CC BY
32
УДК 665.733.5.035.2
Г. Ю. Климентова, В. Ю. Маврин
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ СВОЙСТВА СПИРТОСОДЕРЖАЩИХ ТОПЛИВ
Ключевые слова: бензин, этанол, вода, добавки, раствор, низкотемпературные свойства, температура помутнения.
Исследованы низкотемпературные свойства спиртосодержащих топлив с различным содержанием воды. Установлено, что введение водного (до 2% масс.) этанола в исследуемых концентрациях не влияет на фазовую стабильность топлива. В качестве стабилизирующих добавок, при использовании этанола большей об-воднености, были рассмотрены бутанол, присадка «Литон» и дифильные солюбилизаторы. Введение в топливо бутанола и добавки «Литон» позволило расширить область температур, при которых бензино-этаноло-водные смеси образуют гомогенные растворы.
Keywords: petrol, ethanol, water, additives, a solution, low temperature properties, turbidity temperature.
The low- temperature properties of alcohol fuels with different water content was investigated. Found that the introduction of ethanol (up to 2% wt.) in the studied concentrations does not affect the phase stability of the fuel. As stabilizers, when ethanol is used more water cut, were considered butanol, additive "Liton " and diphilic solubilizers. Introduction to fuel butanol and additives "Liton" allowed to extend the range of temperatures at which gasoline-ethanol-water mixture to form a homogeneous solution.
В последние годы все больше исследований проводится по изучению возможности применения этанола как крупнотоннажного оксигената для автобензинов [1]. Производители автомобилей в США, Канаде, ряде стран Европы допускают для применения до 10% масс. этанола. В России в 2004 году введен ГОСТ Р 52201-2004, предусматривающий выпуск бензинов, содержащих от 5 до 10% этанола. Использование до 7-10% этанола позволяет без дополнительных АД-присадок получить прирост октанового числа более чем на три единицы. Однако суровые климатические условия России в сочетании с высокой гигроскопичностью бензино-этанольных смесей препятствует широкомасштабному применению спиртосодержащих топлив из-за их неудовлетворительной фазовой стабильности при отрицательных температурах. Введение в бензин этанола требует обязательного включения в его состав стабилизирующих добавок, позволяющих гомогенизировать систему бензин - вода - спирт. Применение известных эффективных стабилизаторов класса спиртов С3-С5 приведет к росту себестоимости топ-лив и снижению их конкурентноспособности.
Ранее проведенные исследования [2] позволили сделать сравнительный анализ зависимости температур помутнения растворов оксигенатов в бензине от их концентрации в присутствии воды. Показано, что этанол и ацетон, при содержании воды 2,5% масс. одинаково по эффективности понижают температуру помутнения, т.е. бензиновые смеси остаются стабильными до температуры -50оС при концентрации оксигенатов до 3% масс.
В развитие исследований по изучению фазовой стабильности топливных смесей [2, 3] представлялось целесообразным изучить низкотемпературные свойства бензино-этанольных смесей при различном массовом соотношении бензин А-76: этанол в присутствии ацетона и присадки «Литон», разработанной ранее [4].
В исследованиях были использованы несколько образцов этанола с содержанием воды 0.2, 1.2, 1.9, 3.5, 5.2 % масс. и ацетон (0.15% масс). Со-
держание влаги в оксигенатах определяли методом Фишера-Тропша в центральной заводской лаборатории ОАО «Казаньоргсинтез» [2]. Фазовую стабильность топливных смесей исследовали на приборе-анализаторе ИРЭН-2.2., оцениваемым показателем является температура помутнения (Тп).
При исследовании низкотемпературных свойств бензино-этанольных смесей с различным содержанием воды в этаноле было показано, что введение этанола до 7% масс., с содержанием в нем воды от 0,2 до 1,9% масс. не влияет на фазовую стабильность бензина (Тп= - 70оС). Предельная концентрация этанола, содержащего воду от 3,5 до 5,4% масс., составляет 3% масс., при этом достигается максимально допустимая Тп бензина (не выше -50оС). Дальнейшее увеличение концентрации этанола приводит к ухудшению фазовой стабильности бензина (таб.1).
