СПОСОБ УЛУЧШЕНИЯ КАЧЕСТВА УГЛЕВОДОРОДНЫХ ТОПЛИВ
METHOD OF IMPROVING QUALITY OF HYDROCARBON FUELS

Предлагаемое изобретение относится к способам повышения качества углеводородных топлив с улучшенным комплексом эксплуатационных, физико-химических и экологических свойств и может использоваться в нефтеперерабатывающей, автомобильной промышленности и различных областях техники.
Известен способ получения углеводородного топлива, включающий подачу углеводородной жидкости под давлением в резервуар с газом, который надо в этой жидкости растворить. Давление, при котором подается жидкость, зависит от конструкции распыляющего устройства. В качестве углеводородной жидкости используют бензин или керосин. Используемый газ: метан, этан, пропан, бутан, природный газ [1].
Основными недостатками указанного способа является то, что легкие углеводородные газы - метан и этан - характеризуются весьма высоким давлением паров, хотя и обладают хорошим октановым числом, они вызывают резкое повышение давление насыщенных паров смесевого бензина, что приводит к весьма значительным его потерям при хранении и эксплуатации. Это побуждает хранить такие бензины лишь под давлением в специальных резервуарах, что резко ограничивает использование данного способа. К тому же эксплуатация двигателя на этом бензине сопряжена с образованием газовых пробок и перебоями в работе двигателя.
Известен способ получения топлива для двигателей внутреннего сгорания [2], включающий изомеризацию прямогонной бензиновой фракции при повышенных температуре и давлении в присутствии катализатора. В качестве сырья используют прямогонную бензиновую фракцию, выкипающую в интервале температур 30…160°С, и изомеризацию проводят при температуре 300…380°С и давлении 3…5 МПа в присутствии цеолитсодержащего молибденового и/или никель-молибденового катализатора с последующим удалением из продуктов реакции метана и этана. Полученный изомеризат смешивают с прямогонной бензиновой фракцией в соотношении от 1-4 до 4-1.
Основными недостатками данного способа являются отсутствие возможности изменения характеристик электрического поля в зависимости от исходных показателей качества используемого топлива и как следствие низкая эффективность топливоподготовки, не позволяющая существенно повысить качество комплекса эксплуатационных, физико-химических и экологических свойств углеводородных топлив, а также сложность исполнения и применения на технике.
Наиболее близким к предлагаемому способу улучшения углеводородных топлив по технической сущности и достигаемому эффекту является способ улучшения физических свойств нефтяных топлив [3], выбранный в качестве прототипа.
Способ-прототип включает возбуждение пульсаций в движущемся потоке жидкости при условии возникновения колебаний амплитуд давления, скорости и ускорения, которые способствуют дроблению капель и пузырей в сплошной жидкости. Согласно изобретению вначале поляризуют молекулы углеводородов, пропуская через электромагнитное поле напряженностью 0,2-0,3 Тл, затем подвергают макромолекулы и коллоиды резонансной вибрации частотой 20-30 Гц для увеличения амплитуды колебания, повышают давление насосом до 6,0-8,0 МПа на входе в суживающее и расширяющее устройство, где топливо разгоняют до 120-140 м/с с последующим торможением, достигая при этом давления 0,02…0,01 МПа, затем разделяют поток на легкие и тяжелые фракции в трубке Ранка, легкие фракции направляют или на хранение или на сжигание после поляризации молекул в электромагнитном поле, а тяжелые горячие фракции в количестве 10-15% от общего потока возвращают по трубопроводу в емкость с исходным топливом для повторной обработки.
Основными недостатками указанного способа является отсутствие возможности изменения характеристик электрического поля в зависимости от исходных показателей качества используемого топлива, а следовательно, недостаточная эффективность топливоподготовки, не позволяющая существенно повысить качество комплекса эксплуатационных, физико-химических и экологических свойств углеводородных топлив, а также сложность исполнения и отсутствие возможности применения на ДВС.
