Способ получения высокооктанового автомобильного топлива

Способ получения высокооктанового автомобильного топлива

Реферат

Изобретение относится к области нефтепереработки и нефтехимии, в частности к технологии получения высокооктановых автомобильных топлив, содержащих оксигенаты.

Получение товарных топлив обычно осуществляют смешением продуктов процессов нефтепереработки и различных добавок (антидетонаторов, оксигенатов, антиоксидантов и др.), улучшающих их эксплуатационные характеристики.

До сих пор в качестве антидетонаторов наиболее широко применяются металлсодержащие присадки (добавки). В результате использования подобных добавок автомобильный транспорт дает почти половину всех вредных выбросов в атмосферу.

Одним из решений проблемы сокращения вредных выбросов является разработка технологии получения более экологичного высокооктанового топлива (далее - топливо) с заменой или ограничением применения вредных добавок. В качестве замены при производстве топлива предложено использовать индивидуально или в смеси (для получения синергетического антидетонационного эффекта) металлорганические соединения, например ферроцен и его производные, ароматические амины, например N-метиланилин, и их смеси, оксигенаты (A.M.Данилов. Присадки и добавки. Улучшение экологических характеристик нефтяных топлив. М.: Химия, 1996 г., с.102-108).

Известен способ получения автомобильных бензинов смешением прямогонного бензина или бензина А-76 с многокомпонентной добавкой, содержащей N-метиланилин, антиокислитель, ферроцен, анилин, моющую присадку «Автомаг» и алифатические С₁-С₅-спирты нормальные или разветвленные, или их смеси, и/или простые эфиры формулы R-O-R¹, где R=C₁-С₃-алкил первичный или вторичный, R¹=С₃-С₅-алкил нормальный или разветвленный, или их смеси (RU, патент №2132359, МПК 6 C10L 1/18, 1/22, опубл. 27.06.99).

Недостатки этих способов обусловлены сложностью приготовления присадки, дефицитом и дороговизной таких присадок и топлива с их использованием, также недостатками каждой составляющей этой присадки.

Недостатками использования, например, ферроцена при получении топлив являются плохая растворимость в топливе и низкая стабильность растворов из-за склонности ферроцена к окислению, что обусловливает относительно невысокий срок хранения как добавки, так и получаемого топлива из-за выпадения продуктов окисления в осадок (осаждения продуктов окисления). Кроме того, в камере сгорания образуются отложения оксидов железа, что приводит к перебоям в работе двигателя. К этому нужно добавить дефицитность ферроцена, поэтому несмотря на хорошо известную еще с 40-х годов XX века его высокую эффективность в промышленном масштабе ферроцен так и не применялся.

Применение при получении автомобильных топлив добавок ароматических аминов, например N-метиланилина, и их смесей, повышает смолообразование на деталях цилиндропоршневой группы, что увеличивает их износ и не способствует уменьшению эмиссии оксидов азота (NO_x) в выхлопе. Эти недостатки ограничивают количество используемой в топливе добавки, следовательно, повышение октанового числа относительно невысоко. Кроме того, с 2005 года концентрация ароматических соединений ограничена по экологическим соображениям.

Использование кислородсодержащих соединений, к которым относятся низкомолекулярные спирты (метанол, этанол и др.), простые эфиры (например, метил-трет.-бутиловый эфир) и их смеси, позволяет улучшить характеристики горения, что существенно снижает вредные выбросы, увеличивает ресурс двигателей, повышает октановое число топлива. При этом наличие в составе добавок к бензину низших спиртов снижает теплотворную способность, приводит к обеднению топливо-воздушной смеси, а использование простых эфиров, обладающих плохой способностью к биоразложению, приводит к просачиванию их в грунтовые воды и ухудшению экологической обстановки.

В то же время получение топливных композиций на основе бензина и оксигенатов, например низших спиртов (метанола и этанола), благодаря значительным экологическим преимуществам и возможности использования возобновляемого сырья как одного из компонентов топлива, является несмотря на отдельные недостатки перспективным направлением разработки технологии получения высокооктановых автомобильных топлив.

Известен способ получения высокооктанового бензина, заключающийся в том, что прямогонную бензиновую фракцию НК - 160°С подвергают гидроочистке и затем фракционированию с получением фракций НК - 85°С и 85°С - КК, фракцию НК - 85°С подвергают изомеризации с образованием изо-меризата, а фракцию 85°С - КК подвергают каталитическому риформингу, затем 10-60 мас.% бензина каталитического риформинга фракционируют с получением фракций НК-85°С, 85-140°С, 140-200°С, 200°С - КК и для получения целевого продукта выделенные фракции смешивают с изомеризатом в определенных соотношениях. Для снижения доли высокоароматизированных компонентов в этом способе предлагается дополнительно вводить определенные количества алкилбензина, и/или прямогонной фракции НК-85°С, и/или бензина каталитического крекинга, и/или до 15% простых эфиров спиртов C₁-С₅ или их смесей с низшими спиртами C₁-С₄. Без добавления этиловой жидкости могут быть получены только бензины А-76 и АИ-80 (патент РФ №2153523, МКИ C10L 1/04, C10G 69/08, 27.07.2000).