Сравнение фазовой стабильности топливных смесей в присутствии ацетона (97:3% масс.) можно проводить лишь для смесей, в состав которых входит этанол, содержащий воду 3,5-5,2% масс. (таб.1), т.к. при содержании воды в этаноле от 0,2 до 1,9% масс. полученные результаты идентичны (Тп= -70оС).
При исследовании влияния на фазовую стабильность бензино-этанольных смесей товарной формы литиевых регуляторов горения - «Литон», вводимой в соотношении 97:3% масс., показано, что присадка несколько улучшает стабильность топлива. Предельная концентрация этанола с содержанием воды до 3,5% масс. увеличивается до 4% масс., использование этанола с содержанием воды 5,2% масс. приводит к образованию эмульсий (* , таб.1). Введение 1% масс. бутанола в бензино-этанольные смеси способствует повышению фазовой стабильности, только в случае, если содержание воды в нем максимально (5,2% масс.). При незначительной концентрации (1,2-1,9% масс.) воды в этаноле наблюдается некоторое снижение фазовой стабильности (Тп=-67^ -51оС) по сравнению с бензино-этанольными смесями (Тп= - 70оС).
Таблица 1 - Фазовая стабильность спиртосодержащих топливных смесей с добавками
Состав спирта Температура помутнения, оС
Этанол - 96.5%, вода - 3.5 % масс. Этанол - 94.8%, вода - 5.2 % масс.
Концентрация спирта, % масс. Добавка Добавка
ацетон «Литон» бута-нол «Литон» и бутанол ацетон «Ли-тон» бута-нол «Литон» и бутанол
0.5 <-70 <-70 <-70 <-70 <-70 <-70 <-70 <-70 <-70 <-70
1 <-70 <-70 <-70 <-70 <-70 <-70 <-70 <-70 <-70 <-70
2 <-70 <-70 <-70 <-70 <-70 -61 -63 * -68 <-70
3 -58 -60 <-70 <-70 <-70 -56 -50 * -65 <-70
4 -47 -38 -52 -47 -58 -41 -29 * -51 -46
5 -39 -36 -42 -34 -51 -39 -18 * -39 -28
6 -38 -34 -40 -34 -38 -16 -17 * -23 -20
7 -35 -24 -37 -28 -34 -10 -14 * -15 -17
Низкотемпературные свойства бензино-этанольных смесей с присадкой «Литон» (3% масс.), в присутствии бутанола существенно улучшаются при содержании воды в этаноле 3,5-5,2 % масс. (табл.1). При этом присутствие бутанола препятствует образованию эмульсий, в отличие его отсутствия.
Ранее [3] было показано, что в состав антидетонационной присадки, на основе полиалкилалка-ноатов лития, вводится оксаль Т-66. Так же было установлено [2] , что присутствие 0,5% этого солю-билизатора в бензине и бензино-ацетоновых смесях не влияет на фазовую стабильность топлива. Определение влияния добавки оксаля Т-66 на фазовую стабильность исследуемых топливных смесей связано с подбором моющих компонентов антидетонационных присадок. Оксаль Т-66, обладающий высокой растворяющей способностью к литиевым солям, смывает отложения, образующиеся на впускных клапанах двигателя, в камеру сгорания.
Концентрация этанола, % масс.
Бензино-этанольные смеси Бензино-ацетоновые смеси Бензино-этанольные смеси с добавкой "Литон"
Рис. 1 - Зависимость температуры помутнения бензина от концентрации оксигенатов
При исследовании низкотемпературных свойств растворов установлено, что введение оксаля Т-66 в топливные смеси они остаются стабильными до температуры -50оС при концентрации воды в этаноле от 0,2 до 1,9 % масс. При более обводненном
спирте (3,5 и 5,2 % масс) его предельная концентрация составляет 3 и 2 % масс. соответственно.