Предлагаемое изобретение решает задачу улучшения комплекса эксплуатационных и физико-химических свойств углеводородных топлив, таких как октановое число автомобильных бензинов, цетановое число дизельных топлив, кинематическая вязкость, фракционный и углеводородный состав, а также улучшения экологических свойств топлив.
Поставленная задача достигается способом улучшения качества углеводородных топлив, в котором подают топливо в поле центробежных сил и подвергают цепной реакции крекинга молекул углеводородов топлива при нормальных условиях, пропуская через электрическое поле напряженностью 2,12…7,54 кВ/мм, силой тока 1,48…3,35 А, частотой импульсов 0,46…1,0 кГц и напряжением 10…30 кВт.
Указанные отличительные признаки являются существенными для решения задачи предлагаемого изобретения.
Способ осуществляется следующим образом.
Топливо подают в поле центробежных сил, где подвергают цепной реакции крекинга молекулы углеводородов топлива при нормальных условиях, пропуская через электрическое поле напряженностью 2,12…7,54 кВ/мм, силой тока 1,48…3,35 А, частотой импульсов 0,46…1,0 кГц и напряжением 10…30 кВт.
Данные параметры электрического поля и тока обусловлены энергией, необходимой для изменения строения исходных углеводородов.
С молекулами углеводородов в электрическом поле происходят радикально-цепные превращения.
В качестве иллюстрации механизма радикально-цепного процесса представлен крекинг молекулы в виде последовательных радикальных реакций:
1.
2.
3.
4.
Данный механизм не нов и описан рядом ученых [4]. Уникальность и принципиальное отличие разработанного способа заключается в изменении углеводородного состава топлив без повышения температуры, давления и присутствия катализатора.
Зарождение цепи происходит в результате передачи энергии электрического поля и совпадения собственной частоты колебаний молекул углеводородов топлив с частотой импульсов электрического поля.
Выведены математические зависимости силы, действующей на свободные радикалы, и скорости их движения от характеристик топлива и электрического поля.
На фиг.1 показаны силы, действующие на свободный радикал молекулы углеводорода, образующийся в результате цепной реакции крекинга.
Сила, действующая на свободный радикал, зависит от диэлектрической проницаемости, плотности линейного заряда и размеров радикалов, определяется по формуле:
где τ - плотность линейного заряда;
l - расстояние от центра радикала до заряда.
a - радиус свободного радикала;
a
i
ε, ε - диэлектрические проницаемости топлива и радикалов соответственно.
На скорость движения свободного радикала оказывают существенное влияние напряжение, диэлектрическая проницаемость и динамическая вязкость топлива:
где U - напряжение;
r - расстояние от радикала до электрода;
ρ - плотность топлива;
d - диаметр электрода;
η - динамическая вязкость среды;
0
ε - диэлектрическая постоянная.
Вывод данных математических зависимостей позволил управлять развитием радикально-цепного процесса.
Обрыв цепи процесса происходит реакциями рекомбинации и диспропорционирования радикалов.
Эффективность применения данных параметров электрического поля доказывают результаты проведенных экспериментов (фиг.2). Результаты исследования воздействия электрического поля на кинематическую вязкость дизельного топлива марки (Л-0.2-40 ГОСТ 305) в соответствии со стандартной методикой по ГОСТ 33 приведены в таблице 1.
В результате обработки полученных результатов с использованием программы STATISTICА 6.0 получены графические зависимости (фиг.2) и математическая зависимость:
2
где v - кинематическая вязкость, мм/с;
Е - напряженность электрического поля, кВ/мм;
f - частота импульсов, Гц.
Как видно из таблицы 1 и фиг.2, наиболее эффективными являются параметры электрического поля напряженностью 2,12…7,54 кВ/мм, силой тока 1,48…3,35 А, частотой импульсов 0,46…1,0 кГц и напряжением 10…30 кВт, которые обеспечивают экономию энергозатрат, прохождение радикально-цепного процесса в топливе, улучшение комплекса эксплуатационных и физико-химических свойств углеводородных топлив, таких как октановое число автомобильных бензинов, цетановое число дизельных топлив, кинематическая вязкость, фракционный и углеводородный состав, а также улучшение экологических свойств топлив.
