ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КИСЛОРОДСОДЕРЖАЩЕГО ОРГАНИЧЕСКОГО МОДИФИКАТОРА

АННОТАЦИЯ

Развитие автотранспортных средств в мире требует улучшения качества топлива. Низкооктановое и цетановое топливо может привести к взрыву и нестабильной работе двигателя. На сегодняшный день улучшение качество топлива с помощью модификаторов на основе кислород и азотсодержащих органических соединений и их композиционных смесей приобретает важное значение

ABSRACT

The development of motor vehicles in the world requires improved fuel quality. Low octane and cetane fuels can cause explosions and unstable engine operation. Today, improving the quality of fuel using modifiers based on oxygen and nitrogen-containing organic compounds and their composite mixtures is becoming important

Ключевые слова: Дизельные двигатели, присадок полифункциональных, модификатор, эффективность.

Keywords: Diesel engines, multifunctional additives, modifier, efficiency.

Введение.

Дизельные двигатели все еще широко используются в коммерческих, транспортных средствах и производится выработка электроэнергии из-за их высокой эффективности сгорания, надежности, а также адаптивности. Тем не менее, истощение ископаемого топлива и более строгие стандарты выбросов заставили исследователей разработать передовые технологии для достижения высокой эффективности сгорания и низкие выбросы загрязняющих веществ для дизельных двигателей [1].

Для улучшения воспламеняемости дизельного топлива применяются специальные промоторы воспламенения – цетаноповышающие присадки. Основным действующим компонентом данных присадок являются алкилнитраты, алкилпероксиды, альдегиды и кетоны. Механизм их действия заключается в легком разрыве молекул присадки по связям O-O, N-O и N-S с образованием свободных радикалов, приводящих к воспламенению топлива [2].

Однако последний вариант предпочтительнее для легковых автомобилей в жилых районах из-за более низкого уровня выбросов оксидов азота (NO _x ) и твердых частиц (PM). Тем не менее, несмотря на то, что бензиновые двигатели чище, чем дизельные, чрезмерное использование бензиновых транспортных средств в крупных городских районах вызвало множество проблем со здоровьем. С другой стороны, легковые автомобили, работающие на ископаемом топливе, выбрасывают огромное количество парниковых газов (приблизительно 4,6 метрических тонн углекислого газа на автомобиль в год, способствуя глобальному потеплению и изменению климата. В частности, на дизельные и бензиновые двигатели приходится около 20% мировых выбросов парниковых газов. В дополнение к этим проблемам, колебания цен на ископаемое топливо стимулируют поиск экологически чистого транспортного топлива и повышение эффективности двигателей [3].

Для замены бензина были разработаны и коммерциализированы различные возобновляемые виды топлива, такие как этанол и метанол. Помимо возобновляемости, октановое число этанола (=129) и метанола (=136) по исследовательскому методу также выше, чем у бензина, что делает их пригодными для использования в качестве усилителей октанового числа бензина [8]. Метанол менее популярен для бензиновых двигателей из-за своей токсичности и летальности (при попадании внутрь). Кроме того, этанол имеет более широкий диапазон воспламеняемости, большую скорость пламени и более высокую скрытую температуру испарения, чем бензин [8]. Кислородная природа этанола (содержащего 35% кислорода) может помочь достичь полного сгорания, одновременно снижая выбросы твердых частиц и несгоревших углеводородов (UHC) [4].

Однако это также может вызвать увеличение выбросов NO, что приводит к экологическим проблемам, с одной стороны, и износу движущихся частей двигателя, с другой стороны . В таблице 1 обобщены последние отчеты о кислородсодержащих присадках к бензиновому топливу, испытанных в двигателях с искровым зажиганием (SI). В целом можно заметить, что включение кислородсодержащих присадок в бензин может улучшить процесс сгорания, сократив выбросы CO и UHC и одновременно увеличив выбросы NO _x . _x [5]

Еще одним возобновляемым топливом, которое может заменить нефтяное дизельное топливо и снизить выбросы выхлопных газов, является дизельное топливо, производимое из растительных, животных, отходов, водорослевых и микробных масел . Эти масла реагируют с молекулами спирта в присутствии кислотного или основного катализатора с образованием дизельного топлива в процессе, называемом «переэтерификация» . Производство дизеля генерирует один моль глицерина в качестве побочного продукта на каждые три моля алкиловых эфиров жирных кислот, что составляет 10% производства дизеля. Доступность глицерина в последнее время увеличилась из-за увеличения мирового производства дизеля, что привело к перенасыщению рынка и снижению его цены. Поэтому дизельной промышленности необходимо использовать чистые и устойчивые пути для преобразования глицерина, полученного из биодизельного топлива, в продукты с добавленной стоимостью, то есть топливо и химикаты.

