19. Yüzyıl sonlarına kadar otomobillerde kömür katranı
distilatları ve ham petrolün distilasyonundan çıkan hafif fraksiyonlar
kullanıldı. 20. Yüzyıl başlarında basit distilasyonla bir miktar benzin üretimi
başladı, ancak otomotiv sanayiinin hızla gelişmesi benzine olan talebi de
artırdı. Zaman içinde otomobil motorlarının geliştirilmesi, yeni teknolojilerle
daha güçlü ve verimli motorlar üretilmesiyle benzinin özelliklerinin de
geliştirilmesi gerekti; motorla uyum içinde çalışan, “vuruntu” yapmayan ve
motor aksamına hasar vermeyen, özel katkı maddeleri içeren benzin üretimlerine
yönelindi.
1950’lerde yüksek oktan sayılı, dolayısıyla yüksek kurşun
bileşikleri içeren benzin üretimine ağırlı verilmişken, 1970-1990 arasında
otomobillerde, çevre kirliliğine önlem olarak konulan eksoz katalizörlerini
zehirlemesi nedeniyle benzin formülasyonları değiştirilerek kurşunlu bileşikler
azaltıldı, oktan sayısı az miktarda aromatik hidrokarbonlarla yükseltildi. Daha
sonra benzin formülasyonlarında oktan sayıları çok yüksek olan oksijenatlar
kullanılmaya başlandı.
Benzin, petrolün rafinasyonuyla elde edilen ürünlerden en
önemlisidir. Otomotiv sanayiinin gelişmesiyle benzinin karakteristikleri de
sürekli olarak geliştirilmektedir. Benzinin motorlarda karşılaması gereken bazı
temel özellikler:
1.
Motor soğukken kolaylıkla çalışmalı, hızla
ısınmalı ve tüm koşullar altında çalışmasını düzgün bir şekilde sürdürmelidir
2.
Motor, vuruntu yapmadan çalışmalı ve yeterli
gücü verebilmelidir
3.
Ekonomik olmalı, düşük emisyon yaratmalıdır
4.
Motorda depozit ve kirlilik bırakmamalı, yakıt
sisteminde korozyon yapmamalıdır
Kömür, shale oil, katran kumu ve hatta atık plastikler ve
kauçuktan benzin üreten çeşitli teknolojiler vardır; ancak bu prosesler
karmaşık ve çok pahalıdır. Petrol (veya hampetrol) benzin üretiminde kullanılan
temel hammaddedir.
Benzin, yüzlerce hidrokarbonun kompleks bir karışımıdır;
hidrokarbonlar parafinik, olefinik, aromatik yapıda ve farklı
miktarlardadırlar.. Bir benzinin özelliklerini ve performansını bileşiminde
bulunan hidrokarbonlar (ve oksijenatlar) belirler.
Benzin, motor benzini ve uçak benzini olarak iki genel grup
altında toplanır. Bu iki tür benzin de, bu bölümün 2.1. ve 2.2. kısımlarında
incelendiği gibi, kendi içlerinde çeşitli sınıflara veya derecelere ayrılırlar.
Motor Benzini: En önemli rafineri ürünü olan motor
benzini iç yanmalı motorlarda (uçak motorları dışında) kullanılan ve kaynama
aralığı 35–215 0C dolayında olan bir hidrokarbonlar karışımıdır;
Benzinin önemli kalite özellikleri oktan sayısı (vuruntu önleme), uçuculuk
(motorun çalışması ve buhar sıkışması) ve buhar basıncıdır (çevre kontrolü). Bu
performansın karşılanması için ve ayrıca oksidasyon ve pasa karşı da koruma
amacıyla benzine gerekli katkı maddeleri ilave edilir.
Uçak Benzini: Pistonlu uçak motorların
geliştirilmesiyle 1940’lı yıllarda kurşun bileşikli katkı maddeleriyle
harmanlanan değişik oktan sayılı uçak benzinleri (87, 100/130 ve 115/145
oktanlı) üretildi. Günümüzdeki uçak benzinleri oktan sayısı yükseltici kurşun
bileşikleri içeren 80, 100, 100 LL ile kurşunsuz 82 oktanlı uçak benzinleridir.
1. MOTOR BENZİNİ
1.1. BİLEŞİMİ VE ÖZELLİKLERİ
Bir maddeyi tanımlamak için iki yol vardır; birincisi
maddenin kimyasal bileşiminin saptanması, diğeri özelliklerinin belirlenmesidir.
a. Bileşimi
Benzin, yüzlerce hidrokarbonun kompleks bir karışımıdır;
hidrokarbonlar parafinik, olefinik, aromatik yapıda ve farklı
miktarlardadırlar.. Bir benzinin özelliklerini ve performansını
bileşiminde bulunan hidrokarbonlar (ve oksijenatlar) belirler.
Parafinik hidrokarbonlar benzinlerin ana bileşenleridir;
kararlıdırlar, havada temiz bir alevle yanarlar, oktan sayıları içerdikleri
moleküllerin dallanma derecesine ve karbon atomlarının konumlarına göre
değişir.
Aromatik hidrokarbonlar önceleri %40 oranında kullanıldı,
daha sonra %20’nin altına kadar düşürüldü, çok toksiktir, fakat oktan sayıları
oldukça yüksektir. Benzinde alkil kurşun bileşiklerinin azaltılmasıyla
kaybedilen oktan sayısı bu tür hidrokarbonların oranını yükselterek karşılanır.
Polinükleer aromatik bileşikler benzinde eser miktarlarda bulunur, kaynama
noktaları yüksektir.
Olefinik hidrokarbonlar benzinin doymuş hidrokarbonlardan
kalan kısmını oluştururlar, kararsızdırlar, havada isli bir alevle yanarlar.
Alkenler, çift bağlı C-C atomları vardır, çok az miktarlarda (% birkaç)
kullanılır, reaktiftirler, toksiktirler, fakat oktan sayıları yüksektir.
Alkinler: C-C üçlü bağları vardır, iyi rafine edilmemiş benzinde eser
miktarlarda bulunur.
Benzindeki olefinlerin artması eksoz VOC (Uçucu
Organik Maddeler) emisyonlarını azaltır, çünkü, olefinler benzinin
bileşimindeki diğer tüm hidrokarbonlardan daha kolay ve daha tam yanar.
Olefinlerin bu olumlu özelliğinin yanında eksoz gazlarında NOx leri
artırma ve buharlaşma emisyonlarında ozon oluşumuna yolaçan olefin emisyonuna
neden olma gibi bir
dezavantajı da vardır. Benzin formülasyonlarında olefinlerin düşük olması
hedeflenir.
Benzinde bulunan bazı hidrokarbonlar, aşağıda formülleri
verilen heptan, 1,3-dietilsiklopentan, 1,2-dimetilsikloheksan,
2,4,5-trimetilheptan, 3,4-dimetiloktan, 3-etil-2-metilheksan, mesitilen,
4-etil-3-metilheptan, 2,2,4-trimetilheptan, 1-ters-bütilbenzen,
3,4-dimetilheptan, sek-bütilsiklopentan, 1-izopropil 4-propilbenzendir.
Bir molekülün büyüklüğünü karakterize eden en belirli
özellik “molekül ağırlığı”dır; bir hidrokarbon için, alternatif bir yöntem
moleküler yapısındaki karbon sayısıdır. Örneğin, bütanın molekül ağırlığı 58
g/g-mol, karbon sayısı 4, benzenin molekül ağırlığı 78 g/g-mol, karbon sayısı 6
dır.
Şekil-1’de iki farklı bileşimde (A ve B) kurşunsuz benzinin
C4 den C12 ye kadar C sayısı dağılımı görülmektedir; A’da
C5, B’de C8 karbonlu bileşikler ağırlıktadır. Ortalama
karbon sayıları hesaplandığında A için C6.9, B için C7.1
bulunur.
Şekil-1 (a): Kurşunsuz benzin A ve B’nin karbon sayısı dağılımı
karbon
sayısı dağılımı eğrileri
Şekil-1 (b): Kurşunsuz benzin A ve B ’nin distilasyon profili ve
karbon
sayısı dağılımı eğrileri
Benzinin ortalama molekül ağırlığı 92-95 aralığındadır. İkinci grafikte görüldüğü gibi, toplam karbon dağılımı, distilasyon profili ile paralellik içindedir.
Oktan sayısı da hidrokarbon yapısının etkili olduğu bir
özelliktir; aynı karbon sayılı, fakat farklı hidrokarbon sınıflarından olan
bileşiklerin oktan sayıları da farklıdır.
Tablo-1’de 6 ve 8 karbonlu dörder bileşiğin yapıları ve
oktan sayıları (RON) verilmiştir. Aynı hidrokarbonun farklı izomerlerinin oktan
sayıları da farklıdır. İzooktanın (2,2,4-trimetilpentan) RON değeri 100 kabul
edildiğinde n-oktanın sıfırdan daha düşüktür.
Benzinde, hidrokarbonlardan başka, %0.1’den az sülfür,
nitrojen ve oksijenli bileşikler de vardır. Bu bileşikler karbon ve hidrojen
içermelerine karşın hidrokarbon değildirler; petrolün yapısından kaynaklandığı
gibi, rafinasyonla uzaklaştırılmalarına rağmen yine de proseslerde oluşabilen
bileşiklerdir.
Tablo-1: Bazı
Hidrokarbonlar, İzomerleri ve
RON Değerleri
b. Özellikleri
Benzinlerin karşılaması gereken özellikler ve bunların
sınırlamaları, diğer ürünlerde de olduğu gibi, şartnamelerle saptanır. Benzin
şartnameleri, benzin ve benzinle çalışan araçların performansları ve
geliştirmeleri dikkate alınarak rafineriler, araç üreticileri ve ilgili diğer
kuruluşlar arasında belirlenir.
Bu standartlar arasında ASTM D 4814, CGSB 3.5-99, EN JIS K
2202 sayılabilir. Ayrıca, devletlere özgü standartlar vardır; ISO, CEN, DIN,
AFNOR ve BS gibi.
ASTM D 4814 standardı, benzin numunesinin nasıl
alınacağından, benzin uçuculuk sınıflamalarına ve her bir testin yapılış
yöntemine kadar 30’dan fazla test metoduna gönderme yapar; ayrıca diğer resmi
ve özel kurumların benzin şartnamesinde istediği ilave özellikleri tanımlayan
altı eki vardır. Her rafineri, benzin taşıyan boru hattı yapımcıları, bazı
ülkeler ile otomobil üretici firmaları ilave şartname testleri ve ASTM D 4814
standardı dışında kendilerine özgü sınır değerleri verebilirler.
