ПРОДВИЖЕНИЕ АЛКЕЛАТНОГО БЕНЗИНА КАК ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОГО МОТОРНОГО ТОПЛИВА

АННОТАЦИЯ

Данная статья рассматривает перспективы использования алкелатного бензина в качестве экологически чистого моторного топлива. Мы исследуем преимущества алкелатного бензина в снижении выбросов вредных веществ и его роль в улучшении качества воздуха и окружающей среды, что делает его важным элементом в современных усилиях по борьбе с климатическими изменениями и загрязнением окружающей среды.

ABSTRACT

This article examines the prospects for using alkelate gasoline as an environmentally friendly motor fuel. We explore the emissions-reducing benefits of alkelate gasoline and its role in improving air quality and the environment, making it an important element in modern efforts to combat climate change and pollution.

Ключевые слова: Алкилирование бензина, эксплуатационные характеристики моторных топлив, беззольные присадки, изо-углеводороды, газоконденсат, пропан-пропиленовые фракции, бутан-бутиленовые фракции, качество бензина, теплотворная способность, октановое число

Keywords: gasoline alkylation, performance characteristics of motor fuels, ashless additives, iso-hydrocarbons, gas condensate, propane-propylene fractions, butane-butylene fractions, gasoline quality, calorific value, octane number

Известно, что даже несмотря на полезные свойства металлоорганических присадок, применяемых для улучшения характеристик моторных топлив (включая повышение октанового числа и снижение детонации), и содержание бензола, они сами могут быть потенциально вредными. В процессе сгорания в двигателях, эти присадки могут привести к образованию вредных соединений, включая бензопирен - компонент, вызывающий экологические проблемы в выбросах [1, стр 97-107]. Ведущие страны-производители моторных топлив, таких как "Премиум" и "Регуляр", добились значительных успехов в улучшении качества своих продуктов. Однако даже небольшие добавки металлоорганических присадок в пределах 0,5-1,5 г/дм³ все еще могут вызывать опасения с точки зрения экологии. Поэтому существует потребность в исключении таких присадок из состава топлив и снижении содержания бензола.

С этой точки зрения становится актуальным создание топливных композиций с лучшими эксплуатационными характеристиками, включая высокое октановое число, высокую теплотворную способность, полное сгорание, минимальное образование нагара и отсутствие ядовитых компонентов как в самих топливах, так и в их выхлопных продуктах.

Компонентами таких экологически чистых топлив могут быть реформинг-, изомеризат-, и алкелат-бензины, а также оксигенаты, которые безопасны и способствуют увеличению кислородного индекса топлива. Изомеризат-бензин - это продукт каталитического гидроструктурирования нормальных углеводородов, который преобразует их в изо-структуры, что способствует повышению качества и чистоты топлива. Реформинг-бензин - это продукт каталитической ароматизации, в котором до 65% отдельных фракций нефти преобразуются в ароматические соединения, улучшая характеристики топлива [2].

Оксигенаты - это вещества, способные стимулировать интенсивное окислительное сгорание топлива благодаря наличию внутримолекулярных атомов кислорода, таких как гидропероксиды, нитросоединения, изоэфиры и другие. Ранее было широко известно применение металлоорганических антидетонаторов, таких как сложные органические эфиры свинца, железа, марганца, кобальта, цинка и других металлов, в качестве присадок к моторным топливам. Эти присадки одновременно повышали октановое число (О.Ч.) топлива [3, стр 62-63]. Однако они имеют ряд недостатков, таких как образование нагара в двигателе, выбросы ядовитых металлов, высокая токсичность и т.д. В последние годы применение таких присадок значительно снизилось из-за запретов на их производство, введенных мировыми организациями. Вместо этого наблюдается увеличение использования беззольных присадок-оксигенатов для моторных топлив, которые увеличивают кислородный индекс топлива и способствуют безопасному и экологически чистому сгоранию.

В связи с вышеизложенными, в данной работе приведены результаты синтеза  и исследований свойств оксогената изопропилтретбутилового эфира (ИПТБЭ) на основе непредельных газов газоперерабатывающих заводов (пропилена и изобутилена). Основными реакциями являются:

Наличие в пространственной структуре ИПТБЭ атома кислорода способствует лучшее развитие реакций окисления через перекись образования, что обеспечивает умеренную работу двигателя в любых их режимах.

Сырьем для получения пропилена и изобутилена являются спутники природного газа пропан-бутан (сжиженный газ), который выделяется на Шуртанском ГПЗ и ГХК [4, стр 34]. Вопросы получения моноолефинов каталитическим дегидрированием пропана и бутана являются технологически решенными и производство их успешно действуют.

