CC BY
73Спиртовые топлива для дизельных двигателей
В.А. Марков,
профессор Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана (МГТУ им. Н.Э. Баумана), д.т.н., Н.Н. Патрахальцев,
профессор Российского университета дружбы народов (РУДН), д.т.н.
В статье проведен анализ физико-химических свойств спиртов, которые могут применяться в качестве топлив в дизельных двигателях. Рассмотрены способы организации рабочего процесса дизеля при использовании указанных топлив. Представлены некоторые результаты экспериментальных исследований дизелей, работающих на спиртовых топливах.
Ключевые слова: дизельный двигатель, дизельное топливо, спиртовые топлива, метанол, этанол, пропанол, бутанол.
Alcohol Fuels for Diesel Engines
V.A. Markov, N.N. Patrakhal'tsev
Analysis of physico-chemical properties of alcohols which could be used as a fuel for diesel engines is carried out in this paper. The ways of organizing diesel engine operation process when using indicated fuels are considered. Certain results of the experimental research into diesel engines running on alcohol fuels are presented.
Keywords: diesel engine, diesel fuel, alcohol fuels, methanol, ethanol, propanol, butanol.
Характерными особенностями современного этапа развития топливно-энергетического комплекса являются дефицит нефтяного сырья, повышение мировых цен на нефть и нефтепродукты и все более широкое использование моторных топлив, производимых из альтернативных сырьевых ресурсов. Среди альтернативных топлив, используемых в транспортных энергетических установках, одними из наиболее перспективных считаются спирты и топлива, производимые на их основе [1, 2]. Спиртовые топлива можно получить из любого углеводородного сырья, как минерального (природный газ, уголь, горючие сланцы), так и органического (картофель, свекла, другие сельскохозяйственные культуры, растительные отходы, во-
доросли и др.). Среди преимуществ спиртовыхтоплив необходимо, в первую очередь, отметить наличие в их молекулах атомов кислорода, что позволяет заметно улучшить показатели токсичности отработавших газов (ОГ) двигателей внутреннего сгорания.
Спирты являются соединениями органического происхождения и характеризуются присутствием в их молекуле одной или нескольких гид-роксильных групп ОН (рис. 1) [1]. В зависимости от числа этих групп спирты подразделяются на одноатомные, двухатомные и многоатомные. В группе одноатомных спиртов выделяются нормальные спирты, в которых соединенные между собой атомы углерода образуют неразветвлен-ную цепочку углеводородных групп
СН3 и СН2, а гидроксильная группа ОН соединена с последней группой СН2 в этой цепи (нормальный пропанол, нормальный бутанол и др. на рис. 1), и изомеры этих спиртов. Среди одноатомных спиртов в зависимости от положения гидроксильной группы различают первичные РСН2ОН (например, нормальный бутанол), вторичные РСНОН (втор-бутанол) и третичные спирты РСОН (трет-бутанол, Р - радикал, рис. 1).
Простейший из спиртов - метиловый спирт (метанол, карбинол, древесный спирт) СН3ОН - является ядовитой бесцветной легкоподвижной жидкостью со слабым спиртовым запахом, подобным запаху этилового спирта. Легко смешивается с водой в любых соотношениях, смешивается со спиртами, бензолом, ацетоном и другими органическими растворителями, не смешивается с алифатическими углеводородами. Его получают путем каталитического гидрирования монооксида углерода СО синтез-газа (смесь СО и Н2). Синтез-газ, в свою очередь, получают при окислении природного газа, или газификации твердого углеродсодержащего сырья, (например, угля), биомассы и др. В частности, метанол может быть получен сухой перегонкой древесины. Обладает высоким октановым числом, поэтому его добавляют в автомобильные бензины. Метанол является ядовитым веществом. Некоторые физико-химические свойства метанола приведены в табл. 1 [3].
Другой характерный представитель спиртов - этиловый спирт (этанол, метилкарбинол, винный спирт) СН3СН2ОН (или С2Н5ОН) - бесцветная легкоподвижная жидкость со жгучим вкусом и характерным запахом. Смешивается с водой в любых пропорциях. Этиловый спирт является хорошим растворителем смол, жиров и других органических веществ. Это позволяет получать на его основе различные смесевые топлива, приближающиеся по своим свойствам к стандартным дизельным топливам. Синтетический этанол получают гидратацией этилена
С2Н4. Широко применяется его получение гидролизом растительных материалов (в частности, древесины) или сбраживанием сахаристых веществ, содержащихся в биомассе. В результате последнего процесса получают винный спирт. Некоторые свойства этанола приведены в табл. 1 [3].