Tablo-2: Buhar
Basıncı ve Distilasyona Göre
Sınıflandırma
Koşulları
Buhar
Basıncı / Distilasyon Sınıflandırması
|
||||||
AA
|
A
|
B
|
C
|
D
|
E
|
|
Buhar basıncı,
38ºC, psi, maks.
|
7.8
|
9.0
|
10.0
|
11.5
|
13.5
|
15.0
|
Distilas. %
hac., 0C
10 toplanan, maks.
50 toplanan
90 toplanan, maks
SKN, 0C, maks.
|
70
77-121
190
225
|
70
77-121
190
225
|
65
77-118
185
225
|
60
77-116
185
225
|
55
66-113
185
225
|
50
66-110
185
225
|
Sürme İndeksi,
0C, maks.
|
597
|
597
|
586
|
583
|
580
|
569
|
Buhar
Tıkanmasından Koruma Sınıfları
|
||||||
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
|
Buhar/sıvı,
V/L = maks. 20 için. 0C
|
60
|
56
|
51
|
47
|
41
|
35
|
Benzin Şartnamesi (ASTM D 4814), buhar basıncı, distilasyon
profili, sürme indeksi ve buhar-sıvı oranı özelliklerini sınırlayarak benzinin
uçuculuğunu kontrol altına alır. Şartnamede, mevsimler ve yerleşimler dikkate
alınarak değişik 6 buhar basıncı/distilasyon profiline ve 6 buhar-sıvı oranına
(Tablo-2) göre sınıflandırma yapılmıştır.
Benzin şartnamesi (ASTM D 4814) benzinin 9 özelliğini
tanımlar ve sınırlandırır; bunlar, görünüş, buhar basıncı, distilasyon, gum,
oksidasyon stabilitesi, su toleransı, sülfür içeriği, bakır şerit korozyonu, ve
kurşun içeriğidir. Şartnamede oktan sayısı ve anti-vuruntu indeks yer almaz;
çünkü bu özellikler benzin türlerine pazar ihtiyacına göre rafinerilerde
kazandırılır (Tablo-3).
Benzinin uçuculuğu buhar basıncı, distilasyon profili ve
gaz-sıvı oranı (veya, bunun yerine gaz tıkanma indeksi) değerleriyle
karakterize edilir; dördüncü bir kriter de distilasyon sonuçlarından hesaplanan
‘sürme (driveability)’ indeksidir. Buhar-sıvı oranı yerine buhar
tıkanması indeksi (VLI) kullanılabilir.
Tablo-3: Benzin
şartnamesi (ASTM D 4814) testleri
Özellik
|
Test,
ASTM
|
|
Görünüş
|
-
|
-
|
Spesifik gravite, 15/15 0C
|
0.735
|
D 1298, 4052
|
Buhar basıncı, 38ºC, psi, maks.
|
9.0
|
D 323, 5190, 5191, 4953
|
Distilasyon, % hac., 0F
10 toplanan,
maks.
50 toplanan,
maks.
90 toplanan, maks.
SKN, 0C, maks.
|
158
170-250
374
430
|
D 86
|
Buhar/sıvı 20/1 de, 0F, min.
|
124
|
D 2533, 5188
|
Sürme (Driveability) İndeksi, 0F
|
1220-1240
|
|
Oktan sayısı (MON), min.
|
82
|
D 2699, 2700
|
Gum miktarı, mg/100 mL, maks.
Mevcut gum.
Oksidasyon
stabilitesi, dak., min.
|
5
240
|
D 381
D 525
|
Sülfür, merkaptan, % ağ. maks
|
0.0020
|
D 3227
|
Korozyon, 3 sa., 122 0F, maks.
|
1
|
D 130
|
Kurşun, % ağ. (kurşunsuz), maks..
|
0.013
|
Görünüş, üründe çözünmemiş su, tortu ve asılı katı
maddelerin olmamasından emin olmak için yapılan, gözleme dayalı bir testtir.
Spesifik gravite analiz raporlarında tipik değerler olarak
kaydedilir. Spesifik gravite bir maddenin yoğunluğunun aynı sıcaklıktaki suyun
yoğunluğuna oranıdır; örneğin, 15.5 0C’da benzinin yoğunluğu 0.6 g/cm3,
aynı sıcaklıktaki suyun yoğunluğu 1.0 g/cm3 olduğunda benzinin
spesifik gravitesi 0.6 dır.
Buhar Basıncı
Buhar basıncı benzinin uçuculuk özelliğinin bir
göstergesidir. Uçuculuk, benzinin buharlaşma, yani gaz haline geçme eğilimini
tanımlar. Motorda yanarak enerjiye dönüşen sıvı benzin değil, gaz haline geçmiş
benzin buharlarıdır. Buharlaşma, soğukta az, sıcakta daha fazla olacağından,
mevsimlere göre benzine gazlaşmayı kolaylaştıracak veya geciktirecek katkı
maddeleri ilave edilir.
Buhar basıncı benzinin ortam sıcaklığında (soğuk başlama
denir) sorunsuz çalışması ve motor ısındıkça da çalışmayı düzgün bir şekilde
sürdürmesini sağlayan en önemli özelliktir. Buhar basıncı gerekenden düşükse
motor ilk hareketi hemen alamaz, hatta çalışmayabilir. Mevsimlere göre değişen
buhar basıncı değeri 48.2-103 kPa
(7.0-15 psi) aralığındadır. Daha yüksek değerler, genellikle
soğuk-çalışma performansını artırır; gaz-tıkanmasının engellenmesi ve sıcak
havalarda yakıtın alınması, taşınması gibi operasyonlar için düşük buhar
basıncı değerleri daha uygundur. Benzinin buhar basıncının düşmesi buharlaşma
nedeniyle oluşan VOC emisyonlarını azaltır, eksoz VOC ve CO emisyonlarına
etkisi çok azdır.
Distilasyon
Her hidrokarbon kendine özgü olan ve “kaynama noktası”
denilen, molekülün büyüklüğü arttıkça yükselen özel bir sıcaklıkta kaynar. Bu
nedenle bir karışım olan benzinin distilasyon profili içerdiği hidrokarbonların
sıcaklığa karşı dağılımını gösterir. Distilasyon profilinin sıcaklık sınırları
kaynama aralığını belirleyerek düşük ve yüksek kaynama noktalı bileşikleri
dışarıda bırakır.
Distilasyon Profili: Benzin, kaynama noktaları farklı
olan yüzlerce hidrokarbon molekülünün bir karışımıdır ve bu nedenle de saf
maddeler gibi (örneğin su veya alkol, v.s.) tek bir sıcaklıkta değil, bir
sıcaklık aralığında kaynar veya distillenir. Bir distilasyon profili (veya
distilasyon eğrisi), benzinin özel koşullar altında ısıtılıp, artan
sıcaklıklara karşı, gazlaşıp yoğunlaşan sıvı hacimlerinin ölçülmesiyle çizilir.
Şekil-2’de yaz ve kış mevsimlerine ait benzinlerle, etanol katkılı (yaz mevsimi
için) benzinin distilasyon profilleri görülmektedir. Bir distilasyon profilinin
çeşitli aralıkları, benzin performansıyla ilişkilidir.
Şekil-2: Yaz ve kış benzinlerinin tipik distilasyon profilleri (ASTM D
86)
İlk %20’lik distilat: Motorun ilk çalışmasının kolay
olması, ısınmış motorun düzgün çalışması, buhar tıkanması olmaması ve düşük
buharlaşma kaybını tanımlar.
Buhar Tıkanması: Motorun yakıt sisteminde (yakıt
pompası, yakıt hattı, karbüratör veya yakıt enjektörü) herhangi bir yerde fazla
benzin buharının toplanmasıyla meydana gelir ve motora yeterli yakıt gelmesini
engeller; bunun sonucunda hava-yakıt oranı bozulur, yakıt miktarı azalacağından
motorun gücü düşer. Başlıca sebebi aşırı ısınmış veya çok uçucu yakıttır.
%20-90 arası distilat: Motorun hızlı ısınması ve
düzgün çalışması, kısa mesafelerde yakıt ekonomisi, iyi güç ve hızlanma,
karbüratör buzlanmasını engellemek amacını taşır.
Karbüratör Buzlanması: Karbüratörde buharlaşan benzin
ortamdan ısı aldığından ortam ısısını düşürür ve giriş havasında bulunabilecek
nem, donma noktasının altındaki sıcaklıklarda buzlaşır.
Son %10’luk distilat: İyi yakıt ekonomisi, motorda
depozit oluşmasını engelleme, karter yağının yakıtla seyrelmesini en aza
düşürme, eksozdan uçucu organik madde çıkışının en az düzeyde olmasını
belirler. Bu ilişkiler Şekil-3’de görülmektedir. Şekildeki sıcaklık aralıkları
yaklaşıktır, kesin aralıklar aracın kullanıldığı yerleşim yerinin koşullarına
bağlıdır.
Önemli miktarlarda yüksek kaynama noktalı bileşikler içeren
benzinler eksoz emisyonunda fazla VOC emisyonuna neden olur. Bu tür maddeler
zor buharlaşır, özellikle motor soğukken tam yanma olmaz. Distilasyon profiline
getirilen sınırlamaların bir nedeni de bu bileşikleri asgari seviyede
tutmaktır.
Buhar/Sıvı Oranı
Benzinin buhar tıkanması eğilimi, distilasyon profilinde ilk
%20’lik distilatın toplandığı sıcaklık ile buhar basıncından etkilenir. Buhar
tıkanmasını kontrol eden parametre buhar tıkanma indeksi (VLI) denilen ve
benzinin buhar basıncı (kPa olarak) ile ve 70 0C’de toplanan
distilat hacminden hesaplanır. VLI, mevsimlere göre 800-1250 arasında değişir.
Şekil-3: Distilasyon profilinin benzin performansıyla ilişkisi
VLI = 10 x buhar basıncı (kPa) + 7 x E (70) (ml)
Buhar tıkanma eğiliminin en sağlıklı saptanma yöntemi
buhar-sıvı oranı ile belirtilir ve V/L=20 olarak tanımlanır. Bu değer
atmosferik basınçta 1 hacim sıvı (sıvı benzin) ile 20 hacim buharın dengede
olduğu sıcaklığı sınırlar. Bu sıcaklıklar 35-60 0C (95-140 0F)
arasında, mevsimlere göre değişir.
