CC BY
59
Темерева И. В., Смирнова Т. Б. Модификация рецептуры автомобильного бензина методом компаундирования// Электронный научно-методический журнал Омского ГАУ. - 2020 - № 1 (20) январь - март - URL http://e-journal.omgau.ru/images/issues/2020/1/00810.pdf. - ISSN 2413-4066
УДК 66.092.094.25
Темерева Ирина Владимировна
Старший лаборант
ФГБОУВО Омский ГАУ, г. Омск
iv.temereva@omgau.org
Смирнова Татьяна Борисовна
Канд. с.-х. наук, доцент
СКИТУ (филиал) ФГБОУ ВО «МГУТУ им. К.Г. Разумовского (ПКУ)», г. Омск renpiorhin@yandex .т
Модификация рецептуры автомобильного бензина методом компаундирования
Аннотация. Использование бензинов в цивилизованном обществе предполагает их технологическую эффективность и экологическую безопасность. В связи с этим, требования к эксплуатационным и экологическим характеристикам бензинов постоянно растут, что приводит к необходимости совершенствования процессов и технологий их производства. В статье предложен эмпирически созданный вариант альтернативного состава бензина марки Премиум Евро-95 с сохранением эксплуатационных характеристик, содержанием бензола менее 1%, что соответствует стандарту Евро-4.
Ключевые слова: нефть, бензин, моторное топливо, стандарт, рецептура, бензол.
Товарный бензин - это многокомпонентные топлива, представляющие собой смесь бензиновых фракций, полученных в различных технологических процессах и добавляемых к ним присадок.
Автомобильный бензин получают путем смешения (компаундирования) бензиновых фракций прямой гонки, термического и каталитического крекинга, каталитического риформинга, алкилата, изомеризата [1].
Среди большого ассортимента автомобильных бензинов большим спросом, наряду с маркой Супер Евро-98, пользуется бензин марки Премиум Евро-95 - топливо, которое используется преимущественно для автомобилей зарубежного производства с поршневым двигателем с принудительным воспламенением.
Интенсивное развитие промышленности и расширение сферы использования нефтепродуктов всех видов приводят к возрастающему загрязнению окружающей среды. Моторные топлива являются основными источниками вредных выбросов, в мегаполисах их доля достигает 80-90%. К основным экологическим характеристикам бензина относятся: содержание свинца, серы, ароматических углеводородов и бензола [2].
Во всем мире законы о защите окружающей среды требуют перехода на экологически чистые автотранспортные средства, для эксплуатации которых требуется соответствующее топливо.
Цель исследования - повышение экологической безопасности автомобильного бензина.
В связи с поставленной целью, модификация рецептуры бензина, направленная на стабилизацию его экологических характеристик актуальна и практически значима. Задачи исследования:
- изучить технологию производства бензинов на АО «Газпромнефть-ОНПЗ»;
- модифицировать рецептуру бензина Премиум Евро-95 на основе эмпирического метода с выходом на требования стандарта Евро-4;
- провести аналитический контроль экспериментального образца.
В исследовательской работе рассматриваются гипотезы:
- бензин - многокомпонентная система, в связи с чем, её состав может быть изменен;
- изменение состава бензина отражается на его качественных показателях;
- эмпирически может быть разработана рецептура бензина, альтернативная имеющимся.
Методологическая база:
- теоретический анализ; -эмпирический метод;
- методы аналитического контроля.
Показателями качества бензина являются:
1. Детонационная стойкость. Детонация - это ненормальное сжигание топлива в двигателе. При нормальном сгорании бензина скорость распространения пламени составляет 25-35 м/с. Детонация возникает, если скорость распространения пламени в двигателе достигает 1500-2500 м/с. Мощность двигателя падает, его детали перегреваются. В результате перегрева увеличивается износ двигателей, появляются трещины, выгорают поршни и клапаны. Показателем детонационной стойкости является октановое число.
2. Октановое число - условная единица измерения детонационной стойкости топлива. Чем выше октановое число бензина, тем дольше он не воспламеняется при сжатии.
Октановое число (ОЧ) определяют двумя методами: моторным и исследовательским. Моторный метод предусматривает определение ОЧ в жестких условиях: частота вращения двигателя 900 об/мин, температура всасываемой смеси 149°С. При исследовательском методе частота вращения двигателя достигает 600 об/мин, температура всасываемой смеси 52°С.