В ряде стран широкое применение в качестве топлива для ДВС получил газохол - смесь бензина с этанолом в соотношении 9:1 [4]. Он представляет собой жидкость с плотностью р=730-760 кг/м3, пределами выкипания 25-210°С, низшей теплотой сгорания Ни=41900 кДж/кг, теплотой испарения Qисп=465 кДж/кг.
Кроме этанола и метанола в качестве топлив для ДВС могут быть использованы и другие алифатические спирты, имеющие неразветвленную структуру - пропиловый, бутиловый, амиловый (пентанол), гексанол, геп-танол, октанол, деканол, а также их изомеры.
Нормальный пропиловый спирт (н-пропанол, 1-пропанол, 1-оксипро-пан, этилкарбинол) - СН3СН2СН2ОН (или С3Н7ОН) - бесцветная жидкость с характерным спиртовым запахом, хорошо смешивающаяся с водой, спиртами, эфирами, бензолом. Его получают гидрированием пропионового альдегида или омылением пропилга-догенидов. Растворитель природных и синтетических смол, восков.
Изопропиловый спирт(изопропа-нол, втор-пропанол, 2-пропанол, ди-метилкарбинол) СН3СН(ОН)СН3 (или С3Н7ОН) - вторичный спирт, прозрачная бесцветная жидкость со слабым спиртовым запахом, смешивающаяся с водой и органическими растворителями. Получают гидратацией пропилена. Растворитель ацетатов целлюлозы, этилцеллюлозы, целлофана, эфирных масел, алкалоидов. Компонент антифризов, заменитель этанола во многих областях его применения.
Нормальный бутиловый спирт (н-бутанол, 1-бутанол) - СН3(СН2)2СН2ОН (или С4Н9ОН) - бесцветная жидкость с характерным спиртовым запахом. Ограниченно растворим в воде, сме-
н н
г /
н-с-о
I
н
метанол
нннн
1111 н-с-с-с-с-о
I I I I
нннн нормальный бутанол
н н
Г I f
н-с-с-о
I I
н н этанол
✓Н
H
н о'н н
t I I I
н-с-с-с-с-н
I I I I
нннн
н н н н
III ✓
н-с-с-с-о
I I 1
н н н
нормальный пропанол
H
н о н
I I I
н-с—с—с-н
н I н н-с-н
н
втор-бутанол трет-бутанол
Н
но'н
I 1 I
н-с-с-с-н
I I I
н н н
изопропанол
Н H Н
t I I
н-с—с—с-о
н I н н-с-н
I
н
изобутанол
✓Н
н н н
с=с-с-о'
1 1 I
н н н
алл иловый спирт
С_С Н Н Н
Н-С\0/С-С-о'
с / н
н
н н н
f I /
о-с-с-о
I 1
н н
н н н н н
N11 1 I /
о-с-с-о-с-с-о
II II
н н н н
н
бензиловый спирт
этиленгликоль диэтиленгликоль
Рис. 1. Молекулярные структуры спиртов: С - атомы углерода; Н - атомы водорода; О - атомы кислорода
шивается со спиртами и эфирами. В промышленности бутанол получают ферментативным брожением угле-водсодержащих веществ, синтезом из пропилена в присутствии катализаторов, синтезом из ацетальдегида, выделением из отходов производства синтетического каучука.
Вторичный бутиловый спирт (втор-бутанол, 2-бутанол, метилэтил-карбинол) - СН3СН(ОН)СН2СН3 (или С4Н9ОН) - бесцветная жидкость со спиртовым запахом. Втор-бутанол получают взаимодействием концентрированной серной кислоты с буте-нами с последующим гидрированием втор-бутил-серной кислоты. Синтез втор-бутанола осуществляется из бутан-бутиленовой фракции, получающейся при парофазном крекинге нефти, содержащей значительное количество бутенов (до 32%). Получают также гидролизом вторичного бутил-хлорида, который образуется наряду с первичным бутилхлоридом при хлорировании н-бутана. Алкилирующий и дегидратирующий агент. Компонент тормозных жидкостей. Высокооктановый компонент моторных топлив.
