روشی برای تعیین کیفیت اشتعال سوخت دیزل بودند که شبیه به روش درجه بندی اکتان برای بنزین با استفاده از دو سوخت هیدروکربن مرجع شامل 1- هگزا دکان و α-متیل نفتالین بود.

 اولین سوخت مرجع ، 1- هگزا دکان ، که همچنین به عنوان ستان شناخته می شود ، مانند شکل 1 (ساختار 1-هگزادکان) ساختار زنجیر مستقیم و طولانی دارد و به راحتی اکسید می شود. به این سوخت عدد ستان 100 اختصاص داده شد.

 

دومین سوخت مرجع ، α-متیل نفتالین ، دارای دو حلقه آروماتیک است ، همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است ، و در برابر احتراق  خودکار بسیار مقاوم است. به این سوخت عدد ستان صفر در نظر گرفته شد که عدد ستان یک سوخت (از نظر جرم) در مخلوطی از 1- هگزا دکان و α-متیل نفتالین است که عملکرد همان اشتعال سوخت مورد آزمایش را نشان می دهد.

 

شکل 2: ساختار α-متیل نفتالین

 

در یک موتور دیزلی طی مرحلۀ اول هوای خالص مکش می شود. در طول مرحلۀ دوم هوا فشرده شده و دمای آن افزایش می یابد تا اینکه سوخت به داخل سیلندر تزریق گردد. پس از رسیدن به شرایط احتراق سوخت به طور خود به خود و بدون جرقه زدن شمع، در اثر فشار و دمای بالا می سوزد و در مرحلۀ سوم سیلندر منبسط می شود. نهایتاً در مرحلۀ چهارم گازهای حاصل از احتراق از طریق اگزوز از محفظه خارج می شوند. با توجه به موارد ذکر شده، ساختار شیمیایی گازوئیل به عنوان سوخت موتور دیزلی و شرایط موتور دیزل باید به نحوی باشد که امکان احتراق خود به خود داخل محفظۀ احتراق را تسهیل کنند. (شکل 3 و 4)

 

شکل 3: عملکرد چهار زمانه موتور دیزلی برای احتراق

 

 

شکل4: نحوه احتراق سوخت؛ احتراق منظم (a) احتراق نا منظم (b)

 

بهبود عدد ستان سوخت های دیزلی معمولاً به وسیلۀ یک سری مواد افزودنی که به احتراق خود به خودی داخل موتور کمک می کنند انجام می شود. این مواد افزایندۀ عدد ستان اصطلاحاً پروستان (Pro – Cetane) نامیده می شوند. پروستان ها اکسیدکننده های ناپایداری هستند که در اثر تجزیه، رادیکال های آزاد تولید می کنند و فرآیند احتراق خود به خود در داخل موتور دیزل را تسهیل می‌ کنند. دو گروه از ترکیبات آلی به نام پراکسیدها (R – O – O – Rˊ) و نیترات ها از مواد معروف افزاینده عدد ستان هستند. با توجه به هزینه کمتر، در دسترس بودن و استفاده راحت تر معمولاً از نیترات‌هایی مانند اتیل هگزیل نیترات به عنوان پروستان بهبود دهنده عدد ستان استفاده می‌ شود.

 

گستره پیشنهادی خواص سوخت برای کاربرد این استاندارد مطابق جدول 1 می باشد:

جدول 1: گستره پیشنهادی خواص سوخت

 

2-2- دانسیته

 

برای تعیین دانسیته و دانسیته نسبی نفت خام ، فراورده های نفتی یا مخلوط های از فرآورده های نفتی و غیر نفتی که در حالت عادی به صورت مایع حمل می شوند و دارای فشار بخار 101.325 کیلوپاسکال یا کمتر  با استفاده از روش هیدرومتر مطابق استاندارد ملی INSO 197 صورت میگیرد.
دانسیته، مطابق شکل 5 در دمای محیط آزمایش شده و با استفاده از مجموعه ای از محاسبات و جدول های استاندارد بین المللی به معادل آن در دمای 15 درجه سانتی گراد یا 60 درجه فارنهایت تصحیح می شوند.

 

 

شکل 5: قرائت مقایس هیدرومتر برای فراورده های نفتی

 

هیدرومتر که با نام چگالی‌سنج نیز شناخته می‌شود، تجهیزی (شکل 6) است که به کمک آن میتوان چگالی نسبی سیالات مختلف را اندازه‌گیری کرد. هیدرومترها باید تصدیق شده یا تایید شده باشند. تصدیق باید با مقایسه با یک هیدرومتر تایید شده یا به وسیله استفاده از یک ماده مرجع تایید شده ویژه برای استفاده در دمای مرجع انجام شود.

شکل 6: هیدرومتر اندازه گیری دانسیته

 

3-2- تقطیر در اتمسفر

 

به منظور تعیین دماهای 10% ، 50% و 90% (حجمی /حجمی) از نمونه بازیافت شده مطابق استاندارد ملی INSO 6261  صورت می¬گیرد. نمونه بر اساس  ترکیب، فشار بخار، نقطه جوش اولیه یا نقطه جوش پایانی و یا هر دو در یکی از چهار گروه مطابق جدول 2 قرار می گیرد. ترتیب قرارگیری دستگاه، دمای مبرد و دیگر متغیرهای عملیاتی توسط گروهی که نمونه در آن قرار می گیرد، مشخص می شوند. 100  میلی لیتر نمونه (با توجه به گروهی که قرار دارد) تقطیر می شود. تقطیر در یک دستگاه تقطیر ناپیوسته آزمایشگاهی در فشار محیط و در شرایطی طراحی می گردد که به طور تقریبی معادل تقطیر جزء به جزء با یک سینی تئوری می باشد (شکل 5). اجزاء اصلی دستگاه تقطیر عبارتند از:

بالن تقطیر، مبرد، حمام سرد کن، یک محفظه فلزی یا حصار برای بالن تقطیر، منبع حرارت، نگه دارنده بالن، وسیله اندازه گیری دما (برای گستره های دمای پایین از دماسنج های ASTM 7C/IP 5C و گستره دمای بالا دمایی از دماسنج ASTM 8C/IP 6C ) و استوانه دریافت کننده برای جمع آوری محصول تقطیر.