3. Испаряемость. От испаряемости зависит скорость запуска двигателя, распределение топлива по цилиндрам и полнота его сгорания, экономичность двигателя. Для полного сгорания бензина в двигателе его необходимо быстро испарить и смешать с воздухом в определенном соотношении, т.е. создать горючую смесь. Состав горючей смеси имеет решающее значение для работы двигателя. В цилиндры двигателя должна поступать однородная горючая смесь, в которой концентрация топлива, находящегося в парообразном состоянии и равномерно распределенного по всему объему, достаточна для его воспламенения от электрической искры. Испаряемость определяется температурой перегонки 10, 50 и 90% от объёма выкипания фракций бензина.
4. Фракционный состав (от него зависят пуск, время прогрева, износ двигателя, расход топлива и масел).
5. Давление насыщенных паров. От давления зависит склонность бензина к образованию паровых пробок, возможные потери бензина при хранении, транспортировке, легкость пуска двигателя. Чем больше в бензине углеводородов с низкой температурой кипения, тем выше его испаряемость и давление насыщенных паров, а следовательно и склонность к образованию паровых пробок.
6. Химическая стабильность. Характеризует способность бензина сохранять свой первоначальный химический состав без изменения при длительном хранении, перекачках и транспортировании. При окислении изменяется цвет бензина, появляется резкий запах, на дне резервуара образуется масляный слой, слаборастворимый в бензине, повышается кислотность бензина, т. е. увеличивается его коррозионность.
7. Кислотность - показатель коррозионных свойств бензина, обусловленных наличием в них органических кислот, сернистых соединений, водорастворимых кислот и щелочей.
8. Содержание сернистых соединений. Сера, сероводород и меркаптаны, коррозируют металл даже при низких температурах, поэтому их присутствие в бензинах недопустимо. Тиофены, сульфиды, высшие меркаптаны коррозии не вызывают, однако при их сгорании образуются оксиды серы, под действием которых происходит быстрый коррозионный износ двигателя.
9. Содержание углеводородов. Ароматические углеводороды повышают склонность бензинов к образованию отложений в камере сгорания двигателя, способствуют образованию в отработавших газах канцерогенного бензола. Снижение доли ароматических углеводородов в бензине приводит к уменьшению содержания токсичных продуктов в отработавших газах. Олефиновые углеводороды приводят к образованию отложений во впускной системе двигателей; в продуктах сгорания олефинов присутствуют токсичные диены.
С целью значительного улучшения эксплуатационных свойств топлив и масел к последним добавляют в небольших количествах вещества, называемые присадками.
В качестве присадок широко используют антидетонаторы, которые улучшают горение топлива: тетраэтилсвинец (ТЭС), метил-трет-бутиловый эфир (МТБЭ) и циклопентадиенилтрикарбонил марганца (ЦТМ) [3].
Современные технические регламенты устанавливают требования к автомобильному и авиационному бензину, дизельному и судовому топливу, топливу для реактивных двигателей. В отношении автобензина действуют европейские стандарты (табл. 1) [4].
Таблица 1 - Требования Европейского Экономического Сообщества к автомобильным
бензинам
Показатели Евро-3 Евро-4
Максимальное содержание: - бензола, % 1,0 1,0
- серы, ppm 150 50
- ароматических углеводородов, % 42 35
- олефиновых углеводородов, % 18 14
- кислорода, % 2,3 2,7
Фракционный состав, % не менее до 100 0С перегоняется до 150 0С перегоняется 46 75 46 75
Давление насыщенных паров, кПа, не более 60 60
Наличие моющих присадок Обязательно
В России переход на производство бензина, соответствующего евростандартам, не требует кардинального технического перевооружения. Основная цель - соблюдение экологических требований на территории Российской Федерации, в том числе по ограничению выхлопов, возможность унифицировать как российские, так и европейские требования к топливу, стимулирование производителей к вложениям в нефтеперерабатывающее производство для получения более качественного топлива.
Примерный компонентный состав исследуемого образца автомобильного бензина приведен в таблице 2.