Трет-бутиловый спирт (трет-бута-нол, триметилкарбинол, 2-метил-2-
пропанол) - (СН3)3СОН (или С4Н9ОН) - третичный спирт, бесцветная жидкость (при 1>25,5°С) с камфарным запахом. Получают действием 65 %-ной серной кислоты на смесь изобу-тилена с бутиленами с последующим гидрированием сернокислого эфира. Растворитель, антисептик, душистое вещество в парфюмерии, применяется для денатурирования этанола. Отличается высокой температурой плавления (1=25,5°С).
Изобутиловый спирт (изобутанол, 2-метил-1-пропанол) - (СН3)2СНСН2ОН (или С4Н9ОН) - первичный спирт, бесцветная жидкость со спиртовым запахом. В значительных количествах содержится в сивушных маслах, откуда может быть выделен дробной перегонкой. Синтетический изобутиловый спирт получают из синтез-газа (смеси СО и Н2) в присутствии катализатора или гидрированием изомасляного альдегида. Из полученной при таком синтезе смеси спиртов изобутанол выделяют перегонкой. Растворитель лаков и красок, используется для синтеза пластификаторов и гербицидов. Компонент масел и тормозных жидкостей.
Нормальный амиловый спирт (н-пентанол, 1-пентанол, н-бутилкарби-
нол) - СН3(СН2)3СН2ОН (или С5НпОН) - бесцветная жидкость с характерным «сивушным» запахом, растворимая в органических растворителях. Смешивается с растительными и минеральными маслами, растворяет смолы. Получают дистилляцией сивушных масел брожения или хлорированием пентанов с последующим омылением продуктов щелочью. Используется в производстве сложных эфиров, по-рохов, пищевых эссенций, валериа-
новой кислоты. Растворитель лакокрасочных материалов. Обладает наркотическим действием, раздражает слизистые оболочки.
Вторичный амиловый спирт (втор-пентанол, 2-пентанол, 1-метил-1-бутанол, метилпропилкарбинол) - С3Н7СН(ОН)СН3 (или С5Н11ОН) - бесцветная жидкость, растворимая в органических растворителях. Получают дистилляцией сивушных масел или хлорированием пентанов с последу-
ющим обработкой щелочью. Применяют для синтеза сложных эфиров, как растворитель лакокрасочных материалов, в производстве порохов, пищевых эссенций. Раздражает кожу, обладает наркотическим действием.
Изоамиловый спирт (3-пента-нол, 1-этил-1-пропанол, диэтилкар-бинол) - (С2Н5)2СНОН (или С5Н11ОН) - вторичный спирт, бесцветная жидкость с характерным запахом. Получение аналогично получению
Таблица 1
Физико-химические свойства метанола, этанола, бутанолов
Спирты
Показатели Метанол Этанол Н- пропанол Изо-пропанол Н-бутанол Втор-бутанол Трет-бутанол Изо-бутанол
Формула состава СН3ОН С2Н5ОН С3Н7ОН С3Н7ОН С4Н9ОН С4Н9ОН С4Н9ОН С4Н9ОН
Молекулярная масса 32,04 46,07 60,10 60,10 74,12 74,12 74,12 74,12
Плотность при 20°С, кг/м3 791,7 789,0 803,5 785,1 809,8 806,0 788,7 802,1
Вязкость кинематическая при 20оС, мм2/с 0,75 1,00 2,81 3,09 3,60 5,22 4,20 4,50
Поверхностное натяжение при 20оС, мН/м 22,1 22,0 23,8 21,7 24,2 23,0 - 22,1
Цетановое число 5 8 - - 18 - 15 -
ОЧ по моторному методу 98 99 - 90 87 - 95 94
ОЧ по исследовательскому методу 112 111 - 110 - 112 - 113
Температура плавления, °С -97,8 -114,6 -126,2 -89,5 -89,8 -114,7 25,5 -108,0
Температура кипения, °С 64,7 78,4 97,2 82,4 117,5 99,5 82,9 108,4
Критическая температура, °С 249,4 243,7 263,7 235,6 288,6 264,0 235,0 271,0
Критическое давление, МПа 8,02 6,38 5,10 5,38 4,68 4,53 4,96 4,58
Температура вспышки, °С 10,0 12,2 23,0 13,0 34,0 24,0 10,0 28,0
Температура самовоспламенения, °С 464 426 371 - 345 - 480 390
Концентрационные пределы воспламенения,% 6,7-36,5 3,2-19,0 2,1-13,5 2,2-13,0 1,8-12,0 1,9-7,9 - 1,8-7,3
Теплота сгорания низшая, кДж/кг 19670 26800 30700 32800 33100 - - 32980
Количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг вещества, кг 6,49 9,01 10,36 10,36 11,20 11,20 11,20 11,20
