СПОСОБ ОБРАБОТКИ ДЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ В ЖИДКИХ СМЕСЯХ ЗАМЕЩЕННЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В КАЧЕСТВЕ ТОПЛИВА
TREATMENT METHOD TO REDUCE THE AMOUNT OF CONTAMINANTS IN LIQUID MIXTURES OF SUBSTITUTED HYDROCARBONS USED AS FUEL

[0001] Способ очистки углеводородов, применяемых в качестве топлива
Область техники
[0002] Гетерогенный катализ углеводородов, очистка (рафинация).
Уровень техники
[0003] Жидкие углеводороды, применяемые в качестве топлива, такие как бензин, газойль или дизельное топливо, авиационное топливо или керосин, являются токсичными и легковоспламеняющимися веществами. Пары, образующиеся при их испарении, и вещества, образующиеся при их сгорании, например, такие как монооксид углерода, оксиды азота или негорючие углеводороды и т.д., вносят свой вклад в загрязнение воздуха. Кроме того, при сжигании указанных видов топлива образуется диоксид углерода, парниковый газ, непосредственно приводящий к глобальному изменению климата.
[0004] Что касается загрязнения окружающей среды, то правительствами приняты законы, направленные на снижение выбросов загрязняющих веществ из углеводородов, применяемых в качестве топлива. В настоящее время существует потребность в более эффективных способах очистки. Хорошо известны способы десульфурации углеводородных фракций, содержащих органические соединения серы в виде примеси.
[0005] Известен ряд альтернативных способов очистки бензина и дизельного топлива, таких как способы прямой абсорбции (US 4830733 A, NAGT et al., 1989), способы биообработки (US 5910440 A, GROSSMAN et al., 1999), способы избирательного окисления (US 3341448 A, FORD et al., 1967) и способы цеолитного катализа (MAXWELL, I.Е.; STORK, W.Н.J. Hydrocarbon processing with zeolites. - Studies in Surface Science and Catalysis, 2001, vol. 137, pp.747-819).
[0006] Однако, все известные способы имеют свои недостатки. Например, многие из них позволяют проводить только десульфурацию углеводородов, но с их помощью невозможно снижать количество бензолов и вредных ароматических соединений. Кроме того, на практике они требуют больших затрат, что препятствует их постоянному применению. [0007] Но если очистка известным способом все же удаляет некоторые загрязняющие компоненты, то топливо утрачивает эффективность, поскольку подобные компоненты способствуют его сгоранию.
[0008] Поэтому необходим способ каталитической очистки, который удаляет загрязняющие вещества и обеспечивает преимущества при низких затратах.
Краткое описание изобретения
[0009] Согласно настоящему изобретению предложен способ каталитической очистки жидких углеводородов, применяемых в качестве топлива, в котором удаляют серу, ароматические соединения, бензолы, ксилолы, толуолы и другие соединения, и окисляют доступные октаны, чтобы они поддерживали горение в процессе сжигания углеводородов, обеспечивая более полное сгорание и более высокую энергетическую эффективность при промышленном применении в качестве топлива.
[0010] Раскрытый способ пригоден для очистки смешанных видов топлива на конечной стадии очистки углеводородов, т.е. таких видов топлива, которые при современном уровне техники будут применяться в качестве конечных продуктов, предназначенных для продажи потребителям.
[0011] Раскрытый способ включает смешивание мелких частиц твердого оксида двухвалентного железа с водяным паром до получения гетерогенной смеси. Далее гетерогенную смесь заливают в сосуд с замещенными углеводородами, применяемыми в качестве топлива, и перемешивают в течение нескольких минут.
[0012] В результате получают топливо с более низким содержанием углеводородов. В бензине содержание циклических углеводородов ниже, а в дизельном и ракетном топливе снижается содержание линейных углеводородов.
[0013] На момент подачи настоящей заявки не было полной ясности, как протекает химическая реакция. Некоторые исследования (HAMADA, Hideaki, et al. Role of supported metals in the selective reduction of nitrogen monoxide with hydrocarbons over metal/alumina catalysts. - Catalysis today, 1996, vol. 29, no 1, pp. 53-57) показывают, что частицы оксида двухвалентного железа катализируют окисление пропена молекулярным кислородом.