Этерификацию изопропилового спирта с изобутиленом проводится на катионите марки КУ-2, предварительно обрабатывая его концентрированной соляной кислотой. Реакция протекает сравнительно в мягких условиях (80-100⁰С) за 0,2 сек. времени контакта нагретой парогазовой смеси с кислотным катионитом.

Рисунок 1. Принципиальная схема получения ИПТБЭ:

1 - реактор с катионитом, 2 - колонна каталитической перегонки, 3 - ректифи-кационная колонна с насадочными и ситчатыми тарелками; 4 - Теплообмен-ник для  нагрева изобутилена и охлаждения ИПТБЭ

Описание технологии ИПТБЭ. Изопропиловый спирт противоточно контактируется с изобутиленом в реакторе (1) заполненный кислотным катионитом при 80-100⁰С, где происходит реакция их этерификации. Реакционная парогазовая смесь поступает в колонну каталитической перегонки (2). Сверху колонны (2) выделяется смесь изопропилового спирта и изобутилена, которая направляется в ректификационную колонну с насадками (3). Непрореагировавший изобутилен с верха колонны (3) отправляется через теплообменник (4) на рецикл. Снизу колонны (3) изопропиловый спирт направляется в реактор (1) для этерификации. ИПТБЭ с низа колонны (2) направляется в склад через теплообменник (4).

Таблица 1.

Сравнение физико-химических и эксплуатационных характеристик эфиров кислородсодержащих соединений: метилтретбутилового (МТБЭ), этилтретбутилового (ЭТБЭ), изопропилтретбутилового (ИПТБЭ) и метилтретамилового (МТАЭ)

Из таблицы 1 видно, что физико-химические и эксплуатационные характеристики полученного изопропилтретбутилового эфира (ИПТБЭ) не уступают аналогичным характеристикам его гомологов. Высокое октановое число и теплотворная способность ИПТБЭ обусловлены его пространственной структурой [5, стр 47-49]. Эти оксигенаты хорошо сочетаются с высокооктановыми компонентами современных марок моторных топлив, такими как реформинг-, алкилат- и изомеризат-бензины. На основе указанных бензинов можно получить более высококачественные и экологически чистые компаунд-бензины, которые применяются в современных высокооборотных двигателях.

Итак, оксигенат ИПТБЭ демонстрирует отличную эффективность в качестве присадки к моторным топливам. В свете растущего спроса на высококачественное моторное топливо возникает потребность в разработке процессов для получения компонентов, предназначенных для компаундирования бензинов, с целью создания экологически чистых разновидностей топлива. В мировой практике для получения алкилат-бензина часто используются промышленные каталитические крекинг-флюидные установки (ККФ). На таких установках можно эффективно обрабатывать сырье и, правильно подбирая катализаторы, проводить очистку топлива от серы, азота, металлов и увеличивать содержание ароматических соединений. ККФ могут работать как с жидкими, так и с твердыми катализаторами, включая сернокислотные, фтористоводородные и катализаторы на основе Al₂O₃. Алкилат, полученный на этих установках из легких олефинов (С₃-С₅) в процессе алкилирования с использованием твердых катализаторов или методом косвенного алкилирования, качественно не уступает алкилату, полученному в традиционных жидко-кислотных процессах, а в некоторых случаях даже превосходит его [6]. Следовательно, для реализации процесса алкилирования необходимо сделать значительные инвестиции в приобретение дорогостоящего оборудования и катализаторов или разработать новые эффективные технологии, требующие минимальных затрат.

В Республике отсутствуют установки и технологии алкилирования. Улучшение качества бензина достигается путем оптимизации его состава. Для обеспечения высоких эксплуатационных характеристик, таких как полнота сгорания, высокая теплотворная способность и октановое число (80-95 пунктов), используются беззольные присадки и изо-углеводороды, получаемые изомеризацией углеводородных фракций газоконденсата и алкилированием изо-олефинов [7]. Для производства алкилатного бензина используются пропан-пропиленовые и бутан-бутиленовые фракции крекинг-газов НПЗ Республики, при этом анализируется их выработка и состав по разным предприятиям.

Таблица 2.

Объёмы выработки и состав крекинг газов перерабатывающих заводов

Состав непредельных углеводородов в этих газах, (%): пропилен - 37-40; бутилен-изо-бутилен-20-25; амилен-изоамилен-10-15.