Теплота испарения, кДж/кг 1115 870 749 670 591,2 562,4 535,4 578,4
Давление насыщенных паров при 0,1 МПа и 20°С, кПа 24,6 12,2 2,0 5,2 0,8 2,4 5,6 1,2
Теплоемкость Ср при 0,1 МПа и 20°С, кДж/(кг град) 2,51 2,47 2,45 2,68 2,43 2,73 - 2,38
Содержание, % по массе: С Н О 37.5 12.6 49,9 52,2 13,1 34,7 60,0 13,4 26,6 60,0 13,4 26,6 64,8 13,6 21,6 64,8 13,6 21,6 64,8 13,6 21,6 64,8 13,6 21,6
Растворимость в воде при 20°С, г/100 г воды Не ограничена Не ограничена Хорошая Хорошая 10,0 12,5 Не ограничена 11,1
ПДК рабочей зоны, мг/м3 5 1000 10 980 10 150 300 150
Примечание. «-» - свойства не приведены; ПДК - предельно допустимая концентрация.
других пентанолов. Применяют как растворитель лакокрасочных материалов, в производстве порохов, пищевых эссенций. Пенообразователь при флотации. Раздражает кожу и слизистые оболочки, обладает наркотическим действием.
Трет-амиловый спирт (трет-пентанол, диметилэтилкарбинол) - (СН3)2С(ОН)С2Н5 (или С5Н11ОН) - третичный спирт, бесцветная жидкость с характерным запахом. Применяют
как пенообразователь при флотации, в производстве лекарственных средств, растворитель лакокрасочных материалов. Обладает наркотическим действием. Некоторые физико-химические свойства этих пентанолов представлены в табл. 2 [3].
Известен также изоамило-вый спирт (2-метил-1-бутанол) -С2Н5СН(СН3)СН2ОН (или С5Н11ОН) - первичный спирт, бесцветная жидкость со спиртовым запахом. Температура
плавления I = -70,0°С, температура кипения 1=128,7°С, температура вспышки 1=42°С, плотность р=819,0 кг/м3.
Известен также изоамиловый спирт (3-метил-1 -бута нол, изобутил ка рби-нол) - (СН3)2СНСН2СН2ОН (или С5Н11ОН) - первичный спирт, бесцветная жидкость с острым неприятным запахом. Температура плавления I = -117,2°С, температура кипения 1=131,9°С, температура вспышки 1=43°С, температура самовоспламенения 1=340°С,
Таблица 2
Физико-химические свойства пентанолов и гексанолов
Показатели Спирты
Н-пентанол 2- пентанол 3- пентанол Трет-пентанол Н-гексанол 2- гексанол 3- гексанол Изогексанол
Формула состава С5Н11ОН С5Н11ОН С5Н11ОН С5Н11ОН С6Н13ОН С6Н13ОН С6Н13ОН С6Н13ОН
Молекулярная масса 88,15 88,15 88,15 88,15 102,18 102,18 102,18 102,18
Плотность при 20°С, кг/м3 815,1 809,3 820,3 809,0 815,5 806,3 816,4 833,3
Вязкость кинематическая при 20°С, мм2/с 4,18 - 4,56 - 5,5 - - -
Поверхностное натяжение при 20°С, мН/м 25,2 - 23,9 - 24,0 - - -
Цетановое число 30 - 20 - - - - -
ОЧ по моторному методу 77 - - - - - - -
ОЧ по исследовательскому методу - - - - - - - -
Температура плавления, °С -78,8 - -75,0 -11,9 -51,6 -103,0 - -15,0
Температура кипения, °С 137,8 119,9 116,1 101,8 157,8 131,8 124,0 146,3
Критическая температура, °С 315,0 - - - - - - -
Критическое давление, МПа 4,05 - - - - - - -
Температура вспышки, °С 51,0 36,0 34,0 19,0 - - - -
Температура самовоспламенения, °С 300 330 343 - - - - -
Концентрационные пределы воспламенения,% 1,2-10,0 1,5-9,9 - - - - - -
Теплота сгорания низшая, кДж/кг 34700 - - - 36000 - - -
Количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг вещества, кг 11,77 11,77 11,77 11,77 12,18 12,18 12,18 12,18
Теплота испарения, кДж/кг 502,0 - - - 578 - - -
Давление насыщенных паров при 0,1 МПа и 20°С, кПа 0,7 0,8 - - 0,2 0,4 0,9 -
Теплоемкость Ср при 0,1 МПа и 20°С, кДж/(кгтрад) - - - - 1,43 - - -
Содержание, % по массе: С Н О 68,1 13,7 18,2 68,1 13,7 18,2 68,1 13,7 18,2 68,1 13,7 18,2 70,5 13,8 15,7 70,5 13,8 15,7 70,5 13,8 15,7 70,5 13,8 15,7
Растворимость в воде при 20°С, г/100 г воды 2,5 5,0 5,5 - 0,7 - - -
ПДК рабочей зоны, мг/м3 10 10 10 - - - - -
Примечание. «-» - свойства не приведены.
