Состав жидкого топлива

Состав жидкого топлива

Реферат

Изобретение относится к составам жидких топлив для дизельных двигателей на основе биотоплива и может быть использовано для получения жидкого топлива, синтезируемого из органического сырья, в основном, растительного происхождения, эквивалентного по физико-химическим характеристикам нефтяному дизельному топливу, но обладающего лучшими экологическими характеристиками.

Известный состав жидкого топлива, включающий смесь биотоплива с нефтяным топливом, описан в заявке Франции (FR 2492402, С10L 1/18, 23.04.1982). Известно, что широкое использование тепловых двигателей, использующих нефтепродукты, привело к повышенному загрязнению воздуха, почвы и водоемов. Вредные вещества, попадающие в воздух при хранении и использовании нефтяных топлив, способствуют нарушению газообмена в организме, появлению кислородного голодания и возникновению нарушения функционирования всех систем организма; обладают канцерогенными, тератогенными, мутагенными свойствами. Под воздействием вредных веществ, попадающих в почву непосредственно или с атмосферными осадками из воздуха, в почве происходят значительные изменения. Корневая система в этих условиях утрачивает способность поглощать влагу из почвы, а сами растения не удерживают ее в листьях и теряют устойчивость к засухе. Жесткие законы по охране окружающей среды заставляют шире использовать биотопливо вместо нефтепродуктов для минимизации отрицательного влияния вредных выбросов отработавших газов дизельных двигателей на здоровье населения и окружающую среду. Весьма перспективным сырьем для производства топлива является растительная биомасса, которая является постоянно возобновляемым источником органического сырья. Наиболее предпочтительными для создания дизельного топлива являются продукты переработки растительных масел (переэтерификации, а точнее алкоголиза одноатомными алифатическими спиртами). В качестве ближайшего аналога выбран российский патент (RU 2129587, С10L 1/18, 1/22, 21.10.1993), где описан состав топлива, включающий от 10 до 50% (об.) биотоплива.

Существенным недостатком этого топлива на основе биотоплива является наличие в его составе нефтяного дизельного топлива, сжигание которого приводит к значительному загрязнению окружающей среды. Применение нефтяных фракций обусловлено тем, что в состав биотоплива входят только высококипящие сложные эфиры метилового спирта и высокомолекулярных алифатических непредельных кислот. А для дизельных двигателей оптимальным является использование топлив с широким фракционным и групповым составом. Еще одним недостатком наличия дизельных нефтяных фракций является предрасположенность этих топлив к образованию парафинов при низких температурах. Это ухудшает их низкотемпературные характеристики, что приводит к необходимости применения дополнительно одной или более депрессорных присадок, модифицирующих кристаллы парафина и/или понижающих температуру текучести топлив.

Задачей настоящего изобретения является создание состава жидкого топлива для дизельных двигателей с широким фракционным и групповым составом на основе биотоплива. Физико-химические свойства топлива предлагаемого состава эквивалентны свойствам нефтяного дизельного топлива. При этом жидкое топливо предлагаемого состава не содержит нефтяных компонентов, а потому обладает лучшими экологическими характеристиками и не требует применения дополнительно депрессорных присадок.

Решение поставленной задачи достигается созданием нового состава жидкого топлива для дизельных двигателей, представляющего собой смесь 50% (об.) биотоплива и 10% (об.) октилового эфира масляной кислоты, 10% (об.) гептилового эфира валериановой кислоты, 10% (об.) нонилового эфира валериановой кислоты, 10% (об.) нонилового эфира капроновой кислоты, 10% (об.) изоамилового эфира масляной кислоты. Такие сложные эфиры можно получить этерификацией алифатических кислот меньшей молекулярной массы C₄-C₇ спиртами C₅-С₁₀. Этерификация алифатических кислот протекает в водной среде в присутствии серной кислоты при температуре 100-101°С по уравнению:

Реакция обратима, для сдвига равновесия в сторону образования сложных эфиров образующуюся воду отгоняют и улавливают в ловушке. Получены следующие сложные эфиры: октиловый эфир масляной кислоты C₃H₇COOC₈H₁₇; гептиловый эфир валериановой кислоты C₄H₉COOC₇H₁₅, нониловый эфир валериановой кислоты C₄H₉COOC₉H₁₉, нониловый эфир капроновой кислоты C₅H₁₁COOC₉H₁₉, изоамиловый эфир масляной кислоты С₄Н₉СООС₅Н₁₁. Спирты и кислоты, использованные в процессе синтеза, можно получать синтетическим путем из углеводородов и их функциональных производных, а можно и из возобновляемого растительного сырья. Такую кислоту, как масляная, можно получить из крахмала, сахара, глицерина при различных бактериальных процессах брожения (Bacterium butylicus, Granulobacter). Эти процессы используются в промышленных масштабах. Н- валериановая кислота образуется наряду с другими жирными кислотами при окислении стеариновой кислоты и касторового масла. Капроновая кислота образуется при маслянокислом брожении сахара. Изоамиловый спирт является одной из основных частей сивушных масел (источником его образования в процессе брожения является аминокислота лейцин, входящая в состав белков). Сложные эфиры октилового спирта обнаружены в эфирных маслах различных видов Heracleum, а эфиры нонилового спирта - в масле корок померанцев.

Топливо предлагаемого состава может применяться как жидкое топливо для дизельных двигателей без каких-либо ограничений и дополнительных изменений в конструкции двигателя и топливоподающей аппаратуры.