Необходимо отметить, что оптимальные параметры электрического поля будут различаться в зависимости от показателей качества исходного топлива.
Это подтверждается следующим:
Изменение углеводородного состава автомобильного бензина марки "Регуляр-92" по ГОСТ Р 51105, полученные на аппарате AREX -2000 в Федеральном государственном унитарном предприятии 25 Государственный научно-исследовательский институт Министерства обороны, в результате топливоподготовки приведены в таблице 2.
Таблица 2Изменение углеводородного состава автомобильного бензина «Регуляр 92» (ГОСТ Р 51105) в результате электрической обработки
Группа углеводородов
До топливоподготовки
После топливоподготовки
Ароматические углеводороды, в %
30,3
37,6
Непредельные углеводороды, в %
11,0
9,4
Предельные углеводороды, в %
58,7
53,0
Изменение фракционного состава дизельного топлива марки Л-0,2-40 ГОСТ 305-82 в результате электрической обработки установлено по стандартной методике ГОСТ 2177 и представлено в таблице 3.
Таблица 3Изменение фракционного состава дизельного топлива Л-0,2-40 ГОСТ 305-82 в результате топливоподготовки
Точки регистрации температур, %
Температура выкипания, ºС
До топливоподготовки
После топливоподготовки
начало перегонки,
134
102
10% перегонки,
216
205
20% перегонки,
232
227
30% перегонки,
246
239
40% перегонки,
262
256
50% перегонки,
280
272
60% перегонки,
300
305
70% перегонки,
320
314
80% перегонки,
342
336
90% перегонки,
368
365
96% перегонки,
388
375
Проведены испытания топлива после подготовки к применению на двигателе УМ3-4178 на стенде КИ-5543 ГОСНИТИ по стандартной методике, результаты которых представлены в таблице 4.
Примечание:
После топливоподготовки испытываемый двигатель показал следующие результаты:
1. Эффективная мощность возрастает на 4…14 кВт.
2. Удельный эффективный расход топлива снизился на 11…31 г/кВт·ч.
Таким образом, все признаки, указанные в формуле изобретения, необходимы в совокупности для решения поставленной задачи изобретения.
Проведенная топливоподготовка обеспечивает проведение цепной реакции крекинга молекул углеводородов смеси при нормальных условиях, что в конечном итоге позволяет значительно снизить токсичность отработавших газов и повысить экономичность двигателя внутреннего сгорания за счет интенсификации процесса смесеобразования и сгорания путем увеличения тонкости распыла капель топлива из-за снижения сил поверхностного натяжения топлива, возникающего под действием электрического поля, за счет изменения углеводородного состава.
Таким образом, предлагаемый способ улучшения качества углеводородных топлив путем подачи топлива в поле центробежных сил и обеспечения условий проведения цепной реакции крекинга молекул углеводородов топлива при нормальных условиях, пропуская его через электрическое поле напряженностью 2,12…7,54 кВ/мм, силой тока 1,48…3,35 А, частотой импульсов 0,46…1,0 кГц и напряжением 10…30 кВт, обеспечивает улучшение комплекса эксплуатационных и физико-химических свойств углеводородных топлив, таких как октановое число автомобильных бензинов, цетановое число дизельных топлив, кинематическая вязкость, фракционный и углеводородный состав, а также улучшение экологических свойств топлив.
Литература
1. Патент Франции №2106695, кл. C10L 1/00, опублик. 1972 г.
2. Патент RU №2090591, кл. C10G 45/58, C10G 45/04, опублик. 1997
3. Патент RU №2283967, F02M 27/08, F02M 27/04, B01J 19/10, опублик. 2006. - прототип.
4. Коллоидные жидкости /Никитенко В.И./. - М.: Химия, 1965. - 734 с.