АРКТИЧЕСКОЕ ДИЗЕЛЬНОЕ ТОПЛИВО
ARCTIC DIESEL FUEL

Изобретение относится к жидким углеводородным топливам на основе смесей углеводородов для воспламенения от сжатия, конкретно к дизельному топливу, предназначенному для использования в быстроходных дизелях, и может быть использовано в условиях Крайнего Севера и Арктической зоны.
При применении дизельных топлив в арктических условиях и районах Крайнего Севера, где при продолжительности зимы до 300 дней морозы могут достигать минус 65 ÷ минус 70°C, возникают нештатные ситуации: затрудняется запуск двигателя и готовность к немедленному использованию. На трассе БАМ наблюдались температуры воздуха минус 52 ÷ минус 59°C [1 - Бакуревич Ю.Л., Толкачев Р.С., Шевелев Ф.Н. Эксплуатация автомобилей на севере. М., Транспорт, 1973, с. 18]. Сложности применения дизельных топлив при отрицательных температурах окружающего воздуха связаны с выпадением из топлива кристаллов высокоплавких углеводородов с одновременным или последующим образованием кристаллической сетки, в результате чего топливо застывает или теряет свою подвижность. Также наблюдается резкое возрастание вязкости топлива.
В июле 2006 г. введен в действие ГОСТ Р 52368 [2 - ГОСТ Р 52368-2005. Топливо дизельное ЕВРО. Технические условия], в котором дизельные топлива для холодного и арктического климата представлены пятью классами: 0, 1, 2, 3, 4. Низкотемпературные свойства этих дизельных топлив, выпускаемых по ГОСТ Р 52368, определяются двумя показателями - температурой помутнения и предельной температурой фильтруемости (без определения температуры застывания).
1
В ГОСТ Р 52368 (Приложении Г) приведена таблица с рекомендациями по сезонному применению дизельных топлив. Например, дизельное топливо класса 4 с температурой помутнения «не выше минус 34°C» и предельной температурой фильтруемости «не выше минус 44°C» рекомендуется применять с 15 октября по 15 мая в таких районах, как Якутия, Магаданская обл., острова Северного Ледовитого океана и др., хотя, согласно ГОСТ 16350-80, эти районы относятся к очень холодному климатическому району I, где число дней в году с минимальной температурой воздуха ниже минус 45°C составляет от 10 до 100 суток [3 - ГОСТ 16350-80. Климат СССР. Районирование и статические параметры климатических факторов для технических целей, с. 2].
В то же время абсолютный минимум температуры воздуха в этом климатическом районе, согласно ГОСТ 16350, может достигать минус 64°C - минус 71°C (3 - с. 7).
1
Из приведенного выше следует, что ГОСТ Р 52368 не содержит марки дизельного топлива, применение которого в дизельных двигателях обеспечит их надежную эксплуатацию в климатическом районе I.
2
Перед авторами стояла задача разработать такое арктическое дизельное топливо, которое могло бы обеспечить бесперебойную работу двигателя при температуре окружающего воздуха до минус 65°C, для этого необходимо обеспечить температуру помутнения не выше минус 65°C, предельную температуру фильтруемости не выше минус 65°C, температуру застывания не выше минус 70°C и кинематическую вязкость при 20°C в пределах 1,5-4,0 мм/с. Температура применения дизельных топлив определяется значением его предельной температуры фильтруемости, согласно требованиям и положениям ГОСТ Р 52368 (2 - с. 10).
В соответствии с тактико-техническим заданием на научно-исследовательскую работу (далее - НИР) «Разработка и военно-научное обеспечение создания новых КЖРТ и горюче-смазочных материалов для современного и перспективного вооружения и военной техники» (шифр «Испольщина - 13») ФАУ «25 ГосНИИ химмотологии Минобороны России» был разработан и утвержден в декабре 2014 г. стандарт организации (далее - СТО) СТО 08151164-0157-2014 «Топливо дизельное для Арктической зоны»
Требования к дизельному топливу для холодной и арктической техники должны соответствовать СТО 08151164-0157-2014 «Топливо дизельное для Арктической зоны»:
для высшего сорта:
Цетановое число, не менее
47
Плотность при 15°C, кг/м<sup>3</sup>
800-833
Температура вспышки в закрытом тигле, °C не ниже
30
Кинематическая вязкость при 20°C, мм<sup>2</sup>/с
1,50-4,00
Температура помутнения, °C, не выше
минус 65
Предельная температура фильтруемости, °C, не выше
минус 65
для первого сорта:
Цетановое число, не менее
45
Плотность при 15°C, кг/м<sup>3</sup>
не менее 780
Температура вспышки в закрытом тигле, °C, не ниже
30
Кинематическая вязкость при 20°C, мм<sup>2</sup>/с
1,40-4,00
Температура помутнения, °C, не выше
минус 65
Предельная температура фильтруемости, °C, не выше
минус 65
Для производства топлива дизельного для арктической зоны могут использоваться нефти различных месторождений и ловушечные продукты в смеси с нефтью.