ASTM D 2533 te, 0°C (32°F)’deki yakıttan belirli bir hacim
alınır ve gliserin (oksijensiz yakıtlar için) veya cıva (tüm yakıtlar için)
doldurulmuş bir bürete konulur. Büret istenilen sıcaklığa ısıtılır, basınç 760
mm Hg veya 101.3 kPa olduğunda sıvısı ile dengede olan buhar hacmi ölçülür.
ASTM D 5188’de, 0°C (32°F) de hava ile doyurulmuş belirli
bir hacım yakıt örneği (istenilen buhar/sıvı oranına göre hesaplanarak), hacmi
bilinen havası boşaltılmış ve termostatik kontrollü bir test odacığına konulur;
odacığın sıcaklığı, basıncı 101.3 kPa (760 mm Hg) değerine ulaşacak şekilde
ayarlanır.
Sürme (Driveability) İndeksi (DI)
Benzinin motorda geçirdiği safhalar olan silindirlere giriş,
buharlaşma ve yanma özellikleri de distilasyon profilinden tanımlanır ve sürme
indeksi olarak bilinir.
Benzinin %10, %50 ve %90’ının buharlaştığı sıcaklıklar T10,
T50 ve T90 ile gösterildiğinde, DI (sürme indeksi) aşağıdaki formülle verilir.
DI = 1.5 x T10 + 3.0 x T50 + T90
DI benzinin türüne ve mevsimlere göre örneğin USA’da 375-625
0C (850-1300 0F), Asya’da 460-580 0C
(1000-1200 0F) aralığında değişir.
Yukarıdaki eşitlik geleneksel benzinlerin kullanıldığı
karbüratörlü araçlardan alınan verilere göre çıkarılmıştır. Aynı tür
benzinlerin kullanıldığı yakıt injeksiyonlu motorlarda da yapılan ilave
testlerle formülün geçerli olduğu kanıtlanmıştır. Ancak, örneğin etanol katkılı
benzin kullanan araçlarda gerçek sürme performansının saptanmasında formülün
yenilenmesi gerekir.
Oktan Sayısı; Anti-Vuruntu Performansı
Oktan sayısını tanımlarken yakıtın motordaki hareketini
izlemek gerekir. Yakıtın motorda harekete dönüşmesi, emme, sıkıştırma, yanma ve
eksoz strokları olmak üzere dört aşamada tamamlanan çevrimlerle gerçekleşir.
Sıkıştırma strokunda silindiri dolduran hava/yakıt karışımı, ateşleme
yapılmadan önce, çok küçük bir hacme kadar sıkıştırılır; bu sıkıştırma
miktarına “sıkıştırma oranı” (tipik bir motorda bu oran 8/1 dir) denir.
Oktan sayısı,yakıtın ateşleme ile eşanlı olarak yanması için
ne kadar sıkıştırılabildiğini tanımlar. Sıkıştırılan yakıt kıvılcım çakmasından
önce kendiliğinden yanarsa “vuruntu” meydana gelir; bunun anlamı uygulanan
sıkıştırma oranının kullanılan yakıt için yüksek olduğudur.
Bir motorun sıkıştırma oranı kullanılan yakıtın oktan
sayısını belirler; Motorun gücünü artırmanın yollarından biri sıkıştırma
oranını artırmaktır; yüksek performanslı motorların sıkıştırma oranları
yüksektir ve yüksek oktan sayılı yakıtla çalıştırılırlar.
Oktan sayısı bir benzinin vuruntusuz yanma karakteristiğini
tanımlayan bir özelliktir; yakıt, motorun yanma hücresinde yandığında vuruntuya
karşı gösterdiği direnç yeteneğidir. Benzinin oktan sayısını saptamak için iki
laboratuvar test metodu vardır; Research Oktan Sayısı (RON) ve Motor Oktan
Sayısı (MON). RON, düşük hız ve orta –derecede vuruntu koşullarıyla, MON yüksek
hız, yüksek sıcaklıktaki vuruntu koşullarıyla ilişkilendirilir. Bir benzin
örneğinde RON değeri daima MON dan daha büyüktür; aralarındaki farka
“hassasiyet” denir.
Hassasiyet (duyarlık) = RON –
MON
Oktan sayısı tayininde normal heptan ve izo-oktan referans
maddeleri kullanılır. Bunun nedeni, bu iki bileşiğin benzer uçuculukta
olmasıdır; özellikle kaynama noktaları çok yakın olduğundan, oktan sayısı
testinde 0/100 den 100/0 oranlarına kadar değişen miktarlarda
kullanıldıklarında uçuculuk yönünden önemli farklılıklar yaratmazlar.
Normal heptanın oktan sayısı 0, izo-oktanın 100’dür. Bu iki
bileşenden çeşitli oktan sayılarında standart referans karışımlar hazırlanır ve
belirli koşullardaki test motorunda çalıştırılarak vuruntu noktaları saptanır.
Sonra, yakıtın vuruntu yaptığı gösterge noktası belirlenir; bu nokta hangi
referansa eşdeğer ise yakıtın oktan sayısı odur. Test motoru ve koşullarına
bağlı olarak iki oktan sayısı tanımı vardır; research oktan sayısı (RON) ve
motor oktan sayısı (MON).
Motor metodunda çalışma koşulları ağırdır, motor yüksek hız
ve yüksek yükle çalıştırılır. Research metodu, motorda ağır yük olmadan, orta
derece çalışma koşullarını tanımlayan bir test yöntemidir.
Aynı hidrokarbon sınıfından fakat farklı izomerik
yapılardaki bileşiklerin oktan sayıları farklıdır; Örneğin, izooktan
(2,2,4-trimetilpentan)nın oktan sayısı (RON) 100 iken, normal oktanın sıfırdan
daha düşüktür. Uçuculuk gibi diğer bazı özellikler de izomerik yapıdan
etkilenirler.
RON ve MON testleri tek silindirli bir laboratuvar motorunda
yapıldığından çok silindirli motorların antiknock performansı hakkında tam bir
fikir vermez. Bunun için “road (yol) oktan sayısı (RdON) denilen bir ölçü
kullanılır.
RdON = a(RON) + b(MON) + c
Yaklaştırma metotlarıyla, a = b = 0.5 ve c = 0 alınır,
RdON = (RON + MON)/2
AKI (anti-vuruntu indeksi) = (R
+ M)/2
Formülden de görüldüğü gibi aynı AKI değerine sahip bir
benzinin RON ve MON değerleri farklı olabilir; bu durum, aynı AKI değerli iki
ayrı benzini kullanan bir motorun bunlardan biriyle vuruntu yaptığı halde
diğeriyle yapmadığını gösterir; ancak bir kıyaslama yapılması için motorun her
iki yakıtla da aynı koşullar altında çalıştırılması gerekir. Genel olarak üç
farklı AKI değerli kurşunsuz benzin vardır; normal (87), orta (89) ve süper
(91-94).
1960’lı yıllarda benzinin oktan sayısını artırmak için alkil
kurşun bileşikleri kullanılmaya başlandı; kullanma sınırı 1.14g Pb/l idi.
1970’de 100 oktan sayılı (RON) benzin için 0.7-0.8 g Pb/l, 94 oktan sayılı için
0.6-0.7 g Pb/l olacak kadar kurşun bileşiği katılmaya başlandı. Tablo-4’de
katalitik reformat ünitesinden ve naftadan üretilen benzinlere ilave edilen
kurşunlu bileşiklerin miktarlarına göre oktan sayılarının değerleri
verilmiştir.
2000 yılı itibariyle 20 si Afrika’da olmak üzere 50 kadar
ülkede hala 0.8 g Pb/l seviyesine kadar kurşunlu bileşikleri kullanılmaktadır.
Avrupa devletlerinde bu sınır en fazla 0.15 g Pb/l dir.
Tablo-4: Kurşun
Bileşiği ve RON Değerleri
Oktan
sayıları, RON
|
Oktan
sayıları, RON
|
||||
Kurşun, g/l
|
Katalitik reformat
|
Nafta
|
Kurşun, g/l
|
Katalitik reformat
|
Nafta
|
0
|
96
|
72
|
0.4
|
101
|
87
|
0.1
|
98
|
79
|
0.6
|
102
|
89
|
0.2
|
99
|
83
|
0.7
|
102.5
|
89.5
|
0.3
|
100
|
85
|
0.8
|
102.75
|
90
|
Sağlık yönünden alkil kurşun bileşikleri yerine aromatik
bileşikler ve oksijenatlar kullanılmasına yönelinmiştir. Ancak, eksoz katalitik
konverter sistemi olmayan arabalarda bu tip benzin kullanılması halinde yanma
sonucu zehirli aromatik bileşiklerin emisyonu artar. Yakıtın motorla uyum
içinde olması önemli bir kriterdir.
Oksidasyon Stabilitesi ve Gum
Depolama süresince yakıtın hava ile oksitlenerek ilave gum
oluşma olasılığını gösterir. Gum, Yakıtın oksidasyonuyla oluşabilecek ve yakıt
sisteminde kalıntı oluşmasına yol açan büyük molekül ağırlıklı polimerik,
yapışkan maddelerdir.
Bakır Korozyon
Reaktif sülfür bileşiklerinin yakıt sistemi parçaları
üzerindeki korozyonunu gösterir.
Su Toleransı
Yakıtta bulunabilecek suyun soğuk havalarda faz ayrılmasına
neden olmaması gerekir. Hidrokarbon bazlı harmanlarda genellikle böyle bir
sorun olmaz, ancak bazı oksijenli benzinlerde olabilir.
Sülfür Miktarı
Sülfürlü bileşikler motor aşınmasını, eksoz sistemi
parçalarının korozyonunu ve konverter katalizörünün veriminin azalmasına neden
olur. Yakıtın yanmasıyla bu bileşikler sülfür oksitlere dönüşerek zamanla eksoz
sistemindeki katalizörü zehirler. Düşük sülfürlü yakıtlar katalitik konverterin
verimini artırır, VOC, CO, NOx ve toksik emisyonları azaltır.
Isı Değeri
Kalitesine ve mevsimlere göre değişir. Ortalama olarak süper
benzinin ısı değeri, daha fazla aromatik hidrokarbonlar (yoğunlukları
yüksektir) içerdiğinden normal benzinden %0.7 kadar daha yüksektir. Kış
benzinin ısı değeri de Yaz benzininde %1.5 kadar daha düşüktür; çünkü kış
benzininde uçucu hidrokarbonlar (düşük yoğunlukludurlar) daha fazladır.
