Нефтяные топлива играют огромную роль во всех сферах жизни современного человека. По прогнозу, общее количество используемой человечеством энергии нефтяных топлив возрастет к 2020 году в полтора раза, по сравнению с уровнем в 1990 года. При существующих темпах добычи нефти, достоверных запасов последней, вероятно, хватит лишь на пятьдесят лет. Понизить потребление нефтяных топлив можно, путем внедрения топлив получаемых из альтернативных источников сырья.
Нефть является практически универсальным источником энергии, но при ее переработке и сжигании нефтяных топлив образуются вредные продукты, загрязняющие атмосферу. В таблице 1 [1] представлены продукты, образующиеся в процессе сгорания топлива, негативно воздействующие на окружающую среду.
Таблица 1.
Продукты сгорания топлив, загрязняющие атмосферу.
Загрязнители Эмиссия, млрд. т/год S «uS s X о е Средняя продолжи- 1 тельность жизни в атмосфере, сут.
Антропогенная Естественная.
Диоксид углерода 15 1000 500−1500 5.
Монооксид углерода 0,3 0,1−10 0,1−1 100−1000.
Оксиды серы 0,15 0,003−0,03 0,0001−0,001 0,5−2,0.
Оксиды азота 0,05 1 0,001 5.
Углеводороды од 0,5 0,001 1−10.
Известно что, одним из основных источников загрязнения атмосферы является транспорт, доля выбросов которого составляет почти 1/3 от общего их количества.
В связи с этим представляется актуальным повышение экологических показателей топлив, при сохранении или улучшении их эксплуатационных характеристик.
Автопарк является не только основным источником загрязнения, но еще и основным потребителем нефтяных топлив. К настоящему моменту число автомобилей в мире достигло 650 миллионов, и оно неуклонно растет.
В настоящее время проблема повышения качества российского нефтяного топлива приобрела большое значение в связи с высокими международными требованиями к экологическим свойствам топлив [5]. Топлива выпускаются российскими заводами на устаревшем оборудовании в, значительно меньших количествах и худшего качества по сравнению с США и странами Европы [3,11].
Компонентный состав российских бензинов отличается преобладанием в нем бензина каталитического риформинга, который имеет неудовлетворительные экологические свойства, обусловленные высоким содержанием ароматических углеводородов, а также значительной долей прямогонного компонента [5].
В условиях недостатка мощностей вторичных процессов переработки нефти, особенно каталитического крекинга, алкилирования и изомеризации качество российских бензинов следует улучшать с помощью пакетов присадок к топливам. Однако, в разработке присадок и их эффективных пакетов в России также наблюдается значительное отставание [12, 24] .
Среди основных тенденций развития современной топливной промышленности, можно выделить такие, как ужесточение экологических требований к топливу и, как следствие этого, рост объемов потребления высокооктановых бензиновповышение себестоимости добычи нефти, ухудшение ее качества и удорожание ее переработки. Все это диктует необходимость пересмотра традиционных подходов к производству моторных топлив. В первую очередь это касается получения высокооктановых бензинов, наряду с использованием топлив и их компонентов, альтернативных нефтяным топливам. Одним из путей решения этих вопросов может стать использование спиртов в качестве добавок к традиционному бензину. Среди спиртов различного происхождения и структуры особое место, на наш взгляд, занимает этанол, производимый из возобновляемого сырья.
Следует отметить, что эксперименты с добавками на основе спиртов, повышающими октановое число бензинов, в России ведутся уже несколько десятков лет. Однако, полученные результаты позволили авторам предложить рецептуры добавок, устраняющих лишь некоторые недостатки бензинов, в состав которых входили спирты. К таким недостаткам относятся: невысокая стабильность при низкой температуре композиций бензина со спиртами и высокая коррозионная агрессивность. Проведение систематических исследований с композициями, содержащими бензин и спирты, и разработка на основе полученных закономерностей высокооктановых добавок для бензинов являются в настоящее время актуальными.
Цель работы. Разработка добавки, повышающей фазовую стабильность и детонационную стойкость автомобильного бензина.
Основные задачи. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
• исследовать влияние смеси монометиланилина и изопропилового спирта на физическую стабильность спирто-бензиновой смеси;
• исследовать влияние оксиэтилированных моноалкилфенолов на низкотемпературные свойства спирто-бензиновых смесей, приготовленных на базе отдельных компонентов бензина и смесей бензиновых компонентов;
• разработать состав спирто-бензиновой композиции соответствующей современным требованиям нормативно-технической документации;
• определить оптимальный состав бензина, используя методы математического моделирования;
• оценить экономический эффект, полученный при производстве бензинов оптимального состава.
Научная новизна.
• Впервые установлено, что использование смеси антидетонационной добавки монометиланилина и изопропилового спирта в спирто-бензиновой композиции повышает фазовую стабильность топлив.