плотность р=809,2 кг/м3. Известно еще четыре изомера н-пентанола.
Нормальный гексиловый спирт (н-гексанол, 1-гексанол) - СН3(СН2)4СН2ОН (или С6Н13ОН) - бесцветная жидкость со слабым спиртовым запахом. Хорошо растворим в органических растворителях, мало растворим в воде. Содержится в сивушном масле. Синтезируют адольной конденсацией масляного альдегида и ацетальдегида с последующим гидрированием обра-
зовавшегося непредельного альдегида. Используется при производстве лаков и красок, фармацевтических препаратов и моющих средств, в промышленности душистых веществ, растворитель синтетических смол.
Вторичный гексиловый спирт (2-гексанол, 2-метил-2-пентанол)
- (СН3)2СНСН2СН(ОН)СН3 (или С6Н13ОН)
- бесцветная жидкость со слабым запахом, хорошо растворимая в спиртах и эфирах, плохо растворима в
воде. Содержится в сивушном масле. Используется в производстве лаков, красок и душистых веществ, растворитель синтетических смол.
Изогексиловый спирт (3-гексанол, этилпропилкетон) - С2Н5СН(ОН)С3Н7 (или С6Н13ОН) - бесцветная жидкость со слабым спиртовым запахом.
Изогексиловый спирт (изогексанол, 2-этил-1-бутанол) - (С2Н5)2СНСН2ОН (или С6Н13ОН) - первичный спирт, бесцветная жидкость со слабым
Таблица 3
Физико-химические свойства гептанолов, октанолов, деканола
Показатели Топлива
Н-гептанол 2- гептанол 3- гептанол 4- гептанол Н-октанол 2-октанол Изо-октанол Н-деканол
Формула состава С7Н15ОН С7Н15ОН С7Н15ОН С7Н15ОН С8Н17ОН С8Н17ОН - С10Н21ОН
Молекулярная масса 116,20 116,20 116,20 116,20 130,23 130,23 - 158,29
Плотность при 20°С, кг/м3 822,5 819,0 821,0 817,4 824,6 818,8 831,5 829,7
Вязкость кинематическая при 20°С, мм2/с 8,0 - - - 8,8 10,0 - -
Поверхностное натяжение при 20°С, мН/м - - - - 25,6 - - -
Цетановое число 40 - - - - - - -
Температура плавления, °С -34,4 - -70,0 -32,6 -16,3 -31,6 - +7,0
Температура кипения, °С 176,5 160,4 156,2 144,0 195,2 179,0 185-190 231,0
Критическая температура, °С 365,3 - - - 385,5 - - -
Критическое давление, МПа 2,98 - - - 2,68 - - -
Температура вспышки, °С 74,0 63,0 60,0 48,9 64,0 74,0 - 82,0
Температура самовоспламенения, °С 255,0 286,0 - - 178,0 - 185,0 288,0
Концентрационные пределы воспламенения,% 0,9-7,0 - - - - - - -
Теплота сгорания низшая, кДж/кг 36800 - - - 37500 - - 41500
Количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг вещества, кг 12,49 12,49 12,49 12,49 12,74 12,74 12,74 13,10
Теплота испарения, кДж/кг 578 - - - - - - -
Давление насыщенных паров (0,1 МПа и 20°С), кПа 0,2 - - - - - - 0,0032
Теплоемкость Ср при 0,1 МПа и 20°С, кДж/(кгтрад) 1,43 - - - - - - 1,43
Содержание, % по массе: С Н О 72,3 13,9 13,8 72,3 13,9 13,8 72,3 13,9 13,8 72,3 13,9 13,8 73.8 13.9 12,3 73.8 13.9 12,3 73.8 13.9 12,3 75,9 14.0 10.1
Растворимость в воде при 20°С, г/100 г воды 0,1 0,35% - - 0,05 - - -
ПДК рабочей зоны, мг/м3 10 - - - 10 - - -
Примечание. «-» - свойства не приведены.