Oksijenli bileşiklerin ısı değerleri hidrokarbonlardan daha az olduğundan
oksijenli benzinlerin ısı değerleri geleneksek benzinlere kıyasla daha
düşüktür; Benzine harmanlanan oksijenli bileşikteki oksijen miktarının
yüzdesine göre harmanın ısı değeri azalır.
c. Katkı
Maddeleri
Benzin şartnamelerle tanımlanan ve sınırlandırılan bazı
performans kriterleriyle fiziksel ve kimyasal özellikleri karşılamak
zorundadır. Bu özelliklerin bir kısmı rafinasyon ve harmanlama aşamalarında
kazandırılır, bazıları ise benzin harmanına gereken miktarlarda katkı maddeleri
ilavesiyle sağlanır. Katkı maddeleri benzinde çözünen kimyasal maddelerdir,
benzine ppm (ağırlıkça % 0.0001 veya 1mg/kg) seviyelerinde ilave edilirler ve
benzinin özelliklerini değiştirmeden bazı performans karakteristiklerinin
artırırlar.
Benzin katkı maddeleri çeşitlidir; oksidasyon inhibitörleri
(antioksidanlar), korozyon inhibitörleri, metal deaktivatörler, emülsiyon
önleyiciler (demülsifiyerler), vuruntu önleyici katkı maddeleri, kalıntı
kontrol (deposit control) katkı maddeleri, buzlanma önleyiciler (anti-icing),
boyalar, markalayıcılar, sürtünme düşürücüler (drag reducers).
1.2. ÜRETİM
Hampetroller ince (açık renkli) ve kalın (koyu renkli)
olabilir. İnce hampetrollerin API graviteleri yüksektir ve yüksek graviteli
hampetrol olarak tanımlanırlar. Kalın hampetroller ise düşük graviteli
hampetrollerdir. Yüksek graviteli hampetroller daha fazla benzin bileşenleri
içerir, sülfür ve nitrojenli bileşikler daha düşüktür, dolayısıyla rafinasyonu
daha kolay ve ekonomiktir. Düşük graviteli ham petrollerde hafif hidrokarbonlar
azdır, ancak modern rafineri prosesleriyle hampetrollerin yapıları değiştirilerek
benzin fraksiyonları gibi değerli ürünlerin verimi artırılmaktadır. Bu tip
hampetrolün rafinasyonu kompleks ve pahalıdır, çok sayıda proses kademesinden
geçirildiğinden enerji tüketimi fazladır.
Benzin rafinasyonunda ilk proses, hampetrolde doğal olarak
bulunan benzini ayırmaktır. Bundan sonra daha karmaşık proseslerle benzin
özelliğinde olmayan hidrokarbonlar benzin bileşiklerine dönüştürülür ve bunlar
da yeniden şekillendirilerek istenilen özelliklerdeki bileşikler elde edilir.
a. Rafinasyon
Günümüzün rafinerileri kimya, mühendislik ve metallurjinin
biraraya gelmesiyle oluşturulmuş birbirleriyle bağıntılı kompleks ve karmaşık
bir prosesler sistemidir. Tüm rafinerilerde ön-işlemlemeden sonra gelen ilk
proses atmosferik distilasyondur.
Bunu takiben üretilecek ürünlere bağlı olarak öncelik ve
ağırlık sırasına göre çeşitli proseslere geçilir. Genel rafineri prosesleri
‘Bölüm Rafineri Prosesleri’ kısmında kısaca anlatılmıştı. Aşağıda sadece benzin
üretimine yönelik olan prosesler belirtilerek amaçları açıklandı.
Distilasyon
Atmosferik distilasyon prosesinde hampetrolde bulunan propan
ve bütan gibi en düşük kaynama noktalı hafif fraksiyonlar kolonun tepesinden
ayrılır. Tepeden aşağı doğru sırasıyla nafta da denilen straight-run (SR)
benzin, gazyağı ve dizel yakıtı gibi fraksiyonlar alınır. SR hafif benzin
doğrudan, SR ağır benzin ise reformerden geçirildikten sonra benzin harmanlama
ünitesine gönderilir. Dizel yakıtı bileşenlerinden daha ağırlar atmosfer
basıncında buharlaşamazlar ve sıvı halde kolon dibinden çekilerek vakum
distilasyon ünitesine verilir ve burada çeşitli kaynama aralıklarında çekilen
fraksiyonlar kraking ünitesine gönderilir.
Kraking
Yüksek kaynama noktalı hidrokarbonların yüksek sıcaklıklarda
(termal kraking) veya yüksek sıcaklık ve katalizörlü ortamda (katalitik
kraking) parçalanarak daha küçük moleküllü ve benzin bileşenleri özelliklerinde
hidrokarbonların elde edildiği ünitedir. Termal kraking (visbreaking ve
koklaştırma) prosesinde fazla miktarda olefinler, sülfürlü ve nitrojenli bileşikler
meydana gelir. Olefinlerin oktan sayıları yüksektir, ancak motorda depozit
oluştururlar. Sülfürlü ve nitrojenli bileşikler de benzinde istenmeyen
maddelerdir, bu nedenlerle benzin harmanına verilmeden önce termal kraking
prosesinden çekilen benzin fraksiyonunun ilave işlemlerden geçirilmesi gerekir.
Katalitik kraking prosesi akışkan yataklı katalitik (FCC)
bir reaktörde yapılır; akışkan katalizör reaktörün kraking bölümü ile katalizör
rejenerasyon kısmı arasında sürekli olarak akar. Modern rafinerilerde benzin
fraksiyonu üretiminde kullanılan kraking yöntemi FCC’dir; çekilen benzin
fraksiyonu termal krakingde olandan daha kalitelidir ve benzin harmanlama
ünitesine gönderilebilir.
Hidrokraking: SR orta distilatın hammadde olarak beslendiği
hidrokraking prosesin katalitik krakinge benzer, ancak burada kullanılan
katalizör hidrojen atmosferindedir. Hidrokraking prosesinde katalitik krakingde
parçalanmaya karşı direnç gösteren hidrokarbonlar da parçalanır. Bu proses
benzin fraksiyonları elde etmekte kullanılırsa da daha çok dizel yakıtı
üretimine yöneliktir.
Reforming
Reforming prosesinde beslenen hammaddedeki moleküller
yeniden-şekillenir (re-form), düz zincirli parafinler naftenlere ve
aromatiklere dönüşür; örneğin, normal heptan (RON = 0) önce halkalı yapıya,
sonra da hidrojen çıkışıyla toluene (RON = 120) dönüşür. Reaksiyonlarda açığa
çıkan yan-ürün hidrojen kazanılan oktan sayısı kadar önemlidir; hidrokraking ve
hidrofinishing proseslerinde kullanılır.
Alkilasyon
Gaz halindeki ve küçük hidrokarbon molekülleri alkilasyon
prosesiyle birleştirilerek benzin bileşenleri büyüklüğünde moleküller elde
edilir. Hammadde, çoğunlukla FCC ünitesinde gelir; C4 hidrokarbonlar (izobütan
ve bütilenler gibi) ve bazan da C3 ve C5 parafinler ve olefinlerdir. Prosesinin
ana ürünleri trimetilpentanın yüksek-oktan sayılı izomerleridir; örneğin,
izooktan (RON = 100) gibi. Alkilasyon prosesi ‘reformulated’ benzinin can
damarıdır; çünkü şartnameler bu tür yüksek oktanlı benzinlerde olefinler ve
aromatiklerin miktarlarını sınırlamıştır.
Polimerizasyon
Polimerizasyon bir kombinasyon prosesidir; tipik olarak C3
olefinlerin (propilen) polimerizasyonunda elde edilen polimer moleküllerinin
ağırlıkları 3 karbonlu hidrokarbondan başlandığından üçün katları kadar artar; C6, C9, C12, gibi.
Proseste olefinler de üretildiğinden benzin harmanlama
ünitesine verilmeden önce olefinlerin parafinik bileşiklere dönüştürülmesi
gerekir. Polimerizasyon alkilasyona
kıyasla daha az tercih edilen bir benzin üretim prosesidir.
İzomerizasyon
Düz zincirli parafinler (tipik olarak C5 ve C6’lar)
izomerizasyon reaksiyonlarıyla kendi izomerlerine, dallanmış bileşiklere
dönüşürler. Aynı karbon sayılı moleküllerden dallanmış izomerlerinin oktan sayısı, düz zincirli olandan daha
yüksektir.
Hidrotreating
Bir rafineri akımındaki safsızlıkların uzaklaştırılması için
katalizörlü ortamda hidrojenle yapılan reaksiyonlara dayanan bir dizi proses
hidrotreating adı altında toplanır.
Hidrotreating prosesine en tipik örnek bir akımdaki sülfürlü
bileşiklerin uzaklaştırılmasıdır (desülfürizasyon). Özellikle reformüle benzin
şartnamesi sülfür miktarını çok düşük seviyelere indirdiğinden, örneğin FCC
ünitesinden çıkan benzin fraksiyonu ayrıca bir desülfürizasyon işleminden
geçirilir. Bir başka örnek reforming prosesine ve FCC’ye giren akımda fazla
miktarda sülfür bulunması ortamdaki katalizörün aktivitesini düşürür.
Olefinlerin Eterleştirilmesi
Eterler, yüksek oktan sayılı oksijenatlardır; rafinerilerde
metanol ve etanol gibi alkollerin, asidik katalizörlü ortamda izobüten ve izopenten
gibi dallanmış olefinlerle reaksiyona sokulmasıyla elde edilirler. Eter
fabrikasında benzinin oktan sayısını artıran metil tersiyer-bütil eter (MTBE),
tersiyer amil metil eter (TAME)) ve etil tersiyer bütil eter (ETBE) üretilir ve
diğer benzin akımlarıyla harmanlamaya verilir. Bu bileşiklere “oksijenatlar” ve
oksijenat içeren benzinlere de “oksijenlendirilmiş benzin”denir. Oksijenatların
benzin katkı maddesi olarak kullanılması son on yılda oldukça yaygınlaşmıştır;
nedeni, yüksek oktan numarası, düşük buhar basıncı, yüksek oksijen içeriği,
motor emisyonlarını azaltma özelliği ve üretiminin daha ekonomik olmasıdır.