• Определено соотношение компонентов добавки «неонол: этиловый спирт» при котором система теряет стабильность.
• Впервые показано, что оксиэтилированные моноалкилфенолы (неонолы) обладают свойствами фазовых стабилизаторов для спирто-бензиновых композиций.
• Установлено, что в порядке уменьшения эффективности исследованные неонолы можно расположить в следующий ряд:
АФ-9−6 > АФ-9−8 > АФ-9−9 > АФ-9−10 > АФ-9−12. Практическая ценность и реализация результатов. Показано, что смесь мономтетиланилин и изопропиловый спирт можно использовать в качестве стабилизирующего компонента автомобильного бензина, содержащего этанол (до 20% масс.) и воду (до 4% об. в этаноле).
Определены оптимальные соотношения «Бензин-Этанол-ПАВ», обеспечивающие более высокую, по сравнению с исходной спирто-бензиновой композицией, фазовую стабильность.
Разработана антидетонационная композиция на базе этанола и компонента моющей присадки, неонола АФ-9−6, обеспечивающая высокую фазовую стабильность спирто-бензиновой композиции при понижении температуры.
На основании полученных результатов подобран состав и выпущена опытная партия бензина с добавлением этилового спирта и неонола АФ-9−6 на предприятии ООО «ПО Киришинефтеоргсинтез». Опытная партия была использована в автомобилях транспортного парка предприятия в качестве замены бензина марки АИ-92.
С помощью программы «Калькулятор качества QPRESS» (ЗАО «Хоневел») предложена методика математического расчета, позволяющая количественно оценить влияние добавок этанола на антидетонационные свойства смесей и экономическую эффективность полученных автобензинов.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на научных конференциях, симпозиумах и форумах, в том числе на 3-ем международном симпозиуме «Нефтяные дисперсные системы» (Москва, 10 декабря 2004 г.), на 6-ой научно-технической конференции: «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России» (Москва, 26−27 января 2005 г.), на 5-ом международном форуме: «Топливно-энергетический комплекс России: Региональные аспекты» (С.Петербург, 4−7 апреля, 2005 г.), 6-ом международном форуме: «Топливно-энергетический комплекс России», (С.-Петербург, 11−13 апреля, 2006 г.), на 7-ой Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России». (Москва, 29−30 января 2007 г.).
Публикации. Содержание диссертации опубликовано в 20 печатных работах, по материалам исследований получено 2 патента РФ.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы и 5 приложений. Она изложена на 140 страницах и содержит 47 рисунка и 21 таблицы.
выводы.
1. Проведен ряд экспериментов с целью определения состава добавки с улучшенными низкотемпературными и высокооктановыми характеристиками. В результате получена добавка на основе этилового спирта, содержащая в качестве стабилизатора ПАВ.
2. Показано, что наиболее эффективным компонентом добавки является неонол марки АФ-9−6. Содержание неонола марки АФ-9−6 в добавке в количестве до 10% масс, обеспечивает необходимую фазовую стабильность спирто-бензиновой композиции (ниже минус 25°С), и понижает его температуру помутнения до значений минус 31° С.
3. Экспериментально доказано, что эффективность стабилизирующей добавки неонола существенно зависит от углеводородного состава бензина.
4. Определено соотношение компонентов добавки «неонол: этиловый спирт» при котором система теряет стабильность, о чем свидетельствует ее помутнение и дальнейшее расслоение.
5. Установлено влияние строения и концентрации неонолов на их эффективность в качестве фазового стабилизатора спирто-бензиновой смеси.
6. Установлено, что при увеличении концентрации риформата в прямогонном бензине до 10% масс, существенно понижается температура помутнения (на 30−35 °С) спирто-бензиновой смеси. Влияние бензина риформинга на температуру помутнения спирто-бензиновой смеси можно объяснить процессами мицеллообразования и солюбилизации молекул воды в спирто-бензиновой смеси.
7. Выявлен синергетический эффект совместного использования этанола с монометиланилином в антидетонационной композиции, проявляющийся в повышении фазовой стабильности спирто-бензиновой композиции.
8. Разработан системно-методический подход к оптимизации состава бензина. В качестве критериев оптимизации предложены октановые числа, количественное содержание компонентов бензина, условная цена.
9. Введена и обоснована в качестве показателя эффективности смешения зависимость условной цены композиции от значения ОЧ, характеризующая удорожание бензина при увеличении показателя ОЧ на единицу.
10. Выпущена опытная партия бензина автомобильного с добавлением высокооктановой добавки состоящей из этилового спирта и моноалкилфенола в качестве стабилизирующего компонента. Установлено, что использование добавки такого состава позволяет повысить фазовую стабильность и моющие свойства топлива.