[0014] Следовательно, образуется эмульсия, бесспорно обладающая способностью очищать углеводороды, как следует из экспериментальных данных, представленных на фигурах в настоящем техническом документе.
Техническая задача
[0015] Углеводороды, коммерчески применяемые в качестве топлива, содержат в высокой концентрации серу, ароматические соединения, бензолы, ксилолы, толуолы и другие соединения. Сжигание этих видов топлива в двигателях внутреннего сгорания происходит недостаточно эффективно, чтобы обеспечить полное их сгорание, поэтому они попадают в атмосферу.
Решение задачи
[0016] Способ обработки, снижающий содержание загрязняющих веществ в жидких замещенных углеводородах, применяемых в качестве топлива, который включает смешивание гетерогенной смеси оксида двухвалентного железа в воде с топливом, перемешивание или непрерывное смешивание с раствора, отстаивание смеси, и удаление водного раствора оксида двухвалентного железа и воды декантацией.
Преимущества, обеспечиваемые изобретением
[0017] Топливо, полученное в результате применения предложенного способа, имеет более низкое содержание загрязняющих соединений серы, ароматических соединений, бензолов, ксилолов, толуолов и другие соединений. Кроме того, указанный способ увеличивает полноту сгорания топлива, так как во время протекания химической реакции углеводороды получают дополнительные атомы кислорода, которые поддерживают горение.
Краткое описание чертежей
[0018] Раскрытые варианты осуществления изобретения и их преимущества могут быть лучше поняты из последующего описания, приводимого со ссылкой на прилагаемые чертежи. Указанные чертежи никоим образом не ограничивают преимущественные эффекты физико-химического взаимодействия предлагаемого соединения в качестве катализатора или очистителя, которые будут понятны специалисту в данной области, не отступая от сущности и объема раскрытых вариантов осуществления. На всех чертежах показаны хроматограммы, полученные в результате анализа вышеуказанного углеводорода с использованием газовой хроматографии с пламенно-ионизационным детектором (ГХ-ПИД) и масс-спектрометра MS Perkin Eimer Clarus 580 MS Clarus SQ 85 с колонкой Perkin Eimer Elite 5 MS 30 м × 0,32 мм, DI 0,25 мкм и дихлорметаном марки ЖХВД в качестве контрольного растворителя, при температуре инжектора 250°С и температуре колонки 50°С/12 мин, 6°С/1 мин и 120°С/10 мин, объеме впрыска 41 и подвижной гелиевой фазе 0-8 мл/мин. Эти условия МС выполняли при энергии ионизации 70 эВ, температуре переноса 180°С и температуре источника ионизации 200°С.
[0019] На Фиг. 1 приведена хроматограмма, отражающая результаты ГХ-ПИД анализа коммерчески доступного образца дизельного топлива, на которой по оси X отложено время в минутах, а по оси Y - напряжение в милливольтах.
[0020] На фиг. 2 приведена хроматограмма, отражающая результаты ГХ-ПИД анализа того же самого коммерчески доступного образца дизельного топлива после обработки предложенным соединением и предложенным способом, на которой по оси X отложено время в минутах, а по оси Y - напряжение в милливольтах, и которая подтверждает восстановление углеводородов.
[0021] На фиг. 3 приведена хроматограмма, отражающая результаты ГХ-ПИД анализа коммерчески доступного образца бензина, на которой по оси X отложено время в минутах, а по оси Y - напряжение в вольтах.
[0022] На фиг. 4 приведена хроматограмма, отражающая результаты ГХ-ПИД анализа того же самого коммерчески доступного образца бензина после обработки предложенным соединением и предложенным способом, на которой по оси X отложено время в минутах, а по оси Y - напряжение в вольтах, и которая подтверждает восстановление углеводородов.
[0023] На фиг. 5 приведена хроматограмма, отражающая результаты ГХ-ПИД анализа коммерчески доступного образца авиационного топлива, на которой по оси X отложено время в минутах, а по оси Y - напряжение в милливольтах.
