СОСТАВ ЖИДКОГО ТОПЛИВА
LIQUID FUEL COMPOSITION

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.
4
7
5
10
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 C-C спиртами C-С. Этерификация алифатических кислот протекает в водной среде в присутствии серной кислоты при температуре 100-101°С по уравнению:
3
7
8
17
4
9
7
15
4
9
9
19
5
11
9
19
4
9
5
11
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 CHCOOCH; гептиловый эфир валериановой кислоты CHCOOCH, нониловый эфир валериановой кислоты CHCOOCH, нониловый эфир капроновой кислоты CHCOOCH, изоамиловый эфир масляной кислоты СНСООСН. 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/м<sup>3</sup>
820-860
870
864
Кинематическая вязкость при 20°С, мм<sup>2</sup>/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<sup>-1</sup>
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<sup>-1</sup>
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<sup>-1</sup>
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<sup>-1</sup>
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<sup>-1</sup>
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.