Таблица 2 - Фазовая стабильность топливных смесей с добавкой солюбилизаторов
Состав спирта Температура помутнения, оС
Этанол - 96.5%, вода - 3.5 % масс..
Концентрация спирта, % масс. Добавка
БЦ ЭЦ БК ЭК
0.5 -70 -70 -70 -70
1 -70 -70 -70 -70
2 -70 -70 -70 -70
3 -61 -47 -49 -42
4 -57 --37 -38 -40
5 -37 -28 -34 -30
6 -33 -21 -23 -25
7 -28 -16 -21 -25
На рис. 1 приведены данные сравнительного анализа фазовой стабильности бензино - этаноль-ных (при содержании воды в этаноле 3,5% масс.), бензино - ацетоновых (2,5% масс.) и бензино - эта-нольных смесей с добавкой «Литон», в присутствии 0,5% масс. оксаля Т-66.
Для сравнения были исследованы низкотемпературные свойства растворов других дифиль-ных солюбилизаторов: этил- (ЭЦ) и бутилцелло-зольва (БЦ), этил- (ЭК) и -бутил- карбитола (БК), в бензино-этанольных смесях . Эти объекты были выбраны в качестве потенциальных моющих компонентов антидетонационных присадок (таб.2).
При содержании воды в этаноле от 0,2 до 1,9% масс. температура помутнения бензино-этанольных смесей в присутствии исследуемых ди-фильных солюбилизаторов не изменяется (ниже- 70оС). Лучшие результаты были получены для бутилцеллозольва.
Таким образом, некоторые продукты нефтехимического синтеза способны найти применение в составе топлив в качестве многофункциональных присадок - низкотемпературных стабилизаторов фазового состояния бензино-спиртовых смесей.
Экспериментальная часть
Подготовка исходных компонентов: бута-нол очищали простой перегонкой над металлическим натрием. Этанол кипятили над свежепрокален-ной окисью кальция в течение определенного времени, затем отгоняли обезвоженный спирт досуха, остатки воды удаляли перегонкой над металлическим натрием.
Образцы готовили смешением компонентов при комнатной температуре в следующей последовательности: готовили растворы добавок в углеводородах в присутствии или отсутствии солюбилиза-торов, затем добавляли этанол в исследуемой концентрации. Полученные растворы выдерживались при комнатной температуре в течение часа и анализировались на приборе ИРЭН 2.2. Диапазон измеряемых температур составлял +10 + -70оС.
© Г. Ю. Климентова - канд. хим. наук, доцент каф. ТООНС, КНИТУ, [email protected]; В. Ю. Маврин - канд. хим. наук, доцент каф. ТООНС, КНИТУ.
© G. Y. Klimentova - Ph.D. in chemistry, Associate Professor Department of technology of basic organic and petrochemical synthesis, KNRTU, [email protected]; V. Y. Mavrin - Ph.D. in chemistry, Associate Professor Department of technology of basic organic and petrochemical synthesis, KNRTU.
Литература
Данилов А.М. Применение присадок в топливах: Справочник - СПб: ХИМИЗДАТ, 2010. - 368 с. Климентова Г.Ю. Низкотемпературные свойства растворов углеводородов с оксигенатами / Г.Ю. Климентова, В.Ю.Маврин // Вестник КГТУ- 2014. - Т.17. -№-1.- С.268-271.
Климентова Г.Ю. Низкотемпературные свойства растворов полиалкилалканоатов щелочных металлов в углеводородах / Г.Ю. Климентова, В.Ю.Маврин // Вестник КГТУ- 2013. - Т.16. - №6. - С.206-208. Пат. 2203927 С1 РФ, МПК С 10 L 1/18. Присадка к углеводородному топливу / В.Ю. Маврин, А.П. Коваленко, Г.Ю.Климентова; заявитель и патентообладатель Казанское ОАО «Органический синтез». - № 2001122751; заяв. 13.08.2001; опубл. 10.05.2003.