Недостатками этого способа являются многостадийность, относительно небольшое повышение октанового числа и относительно невысокое снижение доли ароматических углеводородов, в том числе бензола.

Основной недостаток известных топлив с определенным содержанием метанола и этанола - фазовая нестабильность при попадании воды (например, из влажного воздуха). При хранении и транспортировке топливо, содержащее этанол, поглощает воду. При этом нарушается фазовая стабильность топлива, на дне емкости образуется водно-спиртовый слой, содержание спирта в топливе сокращается, что затрудняет работу двигателей внутреннего сгорания, ведет к уменьшению октанового числа, коррозии оборудования. Поэтому использование топлива, полученного с добавлением низших спиртов в небольших концентрациях, требует обязательного включения в его состав стабилизирующих добавок, позволяющих гомогенизировать эту систему.

Известен способ получения композиции моторного топлива смешением бензиновых компонентов, ароматического компонента, азотароматической присадки, простых эфиров и/или алифатических спиртов C₁-C₅ (не более 20%), причем смешение осуществляют циркуляционно-акустическим перемешиванием конечной смеси компонентов при генерации в компаундирующем узле акустических колебаний в интервале частот от 12 Гц до 30 кГц (RU, патент №2214444, МПК 7 C10L 1/06, C10L 1/18, опубл. 20.10.2003).

Недостатками способа являются усложненность технологии получения, обусловленная многокомпонентностью получаемой смеси, длительностью ее циркуляционной и акустической обработки, применением специального оборудования, а также достаточно высокие концентрации ароматических соединений, являющихся канцерогенами и ядами крови.

Известен способ получения высокооктанового автомобильного топлива смешением прямогонного бензина или бензина А-76 и этилового спирта концентрацией 92-96% в соотношении 75-85 об.% и 15-25 об.% или 15-25 об.% и 75-85 об.% соответственно, нагреванием полученной смеси до 40-90°С с последующей выдержкой при этой температуре 20-30 мин с последующим охлаждением и повторным нагреванием до той же температуры и выдержкой в течение 10-15 мин (RU, патент №2246526, C10L 1/18, опубл. 20.02.2005).

Недостатками этого способа являются невысокая фазовая стабильность получаемого топлива и ухудшение ее при длительном хранении, особенно в условиях низких температур, недостаточное повышение детонационной стойкости (октанового числа) в реальных эксплуатационных условиях.

Задачей изобретения является разработка непрерывного процесса получения экологичного автомобильного топлива на основе бензина и спирта, обладающего повышенной детонационной стойкостью в реальных условиях, проявляющего высокую фазовую стабильность при длительном хранении и транспортировке, особенно в условиях низких температур, при сохранении относительно высокой теплотворной способности.

Поставленная задача решается способом получения высокооктанового автомобильного топлива, включающим смешение исходного прямогонного бензина или бензина А-76 с этиловым спиртом концентрации 92-96%. Причем компоненты берут в соотношении спирт : бензин от 55:45 об.% до 70:30 об.%, перед подачей в смеситель компоненты топлива нагревают до температуры 50÷70°С, подачу компонентов в смеситель, в котором поддерживают ту же температуру, осуществляют в ламинарном режиме при Re=1000÷1200 при полном заполнении объема смесителя и при прохождении его потоком смеси в том же ламинарном режиме в течение 20÷30 мин. Способ получения топлива может быть осуществлен и при использовании облегченного бензина А-76 с пределами выкипания 42-155°С или облегченного прямогонного бензина с пределами выкипания 42-150°С.

В таблице 1 представлены характеристики используемых компонентов. В таблицах 2, 3 представлены результаты испытаний композиций топлива, полученных в соответствии с заявленными режимами и соотношениями. Технологический процесс получения топлива представлен на схеме.

Приводим пример осуществления заявляемого способа.

Пример 1. Предварительно нагретые до 50°С этиловый спирт концентрацией 92 об.% из сырьевой емкости 1 и бензин А-76 из сырьевой емкости 2 в соотношении 55 об.%: 45 об.% (2,75 л/мин: 2,25 л/мин) непрерывно в ламинарном режиме (Re=1000) подают насосами 3 и 4 в общий смеситель 5, представляющий собой трубопровод, полностью заполняя его объем. В смесителе компоненты соединяются, смешиваясь, в один ламинарный поток (Re=1000), причем этанол подают сверху как более тяжелый компонент, после чего общий поток в том же ламинарном режиме подают в товарную емкость 6. Время прохождения смесителя 30 мин.

