Изучение антидетонационных добавок на основе металлсодержащих модификаторов

АННОТАЦИЯ

В данной работе исследуется влияние катализаторов и физико-химических свойств синтезированных металлсодержащих органических модификаторов на выход реакции. В то же время была изучена эффективность повышения октанового числа за счет добавления металлосодержащих модификаторов к прямо перегнанной бензиновой фракции с 0,1 до 1,0 %. В результате выявлено увеличение на 11,2 ед. по моторному методу и на 12,5 ед. по исследовательскому методу.

ABSTRACT

In this work, we investigate the effect of catalysts and the physicochemical properties of the synthesized metal-containing organic modifiers on the reaction yield. At the same time, the efficiency of increasing the octane number by adding metal-containing modifiers to the directly distilled gasoline fraction from 0.1% to 1.0% was studied. As a result, an increase of 11.2 units was revealed. by the motor method and by 12.5 units. according to the research method.

Ключевые слова: металлсодержащие органические модификаторы, эффективность модификатора, прямо перегнанный бензин, сивушное масло.

Keywords: metal-containing organic modifiers, modifier efficiency, straight-distilled gasoline, fusel oil.

Рост индустриализации и автомобилизации в мире в последние годы привел к большому спросу на нефтепродукты. Нефть – это крупнейший источник энергии, потребляемый населением мира, который превосходит другие энергетические ресурсы, такие как природный газ, уголь, атомная энергия и возобновляемые источники энергии. 90 % энергопотребления в мире приходится на нефтяное топливо [1].

Только производитель понимает, что переработка нефтепродуктов до бензина – это длительный процесс, а добавки к топливу – реальный способ получить экономичный и качественный продукт.

Поэтому при производстве бензина особое внимание уделяется добавкам, повышающим октановое число, поскольку октановый индекс может быть самым важным свойством бензина. Именно октановое число определяет детонационную стойкость топлива (способность к воспламенению). Чем оно больше, тем качественнее бензин [4]. Сегодня в мире наиболее популярны несколько типов присадок, повышающих октановое число, для производства автомобильного топлива. Некоторые из них давно официально запрещены во многих странах, а другие пользуются большим спросом [2].

Сегодня кислородсодержащие спирты, простые эфиры и азотсодержащие органические соединения широко используются в качестве добавок, повышающих октановое число. Кроме того, ферроцен и тетраэтилсвинец (ТЭС) широко использовались в качестве добавок для увеличения октанового числа, но сегодня ферроцен не разрешается использовать, потому что седиментация является проблемой, в то время как тетраэтилсвинец токсичен для окружающей среды [3]. Экономичность добавок, повышающих октановое число металла, позволяет увеличить его на 10–15 единиц за счет добавления 0,1-1,0%. Основной причиной увеличения использования кислородсодержащих органических соединений в качестве добавок, повышающих октановое число, во всем мире является экологическая безопасность. Однако экономическая ценность кислородсодержащих органических соединений, то есть относительно большое количество применений в качестве добавки, увеличивающей октановое число, а также чувствительность некоторых веществ к воде, приводят к ухудшению качества бензина. Из-за этих проблем в стране проводится множество научных исследований по увеличению высокооктанового числа за счет использования небольших количеств присадок, повышающих октановое число, с целью достижения рентабельности при производстве моторных топлив [5]. Предлагаемые нами октаноповышающие добавки в основном путем проведения реакций ферроценом и органическими соединениями получились при добавлении металлоорганических соединений.

В основу настоящих полифункциональных свойств металлсодержащих органических модификаторов, октанповышающих присадок поставлена задача создания эффективного способа получения октанповышающих присадок, обладающих высоким защитным эффектом, с использованием более доступных реагентов. Нами получен полифункциональный металлсодержащий органический модификатор на основе сивушного масла с карбамидом, олеиновой кислотой и ферроценом, октанповышающей присадки, при этом были изучены оптимальные режимы получения металлсодержащего органического модификатора, такие как температура, вязкость и соотношение исходных компонентов, изучены их ИК-спектры.

