Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время одной из основных задач химмотологии является создание научных основ и разработка практических рекомендаций по экономии топливно-энергетических ресурсов страны и по обеспечению автотранспорта топливами с улучшенными энергоэкологическими характеристиками.
В связи с развернувшейся борьбой за оздоровление воздушного бассейна городов поставлена задача полного исключения содержания свинцовых антидетонаторов из состава автомобильных бензинов. Снижение концентрации токсичных алкилсвинцовых присадок в бензине компенсируется увеличением содержания ароматических углеводородов, которые при неполном сгорании в чистом виде или в виде полиядерных ароматических углеводородов загрязняют отработавшие газы двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и являются более опасными для здоровья людей. Если учесть, что при сгорании одной тонны топлива в атмосферу с выхлопными газами выбрасывается 400 кг вредных веществ (окнсь углерода, окислы азота, несгоревшие углеводороды), то разработка топливных композиций, при сжигании которых снижается токсичность отработавших газов ДВС, имеет актуальное значение.
В связи с ухудшением состояния окружающей среды, в США и странах Западной Европы с 1990 года приняты законы о чистоте воздушного бассейна. Ключевым вопросом этих законодательных актов является положение о снижении уровня вредных выбросов автомобильных двигателей.
В настоящее время работы по получению реформулировашюго (экологически чистого) бензина ведутся по двум направлениям:
снижение упругости паров бензинов (с целью сокращения потерь от испарения и загрязнения атмосферного воздуха парами легких углеводородов);
уменьшение количества ароматических углеводородов.
Ограничению содержания легких углеводородов в составе топлив :пособствует замена карбюраторных двигателей инжекторными, не требующими регулировки начала кипения автобензинов.
Из ароматических углеводородов наиболее токсичным является бензол, который превращается при горении обогащенных смесей в канцерогенный эенз(а)пирен, последний выделяется с выхлопными газами. Применение в качестве компонентов автобензинов кислородсодержащих соединений, тревосходящих по антидетонационной стойкости ароматические углеводороды, тозволяет повысить эксплуатационные характеристики топлив и значительно :низить концентрацию вредных веществ в составе отработавших газов.
В условиях Севера и Западной Сибири на компрессорных станциях (КС) и з подземных хранилищах газа накапливается значительное количество газового <онденсата, на базе которого целесообразно организовать производство смесевых моторных топлив. Получение без сложных процессов переработки івтомобильньїх топлив, основу которых составляют газоконденсатные Зензиновые фракции, а в качестве высокооктановых добавок предложены спирты,
4 эфиры, вода и их смеси, расширяет ресурсы автобензинов с улучшенным энергоэкологическими характеристиками.
Для применения композиционных топлив в автомобилях требуете предварительное исследование их влияния на технико-экономические показател и характеристики рабочего цикла ДВС. Кроме того, необходимы эффективнь присадки, снижающие агрессивное воздействие кислородсодержащих соединен!: на конструкционные материалы, неметаллические изделия топливной системы повышающие химическую стабильность топлив, технология получения которь представлена в данной работе.
Работа выполнена в соответствии с целевой комплексной программе ОЦ045 «Расширение ресурсов топлив для ДВС за счет применения сжиженного сжатого газа, метанола и синтетических добавок» (утверждена ГКНТ президиумом AM СССР 8.04.88 г.), Государственной научно-техническс программой Академии наук Республики Башкортостан «Проблем машиноведения, конструкционных материалов и технологий» на 1996-1998 т (Постановление Кабинета Министров РБ № 204 от 26.06.96 г.)
Цель работы. Получение топливных композиций с улучшенньш энергоэкологическими свойствами и исследование технико-зкономическі показателей и характеристик рабочего цикла ДВС.
В соответствии с поставленной целью в задачи исследований входило:
Исследование совместимости газоконденсатных бензинов, получаемых на К* с высокооктановыми кислородсодержащими соединениями.
Получение бензино-водно-метанольных эмульсий, стабильных при низкі температурах и в течение длительного срока хранения.
Теоретическое изучение явления детонации в ДВС, определение скорое сгорания горючей смеси и сравнение полученных данных с результата\ экспериментов.
Получение композиций бензинов А-76 и АИ-93 на базе газоконденсате исследование их физико-химических и антидетонационных свойств особенностей рабочего цикла ДВС при применении кислородсодержащі соединений в качестве высокооктановых добавок.
Проведение стендовых испытаний отечественных автомобильных двигателі на топливных композициях с целью определения их технико-экономическ] показателей. Разработка рекомендаций по наиболее полной реапизащ технических возможностей конструкции двигателя и по обеспечению заданні уровней эксплуатационной надежности автомобиля.
Исследование влияния кислородсодержащих соединений на токсическ характеристики ДВС. Определение состава отработавших газов в услови. городской езды с целью определения наиболее опасных маневров с точі зрения экологической обстановки в населенных пунктах.
Изучение химической стабильности и коррозионных свойств топливш композиций. Исследование стойкости конструкционных материалов неметаллических изделий ДВС к их воздействию. Разработка технологии и
синтез новых и доступных присадок к бензино-метанольным смесям (БМС). - Разработка рациональных схем переработки отходов нефтехимических
производств с целью получения высокооктановых компонентов автобензипов. Научная новизна. В диссертационной работе разработано новое направление производства гомогенных и эмульсионных композиций автобензинов на основе газовых конденсатов, воды и высокооктановых кислородсодержащих соединений с целью существенного повышения показателей качества топлив и улучшения энергоэкологических характеристик ДВС:
-
Созданы стабильные гетерогенные топливные композиции в виде бензино-водно-метанольных эмульсий. Установлено, что при добавлении метанола в водно-топливную композицию (до 10 % масс.) снижается поверхностное натяжение воды на 50 %; сокращается время образования стабильной эмульсии, повышается степень ее дисперсности.