İzobüten Dimerizasyonu
İzobütenin dimerizasyonuyla yüksek oktanlı ve molekül
ağırlığı benzin fraksiyonları aralığında olan bileşikler elde edilmesi çok yeni
bir prosestir. Proses, çevreye eki yönünden
olefinlerin eterleştirme prosesine tercih edilmektedir. Rafinerilerde
mevcut MTBE fabrikalarının çok az modifikasyonla dimerizasyon ünitesi olarak
kullanılabilme olanağı prosesin kısa zamanda uygulanabilirliğini sağlamaktadır.
Dimerizasyon ünitesinden çıkan akım olefin miktarının
sınırlanmadığı hallerde doğrudan benzin harmanlamaya verilir, sınırlandırıldığı
durumlarda önce hidrotreating işleminden geçirilerek çok saf izooktan akımı
elde edilir, sonra harmanlamaya verilir. (Şekil-4)
Harmanlama
Proses ünitelerinden alınan akımlar standart benzin
şartnamelerini tam olarak karşılamaz; bu nedenle benzin üretimindeki son aşama
olan harmanlama işlemi yapılır. Harmanlamada pazar talebi, benzin şartnameleri
ve çevre düzenleyici şartnameler dikkate alınır. Harmanlama prosesleri
genellikle bilgisayar kontrollü sistemlerle yapılır.
Şekil-4: Modern bir rafineride benzin üretimi akım şeması.
b. Oksijenli
Benzin
Oksijenli benzin 1990’da USA’da geliştirilen bir benzin
harmanıdır; hidrokarbon esaslı geleneksel benzinle bir veya daha fazla
oksijenatın karıştırılmasıyla elde edilen daha yüksek oktanlı ve düşük
emisyonlu benzindir. Özellikle kış aylarında artan karbon monoksit
emisyonlarını azaltmak amacıyla çıkarılan yönetmelikler ve şartnamelere göre
harmanlanır. Çevre yönetmeliklerinin geliştirilmesiyle 1992 yılında USA’da bazı
bölgelerde tüm mevsimlerde kullanılmak üzere hazırlanan özel bir oksijenli
benzin ‘Reformüle benzin’ olarak adlandırıldı.
Oksijenatlar karbon, hidrojen ve oksijen içeren ve yanabilen
sıvı bileşiklerdir. Halen kullanılmakta olan oksijenatlar alkoller (R–OH) ve
eterlerdir (R–O–R’). Oksijenli benzin üretiminde en çok kullanılan oksijenatlar
etanol, MTBE, etil tersiyer-bütil eter ETBE ve tersiyer-amil metil eter TAME
dir. Bu bileşiklerin her biri farklı miktarlarda oksijen içerdiğinden
kullanılma oranları da değişir; benzin harmanında kullanılabilecek
oksijenatlar, en fazla (hacimce), metanol %3, etanol %5, izopropil alkol %10,
izobütil alkol %10, ters-bütil alkol % 7, eterler (> C5) %15, diğer oksijenatlar
%10 olarak kabul edilmiştir.
Oksijenatlar kullanılırken dikkat edilen parametreler,
ekonomik oluşu, temin edilebilme kolaylığı, en uygun harmanlama yeri, şartname
sınırlamaları, yenilenebilir yakıt şartnamelerine uyumluluktur. Bu bileşiklerin
benzine harmanlanması ASTM D 5983 şartnamesine göre yapılır. Oksijenli
benzinlerde uçuculuk, su toleransı ve malzeme uyumluluğu gibi özelikler kontrol
altında olmalıdır.
Reformüle benzin: Benzin buharlarından ve eksoz
emisyonlarından çevreye dağılabilecek uçucu organik maddelerin (VOC)
azaltılması amacıyla 1992 yılında EPA (Environmental Protection Agency)
tarafından yayımlanan yönergeyle yaz mevsimi benzininde maksimum buhar basıncı
9.0’dan (62 kPa) 7.8’e (54 kPa) düşürülmüştür; Farklılığın tanımlanması için bu
özellikteki benzine reformüle benzin denilmektedir.
Uçuculuk
Alkol harmanlamasına uygun olarak üretilmeyen bir benzine
alkol ilave edilmesi sakıncalıdır; böyle bir karıştırma durumunda konvensiyonal
benzinin örneğin 62 kPa (9.0 psi) olan buhar basıncını 6.9 kPa (1.0 psi) kadar
yükseltir. Buhar basıncındaki bu artış distilasyon profilini bozar,
buhar/sıvı=20 noktasındaki sıcaklığı düşürür dolayısıyla motorda buhar
tıkanmasına neden olur. Etanol özellikle yazın kullanılan benzinlerde bu
özelliği nedeniyle tercih edilmez. Benzin harmanının uçuculuğu artırılmak
istendiğinde çok az miktarlarda MTBE kullanılır.
Su Toleransı
Konvensiyonal benzin içerdiği aromatik bileşiklerin
miktarına bağlı olarak 21°C’de en fazla 150 ppm su çözebilir. Eter yapılı
bileşiklerle oksijenlendirilen benzinlerde su çözücülüğü 600 ppm değerine kadar
yükselir. Bu miktarı aşan su benzinin özelliklerini bozmazsa da benzin
harmanında çözünmeyeceğinden istenmeyen bulanık bir görünüm oluşur.
Benzine %10 dolayında alkol karıştırıldığında durum çok
farklı olur; alkolün su çözme özelliği çok yüksek olduğundan (21°C’de 6000–7000
ppm), fazla su çözer, soğuk havalarda çözünürlük özelliği azalacağından karışımdaki
su beraberinde bir miktar da etanol sürükleyerek ayrılır. Veya benzin harmanına
daha fazla su karışması halinde su alkolün büyük bir kısmını da çekerek yine
benzinden ayrılır. Her iki durumda da iki faz meydana gelir; etanolce-fakir
benzin fazı (üst faz) ve etanolce-zengin su fazı (alt faz). Faz ayrılması
benzinin oktan sayısının düşmesine ve motorda vuruntuya sebep olur, yakıtın
uçuculuğu azalır. Benzine karıştırılan etanol miktarının azaltılması,
çözünürlük sorunu nedeniyle aromatik bileşiklerin de azaltılmasını gerektirir;
bu durumda soğuk havalarda daha az su olduğunda bile faz ayrılması kolaylaşır.
Potansiyel faz ayrılmasına sebebiyet vermemek için etanol
içeren benzinlerin harmanlama, taşıma ve araçlarda kullanım sırasında suyla
temas etmemesi gerekir. Bu nedenle etanolle oksijenlendirilmiş benzin boru
hatlarıyla taşınmaz, etanol benzine servis istasyonlarına teslim edilirken
karıştırılır. Terminallerdeki tankların çok temiz ve kuru olması, şartnamelerle
belirlenen koşullara tam olarak uyulması gerekir. Sulu ortam benzinin oksijenli
özelliği yanında oksijensiz geleneksel benzin özelliğini de bozar. Etanollü
benzinin suya karşı aşırı hassasiyeti depolamada da sorun yaratır; etanol
harmanları higroskopiktir, tanklar atmosfere açıksa sıcaklık değişimleriyle
nefes alıp verirken havadan nem çeker ve depolama süresinde faz ayrılması olur.
Malzeme Uyumluluğu
Yakıt sisteminin bazı metal kısımları su veya asidik
bileşenlerle temas ettiğinde paslanır veya korozyona uğrar. Oksijenli
benzindeki su şartname sınırları içinde
bulunduğu, yani homojen ve tüm bileşenlerle tek fazda bulunduğu sürece olumsuzluk
yaratmaz, ancak faz ayrılması meydana geldiğinde paslanma ve korozyon
sorunlarıyla karşılaşılır.
Oksijenatlar doğal ve bazı yapay kauçuk malzemeleri (elastomerler)
yumuşatır ve şişirir. Oksijenli benzinlerde bu etki çok azdır; yine de
oksijenli benzin kullanan araçlarda hortumlar, bağlantı parçaları, valflar ve
diyaframlar özel malzemelerden yapılır. Bu tür araçların el kitaplarında
hacimce %10 etanol veya %15 MTBE (veya diğer eterler) içeren benzin
kullanılabileceği belirtilir.
2. UÇAK BENZİNİ
İnsanlığın uçaklarla tanışması 20. yüzyılın başlarında büyük
ve taşınabilir güç kaynakları olan iç yanmalı motorların keşfiyle başladı. İlk
pistonlu uçak motorları (1903-1918) benzinli otomobil motorlarına benzerdi ve
yakıt olarak ta oto benzini kullanılırdı. Daha sonraki yıllarda uçak motoru
teknolojilerindeki gelişmelere paralel olarak uçak benzinleri de geliştirildi.
Her yeni uçak motoru teknolojisi daha farklı ve yüksek özellikler içeren
yakıta, her geliştirilmiş yakıt da yeni motor teknolojilerinin araştırılmasına
yolaçtı. Sonuçta motor üreticiler ve kullanıcıların her geçen yıl daha kaliteli
yakıta gereksinimi doğdu. Uçak benzininin karşılaması gereken ilk talep motorun
vuruntusuz çalışmasını sağlayan anti-vuruntu özelliğinin artırılmasıdır. Bu
yönde yapılan araştırmalarla yakıtla uyumlu ve yakıtın anti-vuruntu özelliğini
yükselten kurşun organometalik bileşikleri geliştirildi. 1930’lu yıllarda oktan
sayısı en az 87 olan uçak benzinleri
üretildi.
II. Dünya Savaşı sırasında ve takip eden yıllarda pistonlu
uçak motorların geliştirilmesiyle değişik oktan sayılı uçak benzinleri “avgaz”
üretilmeye başlandı: 87, 100/130 ve nihayet yüksek performanslı motorlardan
maksimum gücün alınabilmesi amacıyla 115/145 oktanlı ürünler yapıldı (1944).
(Aynı yıllarda türbinli uçak motorlarının da üretilmeye başlanmasıyla benzinli
motorların yerini, önce askeri alanlarda sonra da sivil havacılıkta jet
motorları almaya başladı.
Bugün kullanılmakta olan avgaz yakıtı üç değişik
derecededir; 80, 100 ve 100LL, ve ASTM D 910 şartnamesiyle standardize
edilmiştir. Avgazı daha çok küçük uçaklar, hafif helikopterler ve az sayıda da
olsa sivil ve askeri taşıma uçakları kullanmaktadır.