Одинаковый ламинарный режим разных потоков можно поддерживать, например, с помощью различных сечений сырьевых патрубков для подачи компонентов на смесителе, диаметр одного из них может быть постоянен, а диаметр другого варьируют с помощью диафрагмы.

При Re более 1200 возможны «проскальзывание» и уменьшение контакта потоков компонентов. При Re менее 1000 процесс недостаточно технологичен.

Остальные примеры осуществляли аналогично примеру 1, изменяя условия в заявленных интервалах способа. Характеристики полученного целевого продукта приведены в таблицах 2, 3.

Исследуемые характеристики сырья и полученных топлив определяли в соответствии со следующими ГОСТами:

- температура помутнения	ГОСТ 5066-91
- фракционный состав	ГОСТ 2177-82
- октановое число	ГОСТ 511-82
- содержание фактических смол	ГОСТ 1567-97
- плотность	ГОСТ 3900-85

Испытания проведены на ОАО «Татнефтепродукт».

Представленные в таблицах экспериментальные данные показывают, что предлагаемый способ получения топлива на основе бензина и этанола, позволяет снизить температуру помутнения топлива до -65°С с одновременным повышением октанового числа до 90 и более по моторному методу.

Таким образом, предлагаемый способ получения высокооктанового автомобильного топлива содержит новую совокупность существенных признаков, а именно: подача компонентов в соотношении спирт: бензин от 55:45 об.% до 70:30 об.%, предварительно нагретых до 50-70°С, их смешение в течение 20÷30 мин. в ламинарном режиме при Re=1000÷1200 в смесителе при условии полного заполнения его объема, которая позволяет повысить фазовую стабильность и детонационную стойкость получаемого топлива.

Таблица 1
Характеристики исходных компонентов (бензинов и этанола)
	Образцы
Наименование показателей	Бензин А-76	Бензин А-76 облегченный	Бензин прямогонный	Бензин прямогонный облегченный	Этанол
1. Плотность при 20°С, г/см3	0,7237	0,7128	0,7143	0,7097	0,805
2. Детонационная
стойкость:
- октановое число по	73	72	55	54	751
моторному методу;
- октановое число по
исследовательскому	78	77	60	60	952
методу
3. Фракционный состав топливного компонента:
- температура начала	42	42	41	42	76
перегонки, °С;
- температура перегонки 10%, °С;	61	61	71	61	77
- температура перегонки 50%, °С;	95	95	110	95	77
- температура перегонки 85%, °С;	155	155	150	150	77
- температура перегонки 90%, °С;	163	-	152	-	78
- конец кипения, °С;	182	155	165	150	78
- остаток в колбе, %	1,0	1,0	1,0	1,0	1,0
- остаток и потери, %	2,0	2,1	2,0	2,0	1,6
4. Концентрация фактических смол, мг/100 см3	1,5	1,4	1,0	1,0	2,6
5. Содержание механических примесей	Отсут.	Отсут.	Отсут.	Отсут.	Отсут.
1 От исходного бензина отогнано 85-86 об.%.2 Для этилового спирта определение октанового числа по гостированному методу не совсем корректно

Таблица 2
Результаты сравнительных испытаний составов топлива, полученных по предложенному способу (Re=1200, t=70°С, τ=20 мин)
Топливная композиция	Соотношение спирт: бензин, % об.	ПОКАЗАТЕЛИ ТОПЛИВА
Октановое число по моторному методу	Граница фазовой устойчивости, °С	Продолжительность фазовой устойчивости (при нормальном давлении)	Теплотворная способность, кДж/л (расчетная)
Этанол - бензин А-76	0:100	73	ниже -80	не нормируется	34200
15:851	81	5	˜2-х месяцев	31700
50:50	81	-25	2-3 месяца	29400
55:45	86	-35	>3-х месяцев	29200
60:40	89	-40	>6-х месяцев	28700
70:30	92	-67	>6-х месяцев	27800
85:151	78	ниже -80	˜2-х месяцев	26200
100:0	753	-1144-36	не нормируется˜2-х месяцев	2420028700
60:405	84
Этанол - бензин А-76 облегченный2	0:100	72	ниже -80	не нормируется	34500
15:851	82	6	˜2-х месяцев	32100
50:50	79	-25	2-3 месяца	30500
55:45	86	-34	>3-х месяцев	29700
60:40	88	-41	>6-х месяцев	29100
70:30	92	-66	>6-х месяцев	28100
85:151	76	ниже -80-35	˜2-х месяцев˜2-х месяцев	2640029100
60:405	85
Этанол - бензин прямогонный	0:100	55	ниже -80	не нормируется	37100
15:851	80	31	˜2-х месяцев	34300
50:50	77	7	2-3 месяца	31400
55:45	85	-1	>3-х месяцев	30800
60:40	87	-5	>6-х месяцев	29800
70:30	91	-25	>6-х месяцев	29300
85:151	78	-40-1	˜2-х месяцев˜2-х месяцев	2680029800
60:405	82
Этанол - бензин прямогонный облегченный2	0:100	54	ниже -80	не нормируется	37500
15:851	77	25	˜2-х месяцев	34900
50:50	76	5	2-3 месяца	32300
55:45	83	-3	>3-х месяцев	31800
60:40	86	-7	>6-х месяцев	30200
70:30	92	-28	>6-х месяцев	29800
85:151	77	-320	˜2-х месяцев˜2-х месяцев	2690030200
60:405	83
1 Компоненты взяты в соотношениях прототипа.2 От исходного бензина отогнано 85-86% объемных.3 Для этилового спирта определение детонационной стойкости по гостированному методу (без его модификации) затруднено и не совсем корректно.4 Справочная температура начала кристаллизации обезвоженного этанола.5 Топливо, полученное в условиях прототипа (t=90°С, τ1=20 мин, τ2=15 мин).