Помимо повышения октанового числа, эта добавка на основе глицерина, то есть солкеталь, может эффективно снижать образование смол в бензиновом топливе, не влияя на температуру его перегонки . Использование солкеталя также могло бы снизить выбросы угарного газа (CO) и UHC из бензинового топлива, лишь с небольшим увеличением выбросов NO _x . Также было показано, что использование солкеталя снижает выбросы CO и UHC от дизельных двигателей, работающих на смесях дизельного и дизельного топлива, одновременно неблагоприятно увеличивая выбросы NO _x ,.

Несмотря на кислородсодержащую природу солкеталя, он не оказывает существенного негативного влияния на термический КПД бензинового топлива при использовании в низких концентрациях смесей. Напротив, сообщается, что использование более высоких концентраций солкеталя в бензиновом топливе ухудшает термический КПД двигателей SI . Это явление можно объяснить тем, что вязкость солкеталя в 18 раз выше, чем у бензина, что отрицательно влияет на распыление и испарение топлива при впрыске в камеру сгорания. Более того, сообщалось, что эта добавка вызывает увеличение расхода топлива .

В основу настоящих полифункциональных свойств кислородсодержащих органических модификаторов, октан повышающих присадок, поставлена задача создания эффективного способа получения октан повышающих присадок, обладающих высоким защитным эффектом, с использованием более доступных реагентов.

Получение октан повышающих присадок заключается в том, что проводят реакцию взаимодействия изопропилового спирта с карбамидом в определенном соотношении.

В круглодонную колбу ёмкостью 250 мл и обратным холодильником помещают 20 г изопропилового спирта, 5 г карбамида, 3 капли концентрированной серной кислоты. Колбу нагревают на масляной бане при кипении около 30 минут и после нагревания добавляют 5г карбамида. Смесь паров аммиака, спирта и выделившегося эфира конденсируется в обратном холодильнике. После загрузки всех компонентов смесь начинают медленно нагревать на масляной бане. В течение первого часа реакция идет с само разогревом, поэтому целесообразно прерывать внешний обогрев во избежание перебросов. Реакция достигает равновесия в течение 3-х часов, при меньшей продолжительности глубина превращения соответственно уменьшается.

После окончания реакции колбу охлаждают до комнатной температуры, вместо обратного холодильника присоединяют дефлегматор (высотой не более 50 см) с нисходящим холодильником и термометром, и проводят фракционную разгонку при атмосферном давлении. Температуру в бане поддерживают в пределах 140-160^оС. Реакционную смесь при непрерывном перемешивании при температуре 140-160^оС выдерживают в течение 1,5 часов. Затем охлаждают продукт до комнатной температуры.

Выход синтезированного кислородсодержащего органического модификатора 72%; рН-7 .

На выход полученного кислородсодержащего органического модификатора, октан повышающей присадки, на основе изопропилового спирта и карбамида марки ОП– 10, влияет температура, соотношение взятых компонентов и время. Нами получен полифункциональный кислородсодержащий органический модификатор, на основе изопропилового спирта и карбамида, октан повышающей присадки, при этом были изучены оптимальные режимы получения кислородсодержащего органического модификатора, такие как температура, вязкость и соотношение исходных компонентов, изучены их ИК-спектры.

Синтезирован новый полифункциональный кислородсодержащий органический модификатор, октаноповышающей присадки ОП– 10. При различных соотношениях исходных компонентов в течение 3- часов изучали производительность реакции и определили, что наилучшим соотношением компонентов изопропилового спирта и карбамида является соотношение, соответственно равное 1:0,5 в течение 3- часов при температуре 160^оС. (рис.1).

1). 1:0,5; 2). 1:1; 3). 0,5:1.

Рисунок 1. Зависимость выхода полифункционального кислородсодержащего органического модификатора, октано повышающей присадки ОП– 10 от соотношения исходных веществ и от времени. Температура 160^оС.

Оптимальная температура синтеза для выхода полифункционального кислородсодержащего органического модификатора марки ОП– 10, является 160⁰С. Последующее увелечение температуры приводит к уменьшению выхода кислородсодержащего органического модификатора, октано повышающей присадки, марки ОП– 10.