Как показала практика, существует два способа улучшения низкотемпературных свойств дизельных топлив - это использование различных дизельных и керосиновых фракций прямой и вторичной перегонки и применение депрессорно-диспергирующих присадок [4 - Митусова Т.Н., Хавкин В.А. и др. Современное состояние производства низкозастывающих дизельных топлив на заводах России // ХТТ. - 2012. - №2. - С. 6-8].
Применение дизельных топлив с депрессорно-диспергирующими присадками в технике, оборудованной быстроходными дизелями, запрещено [5 - ГОСТ РВ 9130-002-2011. Топливо дизельное. Технические условия].
Отечественные и зарубежные специалисты путем компаундирования дизельных и керосиновых фракций, прошедших гидроочистку и процессы глубокого гидрирования, а также, вовлекая в композиции фракции риформинга, пытаются расширить ассортимент зимних и арктических топлив, что подтверждается источниками патентной информации, проанализированными при выполнении научно-исследовательской работы.
1
Известно дизельное топливо, которое состоит из прямогонных фракций, начало кипения (далее - НК) которых - 180°C и НК-185°C, или смесей после вторичной перегонки фракций НК-180°C и НК-185°C с выделением фракций НК-62°C, 62-180°C и кубового остатка, выкипающего в интервале 180°C - конец кипения (далее - КК), и прошедшую гидроочистку и риформинг фракцию 62-180°C. Выделенные фракции компаундируют с прямогонной фракцией, выкипающей в интервале 140-240°C, в соотношении 80-85:20-15 соответственно с получением дизельного арктического топлива, имеющего температуру застывания минус 58°C [6 - RU Патент №2185419, C10L 1/04, 2001 г.]. Дизельное топливо, полученное на основе этого изобретения, имеет температуру застывания минус 58°C, что не достаточно для применения такого топлива в климатическом районе I.
Известна композиция дизельного топлива, состоящая из керосиновой фракции прямой перегонки нефти, 96% которой выкипает до 250°C, фракции, 96% которой выкипает до 320°C, их компаундирование с добавлением товарного реактивного топлива марки Т-6 при следующем соотношении компонентов, % масс.:
керосиновая фракция, 96% которой выкипает до 250°C
20-25
фракция, 96% которой выкипает до 320°C
1-10
товарное реактивное топливо марки Т-6
7-74
Полученный таким образом целевой продукт удовлетворяет требованиям на топливо арктической марки А-0,2 по ГОСТ 305 с температурами помутнения не выше минус 45°C и застывания не выше минус 55°C и превосходит требования марки класса 4 по ГОСТ Р 52368 [7 - RU Патент №2205862, C10L 1/08, 2003 г.].
1
Однако это дизельное топливо также не соответствует требованиям к арктическому топливу для климатического района I (с. 3 настоящего описания).
Известно изобретение, которое в качестве базового топлива содержит газоконденсатные дизельные топлива широкого фракционного состава или дизельные топлива нефтяного происхождения, а в качестве присадок содержит, % масс.:
алкил (С<sub>3</sub>-C<sub>10</sub>) нитрат
не более 75
алкил (С<sub>1</sub>-С<sub>25</sub>) сукцинимид
0,1-15
сополимер высших эфиров С<sub>6</sub>-С<sub>28</sub> акриловой или метакриловой кислоты с этиленненасыщенным мономером
до 60
непредельную жирную кислоту, выбранную из группы олеиновой, линолевой или линоленовой, или ее амид
до 100
или сополимер этилена с альфа-олефинами
не более 50
непредельную жирную кислоту, выбранную из группы олеиновой, линолевой или линоленовой, или ее амид
до 100
Дизельное топливо, полученное на основе этого изобретения, имеет температуру предельной фильтруемости минус 50°C и температуру застывания минус 70°C [8 - RU Патент №2320707, C10L 1/188, 2008 г.].
3
20
1
25
Известно дизельное топливо, где улучшение низкотемпературных свойств достигается тем, что в газоконденсатное топливо вводят присадку в количестве 0,001-1,0% масс., содержащую алкил (С-С) нитрат, алкил (С-С) сукцинимид, непредельную жирную кислоту, выбранную из группы олеиновой, линолевой или линоленовой, или ее амид и сульфат кальция.