Таблица 3
Результаты сравнительных испытаний составов топлива, полученных по предложенному способу (Re=1000, t=50°С, τ=30 мин.)
Топливная композиция	Соотношение спирт: бензин, % об.	ПОКАЗАТЕЛИ ТОПЛИВА
Октановое число по моторному методу	Граница фазовой устойчивости, °С	Длительность фазовой устойчивости (при нормальном давлении)	Теплотворная способность кДж/л, (расчетная)
Этанол - бензин А-76	0:100	73	ниже -80	не норм-ся	34200
15:851	82	+5	˜ 2-х месяцев	31700
50:50	80	-26	2-3 месяца	29400
55:45	87	-35	>3-х месяцев	29200
60:40	89	-41	>6-х месяцев	28700
70:30	92	-66	>6-х месяцев	27800
85:151	77	ниже -80-1144	˜ 2-х месяцевне норм-ся	2620024200
100:0	753
Этанол - бензин А-76 облегченный2	0:100	72	ниже -80	не нормируется	34500
15:851	81	+7	˜ 2-х месяцев	32100
50:50	79	-24	2-3 месяца	30500
55:45	86	-32	>3-х месяцев	29700
60:40	87	-40	>6-х месяцев	29100
70:3085:151	9177	-65ниже -80	>6-х месяцев˜ 2-х месяцев	2810026400
Этанол - бензин прямогонный	0:100	55	ниже -80	не нормируется	37100
15:851	80	+32	˜ 2-х месяцев	34300
50:50	76	+7	2-3 месяца	31400
55:45	84	0	>3-х месяцев	30800
60:40	86	-4	>6-х месяцев	29800
70:3085:151	9178	-25-40	>6-х месяцев˜ 2-х месяцев	2930026800
Этанол - бензин прямогонный облегченный2	0:100	54	ниже -80	не нормируется	37500
15:851	77	+26	˜ 2-х месяцев	34900
50:50	75	+5	2-3 месяца	32300
55:45	82	-3	>3-х месяцев	31800
60:40	85	-6	>6-х месяцев	30200
70:3085:151	9277	-27-32	>6-х месяцев˜ 2-х месяцев	2980026900
1 Компоненты взяты в соотношениях прототипа.2 От исходного бензина отогнано 85 - 86% объемных.3 Для этилового спирта определение детонационной стойкости по гостированному методу (без его модификации) затруднено и не совсем корректно.4 Справочная температура начала кристаллизации обезвоженного этанола.

1. Способ получения высокооктанового автомобильного топлива, включающий смешение исходного прямогонного бензина или бензина А-76 с этиловым спиртом концентрации 92-96%, отличающийся тем, что компоненты берут в соотношении спирт: бензин от 55:45 об.% до 70:30 об.% перед подачей в смеситель компоненты топлива нагревают до температуры 50÷70°С, подачу компонентов в смеситель, в котором поддерживают ту же температуру, осуществляют в ламинарном режиме при Re=1000÷1200 при полном заполнении объема смесителя и при прохождении его потоком смеси в том же ламинарном режиме в течение 20÷30 мин.

2. Способ получения высокооктанового автомобильного топлива по п.1, отличающийся тем, что используют облегченный бензин А-76 с пределами выкипания 42-155°С.

3. Способ получения высокооктанового автомобильного топлива по п.1, отличающийся тем, что используют облегченный прямогонный бензин с пределами выкипания 42-150°С.