запахом. Некоторые физико-химические свойства этих гексанолов представлены в табл. 2 [3]. Известно еще 13 изомерных форм гексилового спирта.
Нормальный гептиловый спирт (1-гептанол, н-гептанол, энантовый спирт) - СН3(СН2)5СН2ОН (или С7Н15ОН)
- бесцветная жидкость с фруктово-цветочным запахом, растворимая в органических растворителях. Содержится в сивушном масле. Получают каталитическим гидрированием гептилового альдегида или эфиров н-гептановой (энантовой) кислоты. Другой способ получения - гидрокар-бонилирование а-олефинов. Образуется наряду с другими спиртами при каталитическом восстановлении монооксида СО и диоксида СО2 углерода водородом. Образует сложные эфи-ры. Применяется для получения пластификаторов, как растворитель смол, как поверхностно-активное вещество. Раздражает слизистые оболочки дыхательных путей и глаз. Обладает наркотическим действием.
Вторичный гептиловый спирт (2-гептанол, метил-н-амилкарбинол,1-ме-тил-1-гексанол) - СН3(СН2)4СН(ОН)СН3 (или С7Н15ОН) - бесцветная жидкость с характерным запахом, растворимая в органических растворителях. Получают окислением парафиновых углеводородов в присутствии кислотных катализаторов с последующим гидролизом и дистилляцией продуктов. Применяют для производства поверхностно-активных веществ. Растворитель полимеров, флотореагент.
Изогептиловый спирт (3-геп-танол, этил-н-бутилкарбинол)
- С2Н5СН(ОН)С4Н9 (или С7Н15ОН) - вторичный спирт, бесцветная жидкость, растворимая в спиртах и эфирах. Получают окислением н-гептана в присутствии кислотных катализаторов. Поверхностно-активное вещество, Растворитель лакокрасочных материалов.
Изогептиловый спирт (4-гептанол, ди-н-пропилкетон) - С3Н7СН(ОН)С3Н7 (или С7Н15ОН) - вторичный спирт, бесцветная жидкость с характерным запахом, не растворимая в воде. Его получают как побочный продукт при
масляно-кислом брожении древесной целлюлозы в присутствии извести или термическим разложением солей кальция масляной кислоты. Растворитель нитратов, целлюлозы, масел, природных и синтетических смол, компонент пищевых эссенций (при сильном разбавлении - запах ананаса и земляники). Некоторые физико-химические свойства этих гептанолов представлены в табл. 3 [3]. Известны и другие изомеры гептилового спирта.
Нормальный октиловый спирт (н-октанол, 1-октанол, 1-оксиоктан)
- СН3(СН2)6СН2ОН (или С8Н17ОН) - бесцветная маслянистая жидкость с характерным ароматным запахом, хорошо растворима в этаноле, эфирах, хлороформе, плохо - в воде. Получают каталитическим гидрированием каприлового альдегида, каприловой кислоты или ее эфиров. Другой способ получения н-октанола заключается в гидрировании октиловых эфи-ров жирных кислот, содержащихся в кокосовом масле. Используется при производстве синтетических моющих и косметических средств. Применяется как растворитель, компонент консистентных смазок, гидравлических и тормозных жидкостей, регуляторов вязкости жидких эпоксидных смол. Вязкостная и депрессорная присадка к моторным топливам и маслам. Токсичен, раздражает слизистые оболочки дыхательных путей и глаз, в меньшей степени - кожу.