Дизельное топливо, полученное на основе этого изобретения, имеет температуру помутнения минус 37°C и температуру застывания минус 50°C [9 - RU Патент №2378323, C10L 1/10, 2010 г.].
Известно получение композиции дизельного топлива следующего состава:
выделенная из стабильного конденсата дизельная фракция
40
раствор депрессора с диспергатором
55
в котором содержится, % масс.:
депрессор
67-80
диспергатор
20-33
В качестве диспергатора используют полимер из монозвеньев на углеводородной основе, содержащих карбонильные, алифатические и ароматические группировки, причем соотношение алифатических протонов и ароматических протонов колеблется в интервале 60:1-10:1. Полученное модифицированное дизельное топливо имеет температуру предельной фильтруемости минус 42°C и температуру застывания минус 52°C [10 - RU Патент №2174146, C10L 1/08, 1/18 2001 г.].
Известно зимнее дизельное топливо, полученное путем выделения из сернистых нефтей легкой прямогонной дизельной фракции (180-290°C), которую подвергают каталитической гидроочистке, и тяжелой прямогонной дизельной фракции (290-407°C), которую подвергают каталитической гидроочистке и каталитической депарафинизации. При этом прямогонную фракцию легкого дизельного топлива выделяют с температурой помутнения, находящейся в интервале температур от минус 17°C до минус 27°C, а прямогонную фракцию тяжелого дизельного топлива выделяют с 95%-ной точкой выкипания фракционного состава (до 340°C) и производят их смешение. Процесс каталитической депарафинизации фракции тяжелого дизельного топлива ведут до получения необходимых значений температуры помутнения данной фракции, которая при смешении с легкой дизельной фракцией обеспечивает получение нормативного значения температуры помутнения (минус 22°C) товарного зимнего дизельного топлива. В полученное базовое топливо с температурой помутнения минус 22°C вводят депрессорно-диспергирующую присадку и получают товарное зимнее дизельное топливо. Количество вовлекаемой депрессорно-диспергирующей присадки до 800 мг/кг обеспечивает предельную температуру фильтруемости не выше минус 32°C [11 - RU Патент №2535492, C10G 65/14, 2014 г.].
Известна композиция арктического дизельного топлива, состоящая из керосиновой фракции, из которой выделен керосиновый дистиллят - фракция 180-220°C, 96% которой перегоняется от 180°C, и легкого атмосферного газойля, из которого выделяют фракцию, 96% которой перегоняется до 280°C. Полученную керосиновую фракцию компаундируют с легким атмосферным газойлем в соотношении 2:3 и вводят депрессорную присадку Difron 315. Полученное арктическое дизельное топливо имеет температуру застывания - минус 53°C, предельную температуры фильтруемости - минус 39°C, но не имеет требуемых значений температур помутнения, предельной фильтруемости и застывания. [12 - RU Патент №2575256, C10L 1/10, 2016 г.].
1
Рассмотренные выше дизельные топлива с низкотемпературными свойствами не могут применяться в быстроходных дизелях, так как содержат депрессорно-диспергирующие присадки, что запрещено ГОСТ РВ 9130-002-2011 [13 - ГОСТ РВ 9130-002-2011. Топливо дизельное. Технические условия], и ни одно из них не имеет требуемых значений температур помутнения и предельной фильтруемости, обеспечивающих надежное применение таких топлив в климатическом районе I.
Известно дизельное топливо, содержащее низкозастывающие термостабильные углеводородные фракции, выкипающие в диапазоне 150-270°C, 195-270°C и 230°C-КК. В качестве исходного сырья используют смесь вакуумного дистиллята (280-430°C) и газойля каталитического крекинга, имеющую высокое содержание ароматических углеводородов (50-80%), в процессе гидрогенолиза преобразующихся в нафтеновые углеводороды. Из каждого вида гидрогенизата разгонкой выделяют топливные фракции, выкипающие в диапазоне 150-270°C, 195-270°C и 230°C-КК. В фракцию, выкипающую в пределах 195-270°C, вводят антиокислительную присадку, фракцию 270°C-КК подвергают гидродепарафинизации в среде водородсодержащего газа. Фракция, выкипающая в пределах 150-270°C, характеризуется температурой начала кристаллизации минус 61°C, а фракция 195-270°C - минус 60°C, температура текучести фракции 230°C-КК составляет от минус 49°C до минус 52°C. [13 - RU Патент №2561918, C10G 49/04, C10G 65/02, 2015 г.].