Таблица 2 - Средний компонентный состав бензина Премиум Евро-95
Показатели, % объема Премиум Евро-95
Бензин риформинга 5-90
Крекинг бензин 10-50
Изомеризат 10-35
Толуол 8-15
Метил-трет-бутиловый эфир (МЭТБ) 10-15
Предложение по модернизации: модифицировать рецептуру автомобильного бензина методом компаундирования (ввести газовый бензин в состав бензина Премиум Евро-95), с целью стабилизации содержания бензола в составе бензина при сохранении требуемого стандартами октанового числа. Процесс компаундирования бензина заключается в том,
чтобы на основании эмпирического подсчета из ряда бензиновых компонентов приготовить требуемое топливо [5].
В условиях лаборатории Омского нефтеперерабатывающего завода были определены концентрации бензола в бензиновых компонентах при использовании инфракрасного спектрофотометра с Фурье-преобразованием «Paragon 1000», в основе которого лежит принципиальная оптическая схема.
Массовая доля бензола в бензине определяется автоматически по высоте пика графика. Преобразование к проценту объема бензола - Для преобразования стандартов для калибровки и квалификации в % объема используют формулу 1:
V = Mb {Df 10,8844-), (1) где Vb -концентрация бензола, % объема; Mb - концентрация бензола, % массовый;
Df - относительная плотность при 15,56 0С испытуемого или калибровочного или квалификационного стандарта.
Результаты анализа представлены в таблице 3.
Таблица 3 - Содержание бензола в компонентах бензина (данные лаборатории АО «Газпромнефть - ОНПЗ»)
Компонент бензина Содержание бензола,%
Газовый бензин 0,23
Крекинг-бензин 0,59
Бензин риформинга 6,48
В таблице 4 приведены основные требования к эксплутационным и экологическим характеристикам законодательства Западной Европы (Стандарты для бензинов класса Евро-3 и Евро-4).
_Таблица 4 - Показатели качества европейских бензинов_
Показатели Евро-3 Евро-4
Концентрация свинца, мг/дм3, не более 5 -
Плотность при 150С 720-775 720-775
Содержание серы, ррт не более 150 50
Концентрация смол, мг/100 см3 не более 5 5
Объемная доля углеводородов, % не более:
олефины 18 18
ароматические 42 35
Объемная доля бензола, % не более 1 1
Объемная доля кислорода, % не более 2,7 2,7
Объемная доля оксигенатов, % не более:
метанол 3 3
этанол 5 5
изопропиловый спирт 10 10
трет-бутиловый спирт 7 7
эфиры 15 15
другие оксигенаты 10 10
Давление насыщенных паров, кПа не более 60 60
Октановое число
- моторный метод 95 95
- исследовательский метод 85 85
В таблице 5 приведены характеристики исследуемого бензина Премиум Евро-98 по ГОСТ Р 51866-2002 (с изменениями).
_Таблица 5 - Показатели качества бензина Премиум Евро-98_
Наименование показателя Премиум Евро-98
ОЧММ 85
ОЧИМ 98
Концентрация РЬ, г/л, не более отсутствует
Концентрация Мп, мг/л, не более отсутствует
Концентрация фактических смол, мг/100 см3, не более 5
Индукционный период бензина, мин, не менее 360
Массовая доля серы, мг/кг, не более 50 (класс 4)
Объёмная доля бензола, %, не более 1,0
Испытания на медной пластине Выдерживает класс 1
Внешний вид Чистый, прозрачный
Плотность при 15 °С 725-775
Для расчета состава приготовляемого моторного топлива используются различные формулы, основанные на правиле аддитивности.
Например, для расчета октанового числа используется формула 1:
х = ахг + Ъх2 +... + пхп, (1) где а, Ь, ..., п - содержание компонентов в долях от единицы; х1, х2, ..., хп - октановые числа компонентов.
Это правило неприменимо при расчетах таких констант, как упругость паров, температура вспышки, индукционный период, вязкость, и ряда других констант, не подчиняются аддитивности.
1. Расчет исследовательского октанового числа (ОЧИМ) проводился по формуле 2:
ОЧИМ = Ар • Хр + А • хк + Аи • хи + Аг • хг + Ат • хт + АШБэ • хМТБЭ, (2)
где Ар - октановое число бензина риформинга;
Ак - октановое число бензина каталитического крекинга после гидроочистки; Аи- октановое число изомеризата; Аг - октановое число газового бензина; Ат - октановое число толуола;
Амтбэ - октановое число метил-трет-бутилового эфира;
х - содержание каждого компонента в бензине в долях от единицы.