2.1. BİLEŞİMİ VE ÖZELLİKLERİ
a. Bileşimi
Uçak benzini avgaz sadece hidrokarbonlar karışımıdır;
alkoller ve eterler gibi oksijen içeren bileşikler bulunmaz. Şartname testleri
ve değerleri, özellikle de anti-vuruntu ve uçuculuk gereksinimleri avgazın
içerdiği hidrokarbonları sınırlar.
Parafinler avgazın ana bileşenleridir; izoparafinler yakıtın
özelliklerinde olumlu etkiler yapar, bütan dışındaki normal parafinler yakıtın
özelliklerinde olumsuz etki yaparlar.
Aromatik hidrokarbonlar yakıtın anti-vuruntu özelliklerini
artırmaları yönünden olumlu bileşiklerdir, fakat düşük-sıcaklık akışkanlık
özelliğini olumsuz yönde etkiler. Monoaromatiklerin miktarı distilasyon
değerleriyle sınırlandırılmıştır; toluen avgazdaki tek aromatik hidrokarbondur.
Naftenler çok düşük konsantrasyonlarda (<%1) bulunur,
genel olarak yakıt özellikleri üzerinde herhangi bir etkileri olmaz. Avgazda
olefinler yoktur veya eser miktarlardadır. Üretim zinciri nedeniyle avgaz
sadece eser miktarlarda heteroatomlu bileşikler içerir.
Şekil-5: Tipik bir uçak benzini karbon sayısı dağılımı
Şartnamelerdeki buhar basıncı ve distilasyon değerleri
yakıttaki bileşenlerin kaynama noktalarını, dolayısıyla molekül ağırlıklarını
ve hidrokarbonların karbon sayılarını sınırlandırır. Şekil-5’de görüldüğü gibi
karbon sayıları dörtten ona kadar değişir; sekiz karbonlu bileşikler en çok
bulunan hidrokarbonlardır.
Tablo-5: ASTM D
910 – Standart Avgaz Şartnamesi
Özellik
|
Dereceler
|
Test ASTM
|
||
80
|
100
|
100LL
|
||
Renk
|
kırmızı
|
yeşil
|
mavi
|
D 2392
|
Yoğunluk, 15 0C, g/cm3.
|
kayıt
|
D 1298, 4052
|
||
Buhar Basıncı, 38 0C, kPa
|
38.0-49.9
|
D 323, 5190
|
||
Donma noktası, 0C, maks.
|
-58
|
D 2386
|
||
Distilasyon, % hac.,
0C, maks.
İKN
10 toplanan, maks.
40 toplanan, min.
50 toplanan, maks.
90 toplanan, maks
SKN, 0C, maks.
%10 + %50 0C, min.
verim, % hac.
kalıntı, ml. maks.
kayıp, ml. maks.
|
kayıt
75
75
105
90
170
135
97
1.5
1.5
|
D 86
|
||
Isı Değeri, MJ/kg, min.
|
43.5
|
D 4529, 3338
|
||
Oktan sayısı, motor metot, min.
Süperşarj metot
Oktan sayısı, min.
Performans sayısı, min.
|
80.0
87.0
|
99.5
130.0
|
99.5
130.0
|
D 2700
D 909
|
Tetra etil kurşun konsantrasyonu
mL TEL/L, maks.
Pb/L, maks.
|
0.13
0.14
|
1.06
1.12
|
0.53
0.56
|
D 3341, 5059
|
Oksidasyon stabilitesi, mg/100 mL
Potansiyel gum, maks
Kurşun çökeltisi, maks
|
6
3
|
D 873
|
||
Korozyon, Cu, 2sa. 100 0C,
maks.
|
No. 1
|
D 130
|
||
Su reaksiyonu, hac., mL, maks.
|
± 2
|
D 1094
|
||
Sülfür, % ağ. maks.
|
0.05
|
D 2386
|
||
Boya, Mavi, mg/L, maks.
Sarı, mg/L, maks.
Kırmızı, mg/L, maks.
|
0.2
yok
2.3
|
2.7
2.8
yok
|
2.7
yok
yok
|
|
Halen geçerli olan ASTM D 910 avgaz şartnamesi üç farklı
oktan sayısında uçak benzinini kapsar; 80, 100, 100 LL; bunların üçü de oktan
sayısı yükseltici kurşun bileşikleri içerirler, farklılığın kolay algılanması
için değişik renklere boyanmışlardır (Tablo-5). Yeni bir avgaz türü olan ve
ASTM tarafından kabul edilen standart 82 oktanlı uçak benzininde kurşun
bileşikleri bulunmaz (Tablo-6).
Tablo-6: ASTM D
6227, 82 oktanlı kurşunsuz
uçak benzini
şartnamesi
Özellik
|
Avgaz
82
|
ASTM
test metodu
|
Renk
|
eflatun
|
D 2392
|
Buhar basıncı, kPa
|
38-62
|
D 4953, 5190-91, 5482
|
Donma noktası, 0C, maks.
|
-58
|
D 2386
|
Distilasyon, 0C, % (hac.)
buharlaşan
|
D 86
|
|
%10 maks.
|
70
|
|
%50
|
66-121
|
|
%90 maks.
|
190
|
|
Son nokta, maks.
|
225
|
|
Oktan sayısı, motor met. min.
|
82.0
|
D 2700
|
Alevlenme Noktası
Alevlenme noktası, bir sıvının üstündeki buharının yakıcı
bir kaynakla temas ettiğinde alevlendiği en düşük sıcaklıktır. Alevlenme
noktası sıcaklığında sıvıdan buharlaşmış olan kısım, alevlenebilmek için
yeterli gaz-hava karışımı oranına ulaşmıştır. Alevlenme noktası tayini testin
yapıldığı koşullara bağlıdır; bu standartlar test metoduyla tanımlanır. Avgazın
alevlenme noktası –40ºC (–40ºF) dolayındadır, kalite kontrol testlerinde
bulunmaz.
Akışkanlık
Diğer sıvılarda olduğu dibi avgaz da yeteri kadar
soğutulduğunda donmaya başlar. Avgaz çok sayıda hidrokarbonlar karışımıdır ve
her hidrokarbonun kendine özgü donma noktası olduğundan yaktın katılaşması tek
bir sıcaklıkta değil, sıcaklık azalırken önce donma noktası en yüksek olan
hidrokarbondan başlayarak kademe kademe ilerler. Böylece homojen bir sıvı
halindeki yakıt, azalan sıcaklıkla önce az miktarda waks kristalleri içeren
sıvıya, sonra çok miktarlarda kristaller içeren sıvıya ve çok düşük
sıcaklıklarda da katı hidrokarbon bloklarına benzer bir hale gelir.
Avgaz, uçak hem yükseklerde ve hem de yerdeyken düşük
sıcaklıklardadır; dolayısıyla yakıtın düşük sıcaklıklardaki akışkanlığını
koruması ve sürdürmesi gerekir. Yükseklerdeki hava sıcaklıkları mevsimlere ve
bölgelere göre değişir. 3000 metredeki en düşük ortalama sıcaklık –25ºC
(–13ºF), 6000 metrede –42ºC (–44ºF) dolayındadır. Benzinde bulunan düşük
molekül ağırlıklı ve düşük donma noktalı hidrokarbonlar bu sıcaklıklarda
kristallenmezler, fakat molekül ağırlıkları arttıkça hidrokarbon bileşiklerin
kristallenme sıcaklıkları da yükselir. Avgazda böyle bir olasılıkla
karşılaşmamak için şartnamede donma noktası değeri en fazla –58ºC (–72ºF). ile sınırlandırılmıştır.
Buzlanma Noktası
Karbüratör Buzlanması: Buharlaşan bir sıvı, herhangi
bir ısı kaynağı yoksa, etrafından ısı alarak çevresini soğutur. Karbüratör
buzlanması, giren havanın sıcaklığının suyun donma sıcaklığının altına
düşürülmesiyle gerçekleşen bir olaydır. Havanın sıcaklığı iki nedenle düşer;
birincisi avgazın buharlaşmasıyla, diğeri havanın karbüratör venturisinden
geçerken olan genleşmeyle. Bazı koşullarda,özellikle giriş havasının 4ºC ve
15ºC (25ºF ve 60ºF) arasında olduğunda ve yüksek nem bulunduğunda venturide ve
trotıl valfinde buzlanma oluşur. Yakıtın buzlanma eğilimi uçuculuğuyla paralel
olarak artar; çünkü karbüratörde buharlaşan kısım giriş manifoldundakinden daha
fazla olur. Bazı motorlarda bu sorun giriş havasının veya karbüratör
venturisinin ısıtılmasıyla çözülür.
Buhar Basıncı
Uçuculuk: Uçuculuk, bir yakıtın buharlaşma
eğilimidir. Avgazın uçuculuğu buhar basıncı ve distilasyon profiliyle
açıklanır; daha uçucu olan yakıtı buhar basıncı daha yüksektir ve daha düşük
sıcaklıklarda distillenir.
Motorlarda, yakıtın silindirlere gönderilmesi için iki temel
sistem vardır; karbürasyon ve yakıt injeksiyonu. Birincide yakıt ve havanın
karıştırılması karbüratörde başlar ve giriş manifoldunda tam karışma olur,
sonra bu karışım silindirlere emilir. Yakıt injeksiyon sisteminde ise yakıt,
her silindirin üstündeki giriş manifolduna injekte edilir; bu sırada giriş
manifoldundan çekilen hava ile beraber, karışarak silindire girer, ve tam
karışma silindirin emme-sıkıştırma strokunda sırasında tamamlanır.
İlk uçak motorları karbürasyon sistemiyle çalıştıklarından
avgazın uçuculuk şartnameleri karbüratörlü motor gereksinimlerine göre
geliştirildi. Yakıt injeksiyonlu motorlarda kullanılan yakıtlar için de,
yakıtın uçuculuğu fazla önemli olmadığından aynı şartnameler geçerlidir.
Yakıt-Kaynaması (Kaynama Kaybı): Bir sıvı, kendi
buhar basıncı bulunduğu yerdeki atmosfer basıncına eşit olduğunda kaynamaya
başlar. Yükseklere çıkıldıkça atmosfer basıncı azalır, dolayısıyla sıvını
kaynama noktası da buna paralel olarak düşer. Örneğin, deniz seviyesinden 3000
metre (~10000 feet) yükseklikte basınç 1x0.69 atmosfer, 6000 metrede 1x0.46
atmosferdir.
Yüksekliğin artmasının ikinci bir etkisi atmosfer
sıcaklığının azalmasıdır; sıcaklığın azalması da basıncın düşmesine yol açar.