Дизельное топливо, полученное на основе этого изобретения, характеризуется высоким содержанием нафтеновых углеводородов, которые нестабильны к действию кислорода, что приведет к быстрому окислению дизельного топлива при хранении.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению и взятым за прототип является дизельное топливо, которое предназначено для использования в быстроходных дизелях в условиях Крайнего Севера и Арктической зоны. Дизельное топливо содержит смесь гидроочищенных нефтяных фракций, выкипающих в интервалах 170-250°C и 180-190°C, полученных раздельно и взятых в соотношении 49:50-50:51% об. [14 - RU Патент №2552113, C10L 1/04, 1/08, 2015 г. (прототип)].
Дизельное топливо - прототип, имеет температуры предельной фильтруемости и застывания, минус 69°C и минус 70°C, соответственно, однако получение узкой дизельной фракции, выкипающей в пределах перегонки 180-190°C, требует высокой точности контроля за технологическим процессом, а малейшее отклонение приводит к ухудшению низкотемпературных характеристик конечного продукта.
Технический результат изобретения - повышение эффективности применения арктического дизельного топлива за счет улучшения низкотемпературных характеристик с одновременным расширением номенклатурного перечня составов дизельных топлив для районов Крайнего Севера.
Указанный технический результат достигается тем, что арктическое дизельное топливо на основе среднедистиллятных нефтяных фракций, содержащее базовой компонент и противоизносную присадку в количестве до 0,04 масс. %, согласно изобретению в качестве базового компонента содержит смесь гидроочищенной депарафинизированной дизельной фракции, выкипающей в пределах 200-310°C, гидрокрекинговой керосиновой фракции, выкипающей в пределах 140-240°C, или гидроочищенной керосиновой фракции, выкипающей в пределах 140-230°C, и гидрокрекинговой керосиновой фракции, выкипающей в пределах 180-250°C, или гидроочищенной керосиновой фракции, выкипающей в пределах 130-220°C, взятых в соотношении 39:41-29:31-29:31% об.
Техническая сущность изобретения заключается в использовании в композиции арктического дизельного топлива фракций, полученных отдельно: гидроочищенной депарафинизированной дизельной фракции, выкипающей в пределах 200-310°C, гидрокрекинговой керосиновой фракции, выкипающей в пределах 140-240°C, или гидроочищенной керосиновой фракции, выкипающей в пределах 140-230°C, гидрокрекинговой керосиновой фракции, выкипающей в пределах 180-250°C, или гидроочищенной керосиновой фракции, выкипающей в пределах 130-220°C, взятых в экспериментально полученных соотношениях 39:41-29:31-29:31%) об., что позволило исключить применения в данной композиции промоторов воспламенения.
Используемые в арктическом дизельном топливе фракции прошли испытания с целью определения физико-химических показателей, результаты которых представлены в таблице 1. Испытания проводились в соответствии с требованиями СТО 08151164-0157-2014 «Топливо дизельное для Арктической зоны» (см. стр. 3).
Приведенные в таблице 1 результаты испытаний свидетельствуют, что данные фракции могут быть использованы в композиции арктического дизельного топлива, т.к. по некоторым значениям физико-химических показателей удовлетворяют требованиям СТО 08151164-0157-2014.
Так, гидроочищенная депарафинизированная дизельная фракция (см. ст 2 табл. 1) не обладает необходимыми значениями температуры помутнения и температуры застывания (см. с. 3), но имеет высокое цетановое число, а также удовлетворяет требованиям по таким показателям, как температура вспышки в закрытом тигле, плотности при 15°C и кинематической вязкости при 20°C.
Фракция (см. ст. 3 табл. 1) не соответствует требованиям СТО 08151164-0157-2014 по таким показателям, как цетановое число и плотность при 15°C, но имеет температуру помутнения минус 65°C и предельную температуру фильтруемости минус 75°C.
Фракция (см. ст. 4 табл. 1) имеет цетановое число, соответствующее требованиям для арктического дизельного топлива первого сорта, по остальным показателям качества также соответствует требованиям СТО 08151164-0157-2014, кроме значения показателя температуры помутнения.
Фракция (см. ст. 5 табл. 1) имеет цетановое число, соответствующее требованиям для арктического дизельного топлива первого сорта, по остальным показателям качества также соответствует требованиям СТО 08151164-0157-2014, кроме значения показателя температуры помутнения.