ОЧИМ = 102 • 0,11 + 91,5 • 0,3 + 92 • 0,35 + 66,1 • 0,08 +120 • 0,09 +117 • 0,07 = 95,15
2. Расчет моторного октанового числа (ОЧММ):
ОЧММ = 90,4 • 0,11 + 80,7 • 0,3 + 89 • 0,35 + 65,5 • 0,08 +109 • 0,09 +100 • 0,07 = 87,3
3. Расчет плотности, кг/м :
р95 = 810 • 0,11 + 738 • 0,3 + 650 • 0,35 + 638 • 0,08 + 866 • 0,09 + 746 • 0,07 = 719,2 кг/м3
4. Расчет содержания серы (Бррт):
£95 = 0,14 • 0,11 + 50 • 0,3 + 0,3 • 0,3 + 61 • 0,08 + 0 + 0 = 19,98ррт
5. Расчет содержания бензола (Б,%):
Б = 6,48 • 0,11 + 0,59 • 0,3 + 0,35 • 0 + 0,08 • 0,231 + 0 + 0 = 0,9%
6. Расчет содержание аренов (Аг,%):
Аг = 79 • 0,11 + 25,31 • 0,3 + 0 + 0,08 • 0,214 +100 • 0,9 + 0 = 25,3%
7. Расчет содержания олефинов (01,%): 01 = 1,2 • 0,11 + 29 • 0,3 + 0 + 0 + 0 + 0 = 8,83%
По итогам аналитического расчета можно сделать вывод, что бензин Премиум Евро-95 соответствует стандарту Евро-4 по основным эксплуатационным и экологическим характеристикам. В рецептуре этого бензина используется бензин изомеризации, гидроочищенный бензин каталитического крекинга и газовый бензин.
Лабораторный анализ экспериментального образца бензина Премиум Евро-95 на содержание в нем бензола, показал отсутствие достоверных расхождений в результатах теоретических расчетов с результатами аналитического контроля.
Таким образом, в результате эмпирического компаундирования установлен качественный и количественный состав модифицированного бензина марки Премиум Евро-95 по содержанию бензола, аренов, серы и величине октанового числа, удовлетворяющий требованиям государственного стандарта к бензинам класса Евро-4.
Ссылки на источники:
1. Общая химическая технология: учебник для вузов / А. М. Кутепов, Т. И. Бондарева, М. Г. Беренгартен. - М.: Академкнига, 2004. - 528 с.
2. Горошко С.А. Производство автомобильных бензинов с улучшенными экологическими характеристиками в России: проблемы и перспективы / С. А. Горошко, Н. В. Фролова, И. В. Маликов // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. - 2012. -№10.-С.35-40.
3. Гуреев А. А. Автомобильные бензины. Свойства и применение : учебное пособие / А.А. Гуреев, В. С. Азев. - М.: Нефть и газ, 1996. - 444 с.
4. ГОСТ Р 51866-2002 (EH 228-2004) Топлива моторные. Бензин неэтилированный. Технические условия. - Москва : Изд-во стандартов, 2002. - 2 с.
5. Оптимальное компаундирование бензинов / В. В. Поздяев, В. Е. Сомов, Н. В. Лисицын, Н. В. Кузичкин // Нефтепереработка и нефтехимия. - 2002. - № 10. - С. 53-57.
Irina Temereva
Senior laboratory assistant FSBEIHE OmskSAU, Omsk
Tatyana Smirnova
Candidate of Agricultural Sciences, Аssociate Professor
SKITU (branch) MSUTM (FCU) named after K.G. Razumovsky, Omsk
Modification of the Formulation of Automobile Gasoline by Compounding Method
Abstract. The use of gasoline in a civilized society assumes their technological efficiency and environmental safety. In this regard, the requirements for the operational and environmental characteristics of gasoline are constantly growing, which leads to the need to improve the processes and technologies of their production. The article offers an empirically created version of the alternative composition of Premium Euro-95 gasoline with the preservation of their performance characteristics and a benzene content of less than 1%, which corresponds to the Euro-4 standard. Keywords: oil, gasoline, motor fuel, standard, formulation, benzene.