Вторичный октиловый спирт (втор-октанол, 2-октанол, метил-н-гек-силкарбинол, каприловый спирт)
- СН3(СН2)5СН(ОН)СН3 (или С8Н17ОН)
- бесцветная маслянистая жидкость с характерным запахом. Растворим в органических растворителях, практически нерастворим в воде. Получают синтетическим путем (гидрированием гексилметилкетона) или выделяют из природного сырья. Применяют в производстве пластификаторов, масел для гидравлических систем, анти-вспенивающих присадок к смазочным маслам. Компонент консистентных смазок и тормозных жидкостей, растворитель. Некоторые физико-хими-
ческие свойства этих октанолов представлены в табл. 3 [3].
Известно еще несколько изомеров октанола. Наиболее характерны следующие. 2-Этил-1-гексанол (2-этилгекси-ловый спирт) - СН3(СН2)3СН(С2Н5)СН2ОН (или С8Н17ОН) - жидкость со спиртовым запахом. Температура плавления 1=-76°С, температура кипения 1=183,5°С, температура вспышки 1=73°С, плотность р=834,0 кг/м3.
3,5-Диметил-1-гексанол - СН3СН (СН3)СН2СН(СН3)(СН2)2ОН (или С8Н17ОН)
- жидкость с характерным запахом. Температура кипения 1=182,5°С, плотность р=828,2 кг/м3.
2,2,4-Триметил-1-пентанол - СН3С Н(СН3)СН2С(СН3)2СН2ОН (или С8Н17ОН)
- жидкость, растворимая в органических растворителях. Температура плавления I = -70°С, температура кипения 1=168°С, температура самовоспламенения 1=180°С, плотность р=837,5 кг/м3.
В качестве топлива может применяться изооктанол - смесь нескольких октиловых спиртов (основные из которых - 3,4-, 3,5-, 4,5-диметилгекса-нолы в количестве 20, 30 и 30% соответственно). Изооктанол выделяют из продуктов оксосинтеза гептеновой фракции, образующейся при сополи-меризации пропилена с бутиленом.
Н-деканол (дециловый спирт, 1-де-канол) СН(СН2)8СН2ОН (или С10Н21ОН)
3 2 8 2 10 2 1
- бесцветная жидкость с приятным запахом (запах розы и апельсина). Растворим в спиртах, нерастворим в воде. Содержится в некоторых эфирных маслах. Получают выделением из смеси (С10-С12) синтетических жирных спиртов, а также каталитическим гидрированием эфиров каприновой кислоты или дециленового альдегида, содержащегося в эфирном масле, выделенном из зеленых частей и цветов кориандра. Применяется как душистое вещество в парфюмерии и пищевой промышленности, для получения моющих средств. Некоторые физико-химические свойства н-дека-нола представлены в табл. 3 [3].
Известны и другие предельные спирты.
Этилбутиловый спирт (2-этил-бутанол, псевдогексиловый спирт)
- С2Н5СН(С2Н5)СН2ОН (или С6Н13ОН)
- жидкость, плохо растворимая в воде (0,43% при 20°С) и растворимая в большинстве органических растворителей. Температура плавления I = -114°С, температура кипения 1=148,9°С, температура вспышки 1=53°С, плотность р=833,4 кг/м3.
Метиламиловый спирт (метилизо-бутилкарбинол, 4-метил-2-пентанол)
- (СН3)2СНСН2СН(СН3)ОН (или С6Н13ОН)
- жидкость, плохо растворимая в воде (1,7 % при 20°С) и растворимая в большинстве органических растворителей. Температура плавления I = -90о С, температура кипения 1=131,8°С, температура вспышки 1=46°С, плотность р=806,4 кг/м3, ПДК=25 мг/м3.
Представленные спирты относятся к группе насыщенных спиртов. Известны и ненасыщенные спирты. Простейшим устойчивым представителем ненасыщенных спиртов является аллиловый спирт СН2=СНСН2ОН (или С3Н5ОН) - бесцветная жидкость с острым запахом, смешивающаяся с водой и органическими растворителями. Температура плавления I = -129°С, температура кипения 1=96,9°С, температура самовоспламенения 1=235°С, плотность р=852 кг/м3. Раздражает кожу и слизистые оболочки дыхательных путей и глаз.
Бензиловый спирт (фенилкар-бинол) - С6Н5СН2ОН (или С7Н7ОН)
- ненасыщенный спирт, содержащий в молекуле кольцевую бензольную структуру. Душистая жидкость, плохо растворимая в воде, растворимая в спиртах. Содержится во многих эфирных маслах и природных бальзамах. Растворитель сложных эфиров целлюлозы, казеина, восков. Температура плавления I = -15,3°С, температура кипения 1=205,8°С, плотность р=1047 кг/м3.