Синтез композиций, ингибирующих коррозию, при температуре 160^оС в течение 3-х часов проводили с различными катализаторами на основе кислот и солей. Изучали производительность реакции. Высокоэффективным получился выход реакции при использовании в качестве катализатора соляную кислоту (рис.2).

1. Соляная кислота. 2.Алюминий хлорид. 3. Серная кислота.

Рисунок 2-Влияние катализатора на производительность реакции при 160ºС.

Синтез и исследование физико-химических свойств кислородсодержащего органического модификатора марки ОП – 10 приведены в табл.2.6-2.7 при оптимальных условиях (Т=160°С, в=3ч). Наилучший выход кислородсодержащего органического модификатора марки ОП – 10 получается при соотношении компонентов изопропилового спирта и карбамида = 1:0,5. При этом выход составляет 72%.

Таблица 1

Физико-химические характеристики кислородсодержащего органического модификатора марки ОП– 10

Таблица 2

Физико-химические характеристики кислородсодержащего органического модификатора марки ОП– 10

Определение кислородсодержащего органического модификатора марки ОП– 10 проводилось на основе спектральных данных ИК и ЯМР с целью обоснования структуры соединения. С целью обоснования структуры синтезированного соединения использовали метод ИК- и ЯМР-спектроскопии.

На ИК-спектре кислородсодержащего органического модификатора марки ОП–10 появление полос валентных колебаний в области 2993,0 – 2873 см^-1 относится к асимметричным валентным колебаниям СН₂-групп. Асимметричные и симметричные деформационные колебания карбонильных групп появляются в областях полос поглощения 1733 – 1642 и 1456 см^–1 и соответствуют валентным колебаниям С=О и С-О- групп соответственно. Низкие полосы интенсивности в области 1300 и 720 см^-1 соответствуют маятниковым колебаниям метиленовой группы, полоса в области 1030 см^–1 соответствует валентным колебаниям группы O–C=O.

Рисунок. 3. ИК-спектр кислородсодержащего органического модификатора марки ОП– 10

ЯМР-спектры кислородсодержащего органического модификатора марки ОП–10 веществ ¹Н и ¹³С получены на спектрометре «Bruker Avance 400», с рабочей частотой 400 МГц.

В ЯМР-спектрах кислородсодержащего органического модификатора марки ОП–10 наблюдались следующие сигналы: приведенные выше данные могут быть обобщены; ¹H ПМР: δ 0.85 (t, CH₃); δ 1.25-2.0 (m, CH₂), а в области δ 1.55-2.0 к метиленовой группе, связанной с (m, CH₂O–). Пик при δ 2.0-2,25 характеризует группу (m, CH₂O–), а при δ 4,58 группу (m, –CH₂OCO–). ¹³C ЯМР 12.90, 13.40, 12.75 (CH₃), 22.45, 22.65 (CH₂), 26.75 (CH₂-C), 33.56 (CH-C), 172.0 (CH₂O–), 175.0 (-CH₂OCO–). По спектру ¹³С ЯМР и ¹Н ПМР данные дают конформацию образования длинноцепочечного алкана, эфирной группы. (Рис. 3) %..

Список литературы:

1. З. Р. Закирова, Р. К. Ибрагимов, А. Н. Петрова, Д. А. Ибрагимова, А. А. Артыков. Эффективность цетаноповышающих присадок к дизельным топливам// Вестник технологического университета. 2016. Т.19, №11 c.63-66
2. Перекрестов, А.П. Противоизносные присадки в дизельное топливо и их развитие/ А.П. Перекрестов, А.А. Брайко// Вестник Астраханского государственного технического университета. – 2008. - № 2. - С. 218.
3. Минибаева, Л.К. Влияние присадок Kerobrizol EHN, Hitec 4103W, Total RV100 на показатели качества дизельного топлива / Л.К. Минибаева, Р.Р. Усманов, О.А. Баулин, М.Н. Рахимов // Башкирский химический журнал. - 2011. Т. 18.- № 2. - С. 102.
4. А. В. Чернышева, Е. Алексеев Ш, П.Ю. Щербаков. Определение противоизносных присадок на основе жирных в дизельных топливах методом ик-спектрометрии. Вестник НГИЭИ. 2019. № 12 с.46.
5. Умиров.Н.Н., Нуркулов.Ф.Н., Джалилов.А.Т.,.«Влияние дополнителных модификаторов дизельного топлива на двигател. Интеграция наука, образование и производства- важнейший фактор в реализации инвесттиционных проектов нефтегазовой отрасли» материалы республиканской научно – технической конференции. Ташкент-2019 1-ноября  358-360 с