Приведены для сравнения некоторые данные из полученных результатов. В таблице 1 показаны физико-химические свойства металлсодержащего органического модификатора, полученного при оптимальных условиях (Т = 110 °С, τ = 5 ч).

Таблица 1.

Физико-химические свойства кислородсодержащего органического модификатора марки ОП-11

Получение металлсодержащего органического модификатора проводили при температуре 110 °С в течение 5 часов с различными катализаторами. Изучали производительность реакции. Влияние катализаторов на выход реакции показано на рис. 1.

Рисунок 1. Влияние катализатора на производительность реакции при 110 °С

1. Триэтилбензиламмоний хлорид. 2. Цинк хлорид. 3. Алюминий хлорид. 4. Катализатор К-1

Синтез металлсодержащего органического модификатора проводили при температуре 110 °С в течение 5 часов с различными катализаторами. Результат исследования показал, что наилучший выход реакции получился при использовании в качестве катализатора ионной жидкости на основе триэтилбензиламмония хлорида.

На ИК-спектре видно, что полосы поглощения, соответствующие валентным колебаниям связей в областях 2850–2900 см^–1, подтверждают наличие -СН₂- групп. В интервале 1200–1030см^–1 находятся сложные полосы, отнесенные к валентным колебаниям в области С=О групп. ИК-спектр содержит полосы поглощения в области 1750–1770см^–1, соответствующие -ОСОО- группам. Полосы поглощения, асимметричные валентным колебаниям в областях 1150–1070 см^–1, подтверждают наличие -С-О-С- групп. Кроме того, на ИК-спектре в областях 800 см^–1 и 1460 см^–1 появляются узкие малоинтенсивные полосы, содержащие связи металла (рис. 2).

Рисунок 2. ИК-спектр металлсодержащего органического модификатора

Проводились исследования антидетонационной эффективности металлсодержащего органического модификатора на основе сивушного масла с карбамидом, олеиновой кислотой и ферроценом. На рис. 3 показаны изменения октанового числа прямогонной бензиновой фракции при добавке металлсодержащего модификатора. Как видно из представленного на рис. 3 графика, прирост октанового числа достигает 8 единиц по ОЧМ и 10 единиц по ОЧИ.

Рисунок 3. Изменение октанового числа прямогонной бензиновой фракции при добавке металлсодержащего модификатора

Таким образом, в результате сравнения графиков на рис. 3, как и ожидалось, хорошие результаты по приросту октанового числа получились при прямогонной перегонке фракций при добавке металлсодержащих модификаторов.

Предложен механизм процесса эффективного влияния октан- и цетаноповышающих модификаторов, которые открывают широкие возможности для целенаправленного синтеза новых металлсодержащих органических модификаторов. Полученный модификатор добавляли к прямо перегнанной бензиновой фракции при концентрации 1 % от общей массы, и максимальное увеличение октанового числа составило 11,2 по моторному методу и 12,5 по методу исследования.

Список литературы:

1. Шараф Фарук А.М. Антидетонационные добавки на основе синергетических смесей оксигенатов к бензиновым топливам : дисс. … канд. техн. наук. – Казань, 2018. – 114 с.
2. Ben G. Moxey, Alasdair Cairns, Hua Zhao. A comparison of butanol and ethanol flame development in an optical spark ignition engine // Contents lists available at ScienceDirect Fuel. – 2015. – № 170 (2016). – P. 27–38.
3. Karman D. Ethanol fuelled motor vehicle emissions: a literature review. – Air Health Effects Division, Health Canada, 2003. – P. 28.
4. Середа А.В. Основные тенденции производства автомобильных бензинов с новыми антидетонационными присадками и добавками в России // Мир нефтепродуктов. - 2006. - №5. - С.6-8.
5. Wallner T., Frazee R. Study of regulated and non-regulated emissions from combustion of gasoline, alcohol fuels and their blends in a DI-SI engine. SAE technical paper 2010-01-1571. – 2010. – P. 38.