 

جدول 2: مشخصات گروه ها

 

دماهای خوانده شده در بازه های حجمی 10%، 50% و 90% را نسبت به فشار 760 میلی متر جیوه تصحیح گردد. برای هر انجام تصحیح با استفاده از معادله (سیدنی یانگ) طبق رابطه زیر انجام گردد:

CC = 0.00012 (760 - P)*(273+tc)

که در آن:
CC: تصحیح هایی که باید به صورت جبری به دمای خوانده شده اضافه گردد.
P: فشار خوانده شده در زمان و محل آزمون 
tc: دمای خوانده شده (℃)

شکل 5 : مجموعه دستگاه تقطیر

 

3- اندازه گیری شاخص ستان

 

در محدوده گستره پیشنهادی عدد ستان (32.5  تا 56.5 )، خطای مورد انتظار از طریق معادله شاخص ستان ، برای 65% سوخت های حاصل از تقطیر، کم تر از 2± عدد ستان خواهد بود . خطا برای سوخت هایی که خواص آن ها خارج از گستره پیشنهادی کاربرد است، ممکن است بزگ تر باشد.

 

 

CI = 452 + 0.0892T10N + (0.131 + 0.90IB) T50N + (0.0523 – 0.42B) T90N + ....... + 0.00049 (T_10N^2-T_90N^2) + 107B + 60B2

 

که در آن: 

T10N = T10 – 215,
T50N = T50 – 260,
T90N = T90 – 310,

T10 دمای بازیابی 10% (حجمی / حجمی) تقطیر بر حسب درجه سلسیوس
T50 دمای بازیابی 50% (حجمی / حجمی) تقطیر بر حسب درجه سلسیوس
T90 دمای بازیابی 90% (حجمی / حجمی) تقطیر بر حسب درجه سلسیوس

B=[〖exp〗^((-0.0035 DN) ) ]-1

DN = D – 850

 

D چگالی در دمای 15 درجه سانتی گراد (kg/m^3 )

یک مثال از روش معادله برای یک سوخت با شاخص ستان 53.69  مطابق جدول 3 و 4 نشان داده شده است.

 

 

جدول 3: نتایج آزمایش تقطیر در اتمسفر و دانسیته

 

 

جدول4: نتیجه محاسبه شده شاخص ستان برای نمونه سوخت با استفاده از معادله

 

2-3-اندازه گیری شاخص ستان (CI) با استفاده از نمودار

 

از روی نوموگراف در شکل های 7،6، و 8 برای بدست آوردن شاخص ستان به صورت زیر استفاده گردد:
الف) دانسیته و مقادیر دماهای بازیابی 50% (حجمی/ حجمی) تقطیر را در شکل 6 وارد گردد تا تخمینی از شاخص ستان سوخت به دست آید.

شکل6: شاخص ستان – تخمین بر اساس چگالی و دمای بازیابی 50% تقطیر

 

CI شاخص ستان
T50 دمای بازیابی 50% تقطیر بر حسب درجه سلسیوس
D چگالی در دمای 15 درجه سانتی گراد بر حسب کیلوگرم بر متر مکعب

ب) دانسیته و مقادیر دماهای بازیابی 90% (حجمی/ حجمی) تقطیر را در شکل 7 وارد گردد تا ضریب تصحیح برای انحراف در این پارامترهای حاصل از مقادیر میانگین تعیین شود. 

شکل7: تصحیح شاخص ستان برای انحراف های حاصل از مقادیر میانگین بر اساس چگالی و دمای بازیابی 90% تقطیر

 

CIC1 تصحیح شاخص ستان
T90 دمای بازیابی 90% تقطیر بر حسب درجه سلسیوس
D چگالی در دمای 15 درجه سانتی گراد بر حسب کیلوگرم بر متر مکعب

 

پ) مقادیر دماهای بازیابی 10% و  90% (حجمی/ حجمی) تقطیر را در شکل 8 وارد گردد تا دومین ضریب تصحیح برای انحراف در این پارامترهای حاصل از مقادیر میانگین تعیین شود. 

 

شکل8: تصحیح شاخص ستان برای انحراف های حاصل از مقادیر میانگین بر اساس  دمای بازیابی 90% و 10% تقطیر

 

CIC2 تصحیح شاخص ستان
T90 دمای بازیابی 90% تقطیر بر حسب درجه سلسیوس
T10 دمای بازیابی 10% تقطیر بر حسب درجه سلسیوس

 

4- نتیجه گیری

هدف از نگارش این مقاله، نگاهی به استاندارد ملی INSO 8525 جهت تعیین شاخص ستان سوخت های دیزلی و فراورده های نفتی می باشد. تعیین عدد ستان نياز به موتور مخصوص دارد و از طرفی آزمايش آن پر هزينه و وقت گير است. لذا برای تخمين درجه  آرام سوزی سوخت، معمولا به جای عدد ستان از شاخص ستان استفاده گردد. شاخص ستان، روش جایگزین برای بیان عدد ستان نسیت بلکه ابزاری تکمیلی است که با توجه محدویت های موجود استفاده می شود.

 

 

[تمام مطالب مرتبط با شاخص ستان  (Cetane Index) در این صفحه بروزرسانی خواهد شد]