В качестве топлива для дизелей могут быть использованы двухатомные, трехатомные и многоатомные спирты. Характерными двухатомными спиртами являются гликоли (диолы)
- соединения жирного ряда, содер-
жащие две спиртовые группы ОН. К ним относится этиленгликоль (гликоль, 1,2-диоксиэтан, 1,2-этандиол) -НОСН2СН2ОН (или С2Н6О2) - жидкость, смешивающаяся с водой, спиртами, ацетоном, глицерином, уксусной кислотой. Получают гидратацией оксида этилена.
Применяется в производстве целлофана, полиуретанов, ряда других веществ. Входит в состав антифризов, гидравлических, тормозных и закалочных жидкостей. Температура плавления I = -12,3оС, температура кипения 1=197,6°С, температура вспышки 1=120°С, температура самовоспламенения 1=380°С, плотность р=1114 кг/м3.
К группе гликолей относятся ди-этиленгликоль, дипропиленгликоль, триэтиленгликоль, трипропиленгли-коль, ряд других спиртов, которые наряду с признаками спиртов (наличие спиртовых групп ОН) имеют и признаки эфиров (радикалы, соединенные атомом кислорода).
Диэтиленгликоль (дигликоль, диоксидиэтиловый эфир) - НОСН2 СН2ОСН2СН2ОН или [НОСН2СН2]2О (или С4Н10О3) - получают при конденсации этиленгликоля с оксидом этилена. Густая бесцветная жидкость. Температура плавления I = -7,8°С, температура кипения 1=245,8°С, температура вспышки 1=135°С, плотность р=1116 кг/м3. Компонент антифризов, гидравлических, тормозных и смазочных жидкостей.
Дипропиленгликоль - [НОСН2СН (СН3)]2О (или С6Н14О3) - жидкость, получаемая при конденсации этиленг-ликоля с оксидом пропилена. Температура плавления I = -50°С, температура кипения 1=232°С, температура вспышки 1=138°С, плотность р=1023 кг/м3.
Триэтиленгликоль - НОСН2С-Н2ОСН2СН2ОСН2СН2ОН (или С6Н14О2 4)
2 2 2 2 2 6 14 4
- жидкость, получаемая при конденсации этиленгликоля с оксидом этилена. Температура плавления I = -4,3°С, температура кипения 1=285°С, температура вспышки 1=165°С, плотность р=1124 кг/м3.
Трипропиленгликоль - НОСН2СН (СН3)ОСН2СН(СН3)ОСН2СН(СН3)ОН (или С9Н20О4) - жидкость, получаемая при конденсации этиленгликоля с оксидом пропилена.
Приведенные выше данные свидетельствуют о том, что метанол и этанол по своим физико-химическим свойствам близки к бензинам. В частности, они имеют повышенную испаряемость, сравнительно невысокие плотность и вязкость, приемлемые для двигателей с принудительным воспламенением октановые числа (91-92 единицы по моторному методу) [2].
Положительным свойством спиртов является наличие в их молекулах атомов кислорода. Поэтому спирты используются в качестве оксигенатов (кислородсодержащих компонентов), повышающих детонационную стойкость бензинов и способствующих снижению выбросов сажи и монооксида углерода как в бензиновых двигателях, так и в дизелях.
Литература
1. Льотко В., Луканин В.Н., Хачи-ян А.С. Применение альтернативных топлив в двигателях внутреннего сгорания. - М.: Изд-во МАДИ (ТУ), 2000.
- С. 311.
2. Марков В.А., Гайворонский А.И., Грехов Л.В. и др. Работа дизелей на нетрадиционных топливах: Учебное пособие. - М.: Изд-во «Легион-Автодата», 2008. - С. 464.
3. Арчаков Ю.А., Вагина Л.К., Васильев А.И. и др. Под ред. С.К. Ого-родникова. Справочник нефтехимика. В двух томах. Том 1. - Л.: Химия, 1978. - С. 496.
4. Popuri S.S.S., Bata R.M. A Performance Study of Iso-Butanol-, Methanol- and Ethanol-Gasoline Blends Using a Single Cylinder Engine. - SAE Technical Paper Series. - 1993. - № 932953.
- P. 41-60.
Окончание в следующем номере.