Yakıt tanklarının atmosfere açık havalandırma çıkışları olduğundan uçağın
bulunduğu yüksekliklerde yakıt tankı ile çevre basıncı eşanlı olarak
dengelenir, ancak tanktaki yakıtın ortam koşullarının gerektirdiği sıcaklığa
kadar soğuması zaman alır.
Deniz seviyesinden kalkan bir uçağın tankındaki yakıt,
örneğin 38ºC (100ºF) ise, uçak hızla 6000 metreye yükseldiğinde atmosfer
basıncı düşer, fakat yakıt hemen gerektiği kadar soğumaya zaman
bulamayacağından buhar basıncı hala yüksektir ve kaynamaya başlar. Yakıt kaynadığında
önce içindeki kolay buharlaşan bileşikler buharlaşır; bu hafif bileşiklerin
ayrılması kalan yakıtın bileşiminin değişmesine ve buhar basıncının düşmesine
neden olur. Ayrıca tankta kalan yakıtın buharlaşmadan dolayı sıcaklığı da
düşer.
Buhar basıncının ve sıcaklığın düşmesi yakıt-kaynamasıyla
olan kayıpları % birkaç gibi en az düzeye indirir.
Distilasyon
Avgaz, kaynama noktaları farklı çok sayıda hidrokarbon
bileşiklerin karışımı olduğundan geniş bir sıcaklık aralığında kaynar.
Distilasyon profili ASTM D 86 standart testine uygun olarak yapılır; 100 ml
örneğin buharlaştırılıp tekrara yoğunlaştırılmasıyla %5, 10, 20, 30, ..hacim
fraksiyonlarının toplandığı sıcaklıklar saptanarak sıcaklık-hacim eğrisi, yani
distilasyon profili elde edilir. Uçuculuğu yüksek olan bir yakıt motorun
çalışmasını kolaylaştırır, ancak buhar tıkanması, buzlanma ve yakıt-kaynaması
gibi sorunları artırır. Sorunları minimuma indirmek için avgazın uçuculuk
özelliklerini dengelemek gerekir. Şekil-6‘da tipik bir avgaz örneğinin distilasyon
profili verilmiştir.
Motorun Soğuk Çalışması: Sıvılar ve katılar değil
sadece gazlar yanar. Bu tanıma göre bir yakıtın, yani buharlarının yanması için
yakıtın atmosferde veya bir motorun silindirinde olması fark etmez.
Motor soğukken silindirlerin içi de soğuktur, dolayısıyla
soğuk motorun kolay çalışması için yakıtın kolay buharlaşması, yeteri kadar
uçucu bileşenler içermesi gerekir.
Şekil-6: Avgaz ASTM D 86 distilasyon eğrisi
Çevre sıcaklığı ne kadar düşükse kullanılan yakıtın
uçuculuğunun da o derecede yüksek olması gerekir. Başka bir yöntem de motorun
yardımcı donanımlarla ısıtılmasıdır.
Motorun Düzenli Çalışması: Bir motorun düzenli
çalışması için yakıt-hava karışımının tüm silindirler arasında aynı seviyede
(eşit) dağıtılması gerekir. Eşit-karışım dağıtımı yakıt injeksiyonlu motorların
dizaynlarında vardır, ancak karbüratörlü motorlarda benzer bir durum yoktur.
Her iki tip motorlarda da kullanılan yakıtın uçuculuğu, yanmadan önce yeteri
kadar buharlaşıp hava ile karışması için belirli değerlerin üstünde olmalıdır.
Karbüratörlü bir motorda kullanılan yakıtın uçuculuğu
yeterli olmadığında, motor geometrisine bağlı olarak bazı silindirler farklı
karışımlar emer; örneğin bir silindir sıvı yakıt, yakıt buharı ve hava karışımı
emerken, bir diğeri az yakıt buharı ve hava karışımı çekebilir. Ayrıca avgazda
bulunan anti-vuruntu katkı maddesi kurşun tetraetil bileşiği yakıttan daha az
uçucu olduğundan sıvı yakıt içindeki konsantrasyonu daha yüksektir.
Silindirler arasında yakıt ve anti-vuruntu katkı maddesinin
eşit olarak dağıtılmaması morun düzensiz çalışmasına ve ekonomik olmamasına,
motor vuruntusu, dolayısıyla silindirlerin hasarlanmasına sebep olur. Yakıt
damlacıkları silindirler duvarlarına ulaşırsa oradaki yağlama filmi bozulur,
piston sekmanları ve silindir duvarları aşınmaya başlar.
Buhar Tıkanması: Yakıt sisteminin herhangi bir
yerinde (yakıt pompası, yakıt borusu, karbüratör veya yakıt enjektörü) aşırı
miktarda benzin buharının toplanması halinde buhar tıkanması oluşur, motora
yakıt ikmali azalır veya durur. Yeterli yakıt ikmali olmaması yakıt-hava
karışımındaki yakıt buharlarının azalmasına, dolayısıyla güç kaybı, vuruntu ve
geri-yanmaya sebep olur. Yakıt ikmalinin tamamen kesilmesi halinde ise motor
durur, yakıt sistemi soğuyarak buharın yoğunlaşmasına kadar da tekrar çalışmaz.
Avgazın buhar tıkanma eğilimi uçuculuğunun artmasıyla artar;
yakıtın aşırı ısınması buhar tıkanmasının temel nedenidir. Uçak motoru
yükseklerde birbirine zıt iki önemli etki altındadır.
Birincisi yüksekliğin artmasıyla düşen çevre sıcaklığıdır;
bu durum yakıt sisteminin soğumasını sağladığından olumlu bir etkidir. Diğeri
çevre basıncının düşmesidir ki düşük basınç yakıtın gereğinden fazla
buharlaşmasına neden olur. Uçak motorunun yakıt sistemi dizaynı tüm etkenler
dikkate alınarak yapılır.
Isı Değeri
Uçak piston motoru yakıtın kimyasal enerjisini mekanik
enerjiye dönüştürerek güç üretir; enerji içeriği (veya yanma ısısı), belirli
bir miktar yakıtın kontrollü koşullarda yakıldığı zaman açığa çıkan ısıdır.
Çıkan ısının miktarı yanma sırasında oluşan suyun buhar halinde kalması veya
sıvılaşmasına bağlı olarak değişir. Su yoğunlaşarak sıvı hale geçerse kendi
buharlaşma ısısını sisteme verir. Bu halde sistemin ısı enerjisi daha yüksek
olur; buna “kaba (gross) ısı değeri” denir. Reaksiyon suyunun buhar halinde
kalması durumunda “net ısı değeri”, suyun buharlaşma ısısı kadar daha düşük
olur. Motordan çıkan eksozda su buhar halinde olduğundan yakıtların ısı
değerleri kıyaslanırken net ısı değerleri dikkate alınır.
Enerji içeriği yakıtın bileşimindeki hidrokarbonların tür ve
miktarlarına bağlıdır; bileşimin değişmesiyle yakıtın vereceği enerji miktarı
da değişir. Ancak uçak yakıtları çok kritik yakıtlardır ve avgaz şartnameleri
yakıtın bileşimini çok sıkı bir şekilde kontrol altına aldığından enerji
içeriği değişmez veya sadece %birkaç kadar değişebilir.
Oktan Sayısı
Vuruntu: İç yanmalı ve kıvılcım-tutuşmalı bir
sistemde normal yanma bir kıvılcımla başlatılır; alev, tüm yakıt tükeninceye
kadar yanma odacığında hızla ve düzgün
bir şekilde dağılarak dolaşır. Yanma normal olmadığı zaman vuruntu (uçak
endüstrisinde patlama da denir) denilen bir ses oluşur; yanmamış yaktın bir
kısmı alev temasında değil de kendiliğinden tutuşur ve hızla yanar. Bunun
sonucunda silindir basıncındaki artış duyulan çarpma sesine neden olur.
Bir motorun vuruntusuz, düzenli ve güvenilir çalışması için
yakıtın silindirlerde yanarken vuruntuya karşı dirençli olması gerekir. Bu
özellik avgazda iki parametreyle tanımlanır; oktan sayısı ve performans sayısı.
Oktan sayısı ve performans sayısı yakıtın laboratuvarda iki
ayrı test motorunda yapılan anti-vuruntu testlerine göre saptanır. Bunlardan
biri ASTM D 2700 metoduna göre ile elde edilen MON (motor oktan sayısı)
değeridir; düşük yakıt-hava oranıyla (buna zayıf-karışım denir) çalışılır ve
motorun uçuş sırasındaki performansını tanımlar (Bak. Bölüm Benzin). Diğer test
ASTM D 909 standart test metoduna göre yapılır ve uçağın kalkış ve inişlerdeki
performansını belirler; kalkış ve inişlerde
daha çok güce, dolayısıyla daha fazla enerjiye ve yakıta ihtiyacı olması
nedeniyle test bir süperşarj test motorunda yüksek yakıt-hava oranı
(zengin-karışım) ile yapılır.
Oktan sayısı skalası iki saf referans yakıta göre
hazırlanmıştır; normal heptan (oktan sayısı 0) ve izooktan
(2,2,4-trimetilpentan, oktan sayısı 100). Bu iki bileşiğin karışımının oktan
sayısı, karışımın içerdiği izooktanın hacim yüzdesine eşittir. Oktan sayısı
denildiğinde 100 (saf izooktan) ve daha düşük oktan sayısı değerleri ifade
edilir.
Performans sayısı, oktan sayısının 100’ün üstünde olduğu
karışımlar veya yakıtlar için kullanılır. Skalada izooktan 100 değerindedir,
daha yüksek değerler izooktan +
tetraetil kurşun bileşiği karışımlarıyla sağlanır.
Süperşarj Oktan Sayısı (ASTM D 909): Bu yöntemde
süperşarj, tek silindirli bir test motoru kullanılır; motorun çalışma hızı,
sıkıştırma oranı, hava sıcaklığı ve kıvılcım çakma zamanı sabit, giriş
manifoldu hava basıncı ve yakıt-hava oranı değişkendir. Motor bir dinamometreye
bağlıdır ve yakıt-hava oranları (düşükten yüksek yakıt-hava oranlarına)
değiştirilerek oluşan en hafif şiddetteki vuruntularda motor gücü ölçülür.