[0024] На фиг. 6 приведена хроматограмма, отражающая результаты ГХ-ПИД анализа того же самого коммерчески доступного образца авиационного топлива после обработки предложенным соединением и предложенным способом, на которой по оси X отложено время в минутах, а по оси Y - напряжение в милливольтах, и которая подтверждает восстановление углеводорода.
Описание вариантов осуществления изобретения
[0025] Существует явная потребность в способе, который позволяет уменьшить содержание загрязняющих веществ в жидких замещенных углеводородных смесях, применяемых в качестве топлива. В предшествующем уровне техники описан ряд стадий рафинирования (очистки), применяемых при превращении нефти в пригодные для промышленности виды топлива. Тем не менее, указанные виды топлива все еще содержат соединения серы, ароматические соединения, бензолы, ксилолы, толуолы и другие соединения, которые не сгорают при использовании должным образом, и поэтому необходим улучшенный способ очистки для снижения загрязняющего эффекта, связанного с сжиганием топлива.
[0026] Для улучшения очистки используют пересыщенный раствор оксида двухвалентного железа в воде. Процесс получения пересыщенного раствора оксида двухвалентного железа описан в публикации (MARTIN, Scot Т. Precipitation and dissolution of iron and manganese oxides.- Environmental Catalysis, 2005, pp. 61-81.). Указанный пересыщенный раствор служит катализатором для очистки топлива.
[0027] Пересыщенный раствор оксида железа смешивают с топливом. Хорошо известно, что пересыщенный раствор оксида железа может быть использован в соотношении 70% раствора на 30% топлива. Однако в предпочтительном варианте осуществления брали 10% раствора на 90% топлива, то есть 100 литров пересыщенного раствора оксида двухвалентного железа на каждые 1000 литров подвергаемого очистке топлива.
[0028] Пересыщенный раствор нужно подвергать смешиванию при неизменном соотношении жидкостей либо путем периодического перемешивания в сосуде, либо путем рециркуляции жидкостей, либо путем свободной конвекции. В предпочтительном варианте осуществления 1 литр этой смеси нужно перемешивать любым из указанных методов в течение, по меньшей мере, одной минуты.
[0029] В процессе перемешивания происходит восстановление углеводородов в подвергаемом очистке топливе. На фиг. 1 показана хроматограмма коммерчески доступного образца дизельного топлива. Первый пик относится к дихлорметану, используемому в качестве контрольного растворителя. На фиг. 2 показана хроматограмма того же самого коммерчески доступного дизельного топлива после обработки предлагаемым способом. Как можно судить по периоду удерживания на фиг. 2, количество линейных углеводородов уменьшилось, что свидетельствует об очищающей способности указанного способа.
[0030] На фиг. 3 показана хроматограмма коммерчески доступного образца бензина. Первый пик относится к дихлорметану, используемому в качестве контрольного растворителя. На фиг. 4 показана хроматограмма того же самого коммерчески доступного образца бензина после обработки заявленным способом. Как можно видеть, количество циклических углеводородов тоже уменьшилось.
[0031] На фиг. 5 показаны результаты анализа коммерчески доступного авиационного топлива, а на фиг. 6 показаны результаты анализа того же авиационного топлива после обработки заявленным способом. Полученные результаты аналогичны тем, что получены для дизельного топлива и бензина.
Пригодность для промышленного применения
[0032] Настоящий способ пригоден для любой отрасли промышленности, в которой применяют топливо и в которой существует задача снижения негативного воздействия побочных продуктов сгорания и повышение эффективности применения топлива.
Патентные документы
[0033] US 4830733 A, NAGT et al., 1989
[0034] US 5910440 A, GROSSMAN et al., 1999
[0035] US 3341448 A, FORD et al., 1967
Непатентная литература
[0036] MAXWELL, I. E.; STORK, W. H. J. Hydrocarbon processing with zeolites.- Studies in Surface Science and Catalysis, 2001, vol. 137, pp. 747-819.
[0037] HAMADA, Hideaki, et al. Role of supported metals in the selective reduction of nitrogen monoxide with hydrocarbons over metal/alumina catalysts. - Catalysis today, 1996, vol. 29, no 1, pp. 53-57.
[0038] MARTIN, Scot T. Precipitation and dissolution of iron and manganese oxides. - Environmental Catalysis, 2005, pp. 61-81.