Разработку процесса алкилирования крекинг газов осуществляли в реакторе со стационарным слоем катализатора. Катализатором реакции димеризации и тримеризации указанных крекинг газов является ортофосфорная кислота на γ-окиси алюминия (так называемая твёрдая фосфорная кислота). Лабораторная установка (рис. 2) алкилирования состоит из реактора (1), регулятора энергии для заданной температуры (2), ректификационной колонны (3) и конденсатора (4).

Рисунок 2. Принципиальная схема лабораторной установки алкилирования моноолефинов

Описание лабораторной установки алкилирования

Катализатор объёмно-насыщенный 10 %  ортофосфорной кислотой     на  γ-окись алюминия с размером гранул 3-6 мм, и поверхностных пор 150 м2/г, заполняется в металлический реактор (1) насыпным объёмом в 1 литр [8, стр 117-121].

Куда поступают крекинг газы (пропан-пропилены и бутан-бутилены), где на кислотном катализаторе протекает радикально-цепное алкилирование их  в ди- три- и тетрамеры:

алкилат – изоуглеводород

алкилат – изоуглеводород

Из реактора (1) реакционная смесь направляется в азеотропную перегонку в ректификационную колонну (3), где происходит разделение непрореагировавшихся газов, которые через конденсатор (4) направляются в рецикл. Конденсировавшиеся изо- углеводороды на (4) подается на орошение колонны (3) для увеличения эффективного разделения реакционной смеси. Температура в реакторе алкилирования (1) регулируется регулятором энергии (2) по заданной температуре. Снизу колонны (3) выделяется алкилат бензин.

Таблица 3.

Сравнительные физико-химические характеристики алкилат бензина из крекинг газов НПЗ

Как видно из таблицы 3, алкилат бензин, полученный из пропан-пропиленовой и бутан-бутиленовой фракции газов по указанным характеристикам очень близкие к алкилат бензинам, полученным по известным зарубежным технологиям на установке ККФ. В предлагаемой  технологии использовался местный источник углеводородного сырья- крекинг газы с наименьшими материальными затратами и доступными для применения в промышленности [9]. Из сказанных следует что, имеется вполне допустимая возможность создания производства высококачественных компонентов моторных топлив взамен отдельных вредных их составляющих с достижением улучшениям  качества.

Список литературы:

1. Hunter M.J. Light naphtha isomerisation to meet 21st  century gasoline specifications. Erdol-Erdgas-Kohle. 2003. 119, №6, р. 97-107. Англ.
2. Indian Oil Corp., Ltd, Rao Marri Rama, Lakshmi Vutukuru, MurthyNarasimha, Singh Sanjeev, Das Asit Kumar, Ghosh Sobhan, Bhattacharyya Debasis, Makhija Satish, Mandal Sukumar. Fluidized   catalytic  cracking   process  and apparatus: Пат. 6149875 США, МПК7 В 01 J 8/26. 23.12.1998; Опубл. 21.11.2000.
3. Uslamov E.R., Protchoukhan K.Yu., Nefedova I.V., Protchoukhan Yu.A., Gimaev R.N. Processing petrol of thermal-destruction origin in highoctane components of engine fuels. 16 Mendeleev Congress on General and Applied Chemistry, Moscow, 1998. Materials for Future and Non-Traditional Chemical Technologies. 1998, с. 62-63. Англ.
4. Алимов А.А. Актуальные вопросы химической переработки и использования газоконденсатов//Сб.труд.Респ.науч.-техн.конф.«Актуальные проблемы переработки нефти и газа Узбекистана», 7-8.10.2009, С.34;
5. Калиев, А. Ж. Перспективные процессы алкилирования с целью получения высокооктановых компонентов бензина / А. Ж. Калиев. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2022. — № 2 (397). — С. 47-49. — URL: https://moluch.ru/archive/397/87775/
6. Патент США 6190533 МПК, С10 У69106 Jutergrated hydrotreafing steam cracking process for the production of olefins.
7. Патент 2169167 Россия МПК С10 У11/02 ООО Компания  «РОТАН». Опубл. 20.06.2001.
8. Солодова Н.Л., Хасанов И.Р. Перспективные процессы алкилирования изопарафинов олефинами научной статя по специальности «Химические технологии»  Весник Технологического Унвирситета 2015. Т.18, №9 С. 117-121.
9. Черезова Е. Н. , Нугуманова Г. Н. , Шалыминова Д. П. Алкилирование фенола олефинами как метод синтеза стабилизаторов для полимеров: монография Научные монографии Казанский национальный исследовательский технологический университет (КНИТУ), 2013