-
Получены стабильные гомогенные топливные композиции бензин-метанол-стабилизатор. Показана роль парафиновых, нафтеновых и ароматических углеводородов в процессе стабилизации БМС. Установлено, что смесь из двух кислородсодержащих соединений, отличающихся полярностью и растворимостью воды в них, обеспечивает синергический эффект стабилизации. Выявлены новые доступные и эффективные стабилизаторы, которые могут использоваться вместо дорогостоящего изобутанола,-композиция октилового спирта с метилэтилкетоном и отходы производства бутиловых спиртов.
-
Впервые, на основе исследования газодинамической теории детонации в ДВС. получена система уравнений, связывающая три основных параметра: скорость распространения детонационной волны, давление и плотность горючей смеси. Показано, что скорость распространения детонационной волны равна местной скорости звука в продуктах реакции, то есть зависит от давления и плотности горючей смеси за фронтом ударной волны и может достигнуть 2500 м/с.
-
Разработан и применен новый метод исследования рабочего цикла ДВС, позволяющий определить период задержки воспламенения и скорость сгорания горючей смеси, модернизирована система питания и зажигания отечественного инжектора двигателя ЗМЗ 4062.
-
Показана электрохимическая природа коррозии конструкционных материалов в системе бензин-метанол-вода. Выявлено, что скорость коррозии с повышением температуры в топливной системе двигателя проходит через максимум и находится в прямопропорциональной зависимости от концентрации воды и метанола в смеси.
-
Разработана технологическая схема получения ингибиторов коррозии для БМС - производных амидов а - разветвленных монокарбоновых кислот. Для повышения антикоррозийной эффективности присадки, полученные путем конденсации различных изомеров монокарбоновых кислот с диэтилентриамином или триэтилентетрамнном, дополнительно подвергались модифицированию салициловым альдегидом. Исследован механизм действия присадок в составе БМС. Синтезированы также многофункциональные
присадки к альтернативным тошшвам - салицилаль-К,В-аминоз-тилпиперазиі
и дисалициден-5-метил-1,4,7,10-тетраминодекан, обладающи
противоизносными и моющими свойствами, а также применяемые ка деактиваторы металлов.
Практическая ценность. Получение и применение новых автомобильны топливных композиций на базе газоконденсатных бензинов с использование! высокооктановых кислородсодержащих соединений, воды и отходо нефтехимических производств позволяет повысить их физическую и химическуї стабильность и улучшить энергоэкологические характеристики ДВС.
На компрессорных станциях АО "Саратовтрансгаз" и А( "Уренгойгазпром" построены малогабаритные установки получения автобензино из газового конденсата. Для улучшения фракционного состава и повышени антидетонационных свойств газоконденсатного бензина на установка смонтированы блоки смешения с высокооктановыми кислородсодержащим соединениями, в качестве которых предложены: метилаль-метанольная фракції производства изопрена, эфирная "головка' производства бутиловых спирто) МТБЭ и смесь метанола с изопропанолом. Годовой экономический эффект с эксплуатации одной установки - 224172 руб. ( в ценах 1984 года);
На Стерлитамакском опытно-промышленном заводе построена установка п производству метилтретбутилового эфира на базе изобутиленсодержащи отходов. Производительность установки 30000 т., годовой экономический эффеь 6 млн. руб. (цены на 1998 г.);
На АО "Каучук" г. Стерлитамака с 1985 г. действует установка по получени: бензина А-76 из отходов цеха дегидрирования изопентана с годовы экономическим эффектом 1,3 млн.руб. (в ценах 1998 г.);
- Получены и использованы на местные нужды топливные композиції
автобензинов А-76 и АИ-93 на базе прямогонных бензинов с использование
высокооктановых кислородсодержащих соединений в Салаватском А
"Востокиефтезаводмонтаж", в Стерлитамакском производственном объединен!
грузового автотранспорта и автотранспортном предприятии при Стерлитамакскс
ТЭЦ с общим экономическим эффектом более 800 млн.руб. (цены на 1995 г.)
Апробация работы. Отдельные разделы диссертационной работ докладывались и обсуждались на:
- научно-технической конференции "Декада науки", г. Саратов, 1982 г.
- научно-технической конференции "Теория и практика рационально;
использования природных ресурсов", г.Челябинск, 1983г.
- республиканских научно-технических конференциях: "Химия, нефтехимия
нефтепереработка" (г. Уфа, 1982 г.); "Наука в борьбе за рациональн
использование сырьевых ресурсов" (г. Салават, 1983 г.); "Охрана окружающі
среды и рациональное использование природных ресурсов" (г. Стерлитамак, 19!
г.).; "Улучшение экологических характеристик действующих производс
Стерлитамакского региона" (г. Стерлитамак, 1988 г.); "Совершенствован
образования и использование научного потенциала вузов для науки
производства" (г. Салават, 1996 г.); "Экономический рост: проблемы развития
7 науки, техники и совершенствования производства" (г.Стерлитамак, 1996 г.).
- всесоюзных научно-технических конференциях: "Актуальные проблемы
нефтепереработки" (г.Уфа, 1985 г.); "Реактив-97" (г.Уфа 1997 г.); "Реактив-98"
(г.Уфа 1998 г.).
- международной научно-технической конференции "Проблемы нефтегазового
комплекса России", посвященной 50-летию У ГИТУ (Уфа, 1998 г.).
Публикации. Содержание диссертации изложено в 50-ти опубликованных работах, в том числе в четырех изобретениях и в одной монографии.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, основных выводов, списка литературы и приложений, включает 47 таблиц и 74 рисунка.