Фракция (см. ст. 6 табл. 1) имеет температуру помутнения минус 70°C и предельную температуру фильтруемости минус 74°C, а по остальным значениям показателей качества не удовлетворяет требования СТО 08151164-0157-2014.
Для обоснования соотношения содержания фракций в композиции арктического дизельного топлива были приготовлены образцы, представленные в табл. 2 (высший сорт) и табл. 3 (первый сорт).
Приготовленные образцы (табл. 2 и табл. 3) прошли испытания по показателям СТО 08151164-0157-2014 (см. стр. 3), результаты которых приведены в табл. 4 для высшего сорта и табл. 5. для первого сорта.
Данные, приведенные в таблице 4, показывают, что образцы №4-№8, имеют не только лучшие низкотемпературные свойства, обеспечивающие надежную эксплуатации дизельных двигателей в арктических условиях и районах Крайнего Севера при температурах окружающего воздуха минус 65 ÷ минус 70°C, но и удовлетворяют требования к значению цетанового числа для арктического дизельного топлива высшего сорта.
Увеличение в составе смеси гидроочищенной депарафинизированной дизельной фракции, выкипающей в пределах 200-310°C (обр. №9-№10), приводит к ухудшению низкотемпературных характеристик.
Вовлечение в смесь более 31% об. гидрокрекинговой керосиновой фракции, выкипающей в пределах 140-240°C, и более 31% об. гидрокрекинговой керосиновой фракции, выкипающей в пределах 180-250°C (обр. №1-№3), приводит к снижению цетанового числа.
Следовательно, только заявленные соотношения композиции позволяют получить арктическое дизельное топливо высшего сорта.
Результаты испытаний образцов для арктического дизельного топлива первого сорта представлены в таблице 5.
Данные, приведенные в таблице 5, показывают, что обр. №15-№19, имеют не только лучшие низкотемпературные свойства, обеспечивающие надежную эксплуатации дизельных двигателей в арктических условиях и районах Крайнего Севера при температурах окружающего воздуха минус 65 ÷ минус 70°C, но и удовлетворяют требования к значению цетанового числа для арктического дизельного топлива первого сорта.
Увеличение в составе композиции гидроочищенной депарафинизированной дизельной фракции, выкипающей в пределах 200-310°C (обр. №20-№22) приводит к ухудшению низкотемпературных характеристик.
Вовлечение более 31% об. гидроочищенной керосиновой фракции, выкипающей в пределах 140-230°C, и более 31% об. гидроочищенной керосиновой фракции, выкипающей в пределах 130-220°C (обр. №12-№14), приводит к снижению цетанового числа.
Таким образом, композиция арктического дизельного топлива, состоящая из гидроочищенной депарафинизированной дизельной фракции, выкипающей в пределах 200-310°C, гидрокрекинговой керосиновой фракции, выкипающей в пределах 140-240°C, или гидроочищенной керосиновой фракции, выкипающей в пределах 140-230°C, и гидрокрекинговой керосиновой фракции, выкипающей в пределах 180-250°C, или гидроочищенной керосиновой фракции, выкипающей в пределах 130-220°C, взятых в соотношении 39:41-29:31-29:31% об., обладает показателями низкотемпературных свойств и значением цетанового числа, удовлетворяющим требованиям СТО 08151164-0157-2014 (см. стр. 3) без снижения требований по другим физико-химическим и эксплуатационным свойствам.
По образцам №6 (табл. 2) и №17 (табл. 3) (оптимальные варианты) были приготовлены опытные партии арктического дизельного топлива, содержащие 0.04% масс. противоизносной присадки «HiTEC 4140А», которые прошли лабораторные и стендовые испытания на соответствие требованиям СТО 08151164-0157-2014 «Нефтепродукты. Топлива дизельные. Топливо дизельное для Арктической зоны». Результаты представлены в табл. 6 и табл. 7.
1
Как видно из результатов испытаний, приведенных в табл. 6 и табл. 7, арктическое дизельное топливо полностью удовлетворяет требованиям к дизельному топливу для холодного и арктического климата I.
Таким образом, предлагаемая композиция может применяться в арктических условиях и районах Крайнего Севера при температурах окружающего воздуха до минус 65°C для эксплуатации быстроходных дизельных двигателей наземной техники согласно СТО 08151164-0157-2014 для высшего и первого сортов.
Предлагаемое арктическое дизельное топливо также позволяет обеспечить бесперебойный холодный запуск и тем самым еще больше повысить надежную эксплуатацию техники в районах Крайнего Севера.
Применение изобретения обеспечит надежную эксплуатацию техники двойного назначения в этих районах.