Dinamometre krank şaftı döndüren net işi ölçer ve krank şaft
üzerinde yapılan iş “net iş”’tir. Brüt iş yanma gazlarının genleşmesiyle piston
üzerinde yapılan işi tanımlar ve net işten daha büyük bir değerdir. Brüt ve net
işler arasındaki fark, yakıtın kalitesine bağlı olmayan ve motordan ve mekanik
koşullarından kaynaklanan “kayıp iş”tir. Kayıp iş gazları silindir içine ve
dışına pompalamak ve motordaki sürtünmeleri yenmek için harcanan işi gösterir.
Pratikte net iş ölçülür, sonra yakıt alışı kesilir, kayıp iş ölçülür ve bu değerlerden
brüt iş hesaplanır.
Bürüt iş = net iş + kayıp iş (Şekil-7)
Test motoru aynı standart çalışma koşullarında önce,
(avgazın oktan sayısı ve performans sayısı değerlerini de kapsayan) iki farklı
referans yakıt serisiyle çalıştırılır, elde edilen değerlerle “iş ve
yakıt-hava” eğrileri çizilir. Test edilen yakıtın “zengin-karışım süperşarj
derecesi”, referans yakıtların eğrileri arasındaki interpolasyonla belirlenir.
İnterpolasyonun yapıldığı yakıt-hava oranı, referans yakıtın en düşük vuruntu
yaptığı ve en yüksek güç çıkışının elde edildiği yakıt-hava oranıdır.
Referans yakıtlar motor oktan sayısı testinde (ASTM D 2700)
kullanılanlarla aynıdır. Birinci referans yakıt serisi değişik hacim
oranlarında n-heptan ve izooktan karışımlarıdır. Test edilen yakıtın bu
referans yakıt grubuyla elde edilen eğriden saptanan süperşarj derecesi, o
noktadaki referans yakıtın içerdiği izooktan hacim %sidir. İkinci referans
yakıt serisi tetraetil kurşun ve izooktanla hazırlanan karışımlardır; test
yakıtının bu referans eğriden okunan süperşarj derecesi ise, içerdiği tetraetil
kurşun konsantrasyonunu gösterir. Test yakıtının zengin-karışım süperşarj
derecesi, 100 ve 100’ün altındaki değerler için “oktan sayısı”olarak, 100’ün
üstündeki değerler için de “performans sayısı, PS” olarak rapor edilir. Oktan
sayısı ve PS, aşağıdaki eşitlikle birbirine bağlıdır.
2800
PS = ¾¾¾¾¾¾¾¾
128-oktan sayısı
Tetraetil kurşun (TEL) etkin bir anti-vuruntu katkı
maddesidir; yanma hücresinde erken tutuşmayla tetiklenen ve vuruntuya neden
olan zincir reaksiyonları durdurur. Şiddetli vuruntu motorda güç kaybına
yolaçar, motor parçalarının aşırı ısınmasına ve hasarlanmasına sebep olur.
Şekil-7: ASTM D 909 testinin bürüt iş-yakıt/hava eğrisi
Oksidasyon Kararlılığı
Depolama Kararlılığı: Avgazın kararsızlığı içerdiği
bileşiklerin bazıları arasında meydana gelen çok-kademeli oksidasyon
reaksiyonlardır. İlk reaksiyon ürünleri hidroperoksitler ve peroksitlerdir. Bu
ürünler yakıt içinde çözünmüş haldedirler, fakat yakıt sisteminin elastomerik
malzemelerini etkiler ve onların kullanım ömürlerini kısaltırlar. Ayrıca devam
eden reaksiyonlarla çözünebilir gum ve çözünmeyen tanecikler oluşur. Bu
maddeler yakıt filtrelerini tıkar ve yakıt sistemi cidarlarında kalıntı
birikmesine neden olarak yakıtın akışını zorlaştırır.
Avgazın depolanması süresinde önemli kararsızlık
sorunlularıyla karşılaşılmaz; nedeni yaktın üretim proseslerinin elverişliliği
ve depolanan yakıtın birkaç ay gibi kısa süre içinde tüketilmesidir. Uzun
süreli depolamada yakıtta bazı değişikliler meydana gelebilir; bunlar:
·
Çok reaktif hidrokarbonlar hava ile
oksitlenirler ve yakıtın kararsızlık reaksiyonlarını tetiklerler
·
Tetraetil kurşun bileşikleri havayla
oksitlenerek çözünmeyen beyaz katı bileşikler oluşur
·
Fazla uçucu bileşikler buharlaşır, yakıtın
bileşimi değişir, TEL konsantrasyonu şartname sınırlarının üstüne çıkabilir,
buhar basıncı minimum değerin altına düşer
·
Çevre sıcaklığının yüksekliği kararsızlık
reaksiyonlarını hızlandırır
Korozyon
Yakıt dağıtım ve kullanım aşamalarına kadar çeşitli
malzemelerle temas eder. Gerek bu serüven boyunca ve gerekse uçağın yakıt
sisteminde herhangi bir korozyona sebebiyet vermemelidir. Bazı sülfür
bileşikleri potansiyel korozyon yapıcılardır. Bunlar şartnamelerde bakır
korozyon testiyle kontrol altına alınır. Mikrobiyal çoğalma da diğer bir
korozyon kaynağıdır.
c. Katkı
Maddeleri
Avgazın içerdiği straight-run benzin hidrokarbonların oktan
sayıları düşüktür; dolayısıyla son ürünlerin (örneğin, Avgaz 80) oktan sayısı
istenilen değerlerden daha düşük olur. Oktan sayısı artırıcı olarak
alkil-kurşun bileşikleri içeren anti-vuruntu katkı maddeleri kullanılır; bu
katkı maddesinden dolayı kurşunlu kalıntılar oluşumu ‘depozit kontrol’ katkı
maddesiyle kontrol altına alınır.
Avgazlar çeşitli derecelerdedir; her biri farklı renklere
boyanarak hem kolay tanımlanması, hem de motor benzinlerinden ayırt edilerek
güvenlik altına alınması sağlanır.
Diğer çok kullanılan ve gerekli olan katkı maddeleri
oksidasyon inhibitörleridir; bu maddeler yakıtın depolama kararlılığını
düzenler, gum oluşumunu önler, ayrıca kurşun bileşiklerinin çökelerek yakıttan
ayrılmasını engeller.
Bunların dışındaki avgaz katkı maddeleri korozyon
inhibitörleri, yakıtın sistemde donmasını veya buzlanmasını önleyen
anti-buzlanma ve statik dağıtıcı katkı maddeleridir.
2.2. ÜRETİM
Rafinasyon
Uçak benzini (avgaz) de diğer petrol ürünleri gibi
hampetrolün distilasyonuyla elde edilen ip ürünlerden, ilgili şartnameler
dikkate alınarak istenilen kaynama aralıklarındaki fraksiyonların gerekli
rafinasyon ve saflaştırma işlemleriyle elde edilir. Fraksiyonların oktan
sayıları işlenen hampetrolle ilişkilidir; aromatik içeriği yüksek olan
hampetrollerin oktan sayıları, parafinik bazlı hampetrollerden daha yüksektir,
ancak avgaz yönünden değerlendirildiğinde her tür hampetrolden çekilen fraksiyonun
oktan sayısı yetersizdir. Tüm straight-run (SR; doğrudan-çekilen) benzinlerin
oktan sayıları 50-70 arasındadır.
Yüksek performanslı uçak motorlarının imalatıyla yüksek
oktanlı uçak benzinlerine gereksinim doğmuştur. 1930’lu yıllarda katalitik
kraking ve alkilasyon proseslerinin devreye girmesiyle geleneksel SR benzinden
daha yüksek oktan sayılı benzinler üretilmeye başlandı. II. Dünya Savaşı
boyunca uçak yakıtları ihtiyacı olan benzin bu iki prosesten yararlanılarak
üretildi. (Katalitik kraking ve alkilasyon prosesleri ve kimyası Bölüm Rafineri
Prosesleri ve Bölüm Motor benzini kısımlarında anlatılmıştır.)
Alkilasyon prosesinde izobütilen izobütanla reaksiyona
girerek yüksek kaynama noktalı ve yüksek molekül ağırlıklı izoparafinler
meydana gelir; özellikle de oktan sayısı 100 olan 2,2,4-trimetilpentan
(izooktan) izomeri çoğunluktadır. Prosesten çıkan ürüne alkilat denir.
Alkilasyon hammaddesi olefinler katalitik kraking
prosesinden gelir ve genellikle saf izobütilen değildir; propilen, diğer büten
izomerleri ve penten izomerleri de içerir. Alkilasyondan çıkan akımda C8
izomerlerinin çoğunlukta olması halinde C7-C12 ve hatta daha yüksek molekül
ağırlıklarındaki izoparafinler de bulunabilir. Yüksek karbon sayılı
izoparafinlerin oktan sayıları düşük kaynama noktaları da fazla yüksek
olduğundan avgaz ürününde istenmez. Bu nedenden rafineriler genellikle alkilatı
distilleyerek iki fraksiyona ayırırlar; hafif alkilat (< C9) ve
geri-döndürülecek alkilat (> C9). Hafif alkilat avgaz harmanlamada
kullanılır.
Alkilat hem motor benzini ve hem de avgaz için çok değerli
bir harmanlama fraksiyonudur; buhar basıncı oldukça düşüktür, oktan sayısı
yüksektir, safsızlıklar (sülfür, aromatikler ve olefinler) eser miktarlardadır.
Harmanlama
Avgaz, özel olarak üretilen çok yüksek rafine uçak benzinleridir.
Avgaz şartnameleri değişik derecelerde yakıtlar içerdiğinden her birinin
gereksinimi değişik rafineri fraksiyonların harmanlanmasıyla karşılanır.
Avgaz Grade 100 ve 100LL alkilat bazlıdır; yani sentetik
bazlı ürünlerdir. Grade 100LL daha yüksek oktan sayısı gerektirdiğinden
alkilata gerekli miktarda toluen ilave edilir. Grade 80 avgaz, oktan sayısı
daha düşük olduğundan bir miktar SR benzin (ilave saflaştırma işleminden
geçirilmiş) içerir. Tüm avgazlara, şartnamelerinde verilen minimum buhar basıncı
değerlerini karşılayacak miktarlarda bütan veya izopentan gibi hafif
hidrokarbonlar ilave edilir. Bunlardan başka, şartname sınırları içinde olacak
konsantrasyonlarda tetraetil kurşun, etilen dibromür, boyar maddeler ve
rafinerilerin gerek gördüğü diğer katkı maddeleri ilave edilir. (Üretim akım
şeması için Bölüm Motor Benzini kısmına bakınız.)