Исследованы различные эксплуатационные характеристики топлива предлагаемого состава, состоящего из 50% (об.) биотоплива (метиловые эфиры рапсового масла) и 10% (об.) октилового эфира масляной кислоты, 10% (об.) гептилового эфира валериановой кислоты, 10% (об.) нонилового эфира валериановой кислоты, 10% (об.) нонилового эфира капроновой кислоты, 10% (об.) изоамилового эфира масляной кислоты. В таблице 1 приводятся значения различных физико-химических характеристик нефтяного дизельного топлива (ДТ), метиловых эфиров рапсового масла (биотопливо) и топлива предлагаемого состава.

Таблица 1
Физико-химические характеристики различных видов топлива
Показатель	ДТ	Биотопливо	Топливо предлагаемого состава
Плотность при 20°С, кг/м3	820-860	870	864
Кинематическая вязкость при 20°С, мм2/с	1,8-6,0	7,8	4,1
Цетановое число	≥ 45	52	53
Температура, °С:
Вспышки	35-80	130	60
Помутнения	-1…-10	-3	-9
Застывания	-10…-20	-9	-21
Фракционный состав, °С
Температура начала кипения	170-200	315	172
Температура перегонки 50%	270-280	346	279
Температура перегонки 96%	320-360	347	320
Температура конца кипения	360-380	348	340
Кислотное число, мг КОН/г	≤ 0,2	0,46	0,22
Зольность, %	≤ 0,01	0,01	0,006
Содержание воды, %	отс.	отс.	отс.
Испытание на медной пластине	Выдерж.	Выдерж.	Выдерж.
Наличие водорастворимых кислот и щелочей	Отс.	Отс.	Отс.

Как видно из полученных данных, топливо предлагаемого состава соответствует товарному летнему дизельному топливу практически по всем параметрам, в том числе и по температурам помутнения и застывания, что исключает необходимость использования дополнительно депрессорных присадок. Кроме того, экологические характеристики предлагаемого топлива лучше, чем товарного дизельного топлива или биотоплива (таблица 2). Сравнительные моторные испытания проводились на тракторном дизеле 4Ч11/12,5 (Д-243) в штатной комплектации по стандартной методике. Как видно из полученных данных, содержание оксида углерода (II) и углеводородов, а также дымность в выхлопных газах имеют самые низкие показатели при работе двигателя на топливе предлагаемого состава.

Таблица 2
Экологические показатели двигателя Д-243 при работе на различных видах топлива (нагрузка номинальная)
Содержание в выхлопных газах, %	Виды топлива
	Дизельное топливо	Биотопливо	Топливо предлагаемого состава
	n=1400 мин-1
Оксид углерода (II)	0,22	0,18	0,13
Углеводороды	0,0012	0,0012	0,001
Дымность	29,3	27,2	23,3
	n=1600 мин-1
Оксид углерода (II)	0,41	0,38	0,32
Углеводороды	0,0013	0,0012	0,001
Дымность	53,7	50,3	43,5
	n=1800 мин-1
Оксид углерода (II)	0,52	0,49	0,42
Углеводороды	0,0014	0,0013	0,001
Дымность	67,5	60,5	56,3
	n=2000 мин-1
Оксид углерода (II)	0,57	0,52	0,44
Углеводороды	0,0015	0,0013	0,0011
Дымность	73,5	70,4	63,3
	n=2200 мин-1
Оксид углерода (II)	0,62	0,57	0,46
Углеводороды	0,0017	0,0014	0,0011
Дымность	76,0	70,1	65,1

Использование жидкого топлива на основе биотоплива позволяет сохранить природный энергетический баланс. Растительное сырье в естественных условиях усваивается аэробными организмами - при этом биогенном процессе выделяется определенное количество энергии, так же как в процессе техногенного окисления, в том числе сжигания топлива в двигателе. В работах И.Б.Грудникова с сотр. [Грудников И.Б., Грегор Е.И. Об оценке энергии процессов окисления в техногенных и биогенных ситемах / Химия и технология топлив и масел, 2006 г., №6. С.36-37] на примере окисления битумов показано, что несмотря на существенное различие природы биогенных и техногенных процессов окисления, для оценки энергии этих процессов успешно используется одинаковый подход: отнесение количества выделяющейся энергии к количеству потребленного в процессе кислорода. По этой методике были рассчитаны теплоты сгорания продуктов алкоголиза растительных масел - метиловых или этиловых эфиров высших жирных кислот, и они составили 4,68 ккал на 1 литр потребленного кислорода. Таким образом, теплоты, выделяющиеся при аэробном метаболизме растительных остатков и при использовании продуктов переработки растительного сырья в качестве биотоплива, в расчете на 1 литр потребляемого кислорода практически одинаковы, что соответствует концепции единства законов природы.

Использование жидкого топлива предлагаемого состава позволяет создавать технологии с высокими природоохранными характеристиками за счет исключения применения токсичных веществ нефтяного происхождения, уменьшать вредное воздействие мобильной энергетики на окружающую среду, повлиять на расширение сырьевой энергетической базы, исключить применение дополнительно депрессорных присадок.

Состав жидкого топлива для дизельных двигателей на основе биотоплива (метиловых эфиров рапсового масла), отличающийся тем, что топливо представляет собой смесь 50 об.% биотоплива, 10 об.% октилового эфира масляной кислоты, 10 об.% гептилового эфира валериановой кислоты, 10 об.% нонилового эфира валериановой кислоты, 10 об.% нонилового эфира капроновой кислоты, 10 об.% изоамилового эфира масляной кислоты.