Диссертация (1172993), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Такое поведениеДНП может быть критичным, в результате чего топливо может не соответствоватьпредъявляемым к нему требованиям по испаряемости. При этом возникновениепика при 5-10 % этанола (Е5-Е10) накладывает ограничения на сами углеводороды,не позволяя вовлекать более лёгкие фракции, например, бутаны, которые могутнаходится в избытке на НПЗ, и, как видно из рисунков 17-18, у Е30 такой проблемынет.В работе [65] проведены исследования по влиянию состава бензина наконечное ДНП при добавлении 5 % об. этанола (рисунок 20).Представленные данные показывают, что можно ожидать увеличениядавления на 6-8 кПа при добавлении 5 % спирта в бензины с более высокимсодержанием насыщенных углеводородов.Рисунок 20 – Влияние состава бензина на изменение ДНП при добавлении5 % об.
этанолаВ литературе [59, 64, 67-71] описано множество эмпирических иматематических моделей расчёта ДНП бензино-этанольных смесей, которыеоснованы на законах Рауля, уравнениях Вильсона, учитывающих коэффициентыактивности или количество выкипающего топлива при различных температурах.32Однако предлагаемые модели сложны в расчётах и в основном применимы кидеальным бинарным смесям типа углеводород-спирт, что не отражает полностьюсистему бензин-спирт, состоящую из различных углеводородов.Агентство по охране окружающей среды Калифорнии разработало своюпростую модель расчёта давления насыщенных паров смесевых бензинов ссодержанием этанола не более 10 % об.
[72] на основе ДНП исходной базы длясмешения (1), которая не применима для прогнозирования ДНП топлив с болеевысоким содержанием спирта:ДНПбензина = 1,446+0,961ДНПбазы(1)Поэтому актуальным является разработка простой эмпирической модели,которая смогла бы описать и предугадать поведение этанольного топлива Е30 сцелью соответствия нормативной документации.Влияние этанола на фракционный состав топлива, как и в случае с ДНП,носит нелинейный характер. Фракционный состав для автомобильных бензиновнормируется по температурам начала и конца кипения, объёмам остатка в колбе, атакже по температурам выкипания 10, 50 и 90 % объёма бензина или по объёмуиспарившегося бензина при 70, 100 и 150 оС (И70, И100 и И150).В исследованиях [46, 73-75] проводились изучения фракционного составасмесей товарных бензинов (с различными значениями температуры перегонки,начала и конца кипения) с этанолом в концентрации от 0 до 30 %.На рисунке 21 а-г представлены обобщённые результаты исследований.
Каквидно, добавление этанола в особенности влияет на температуры выкипания 50-90% отгонов, а также на долю фракций, выкипающих при 70 и 100 оС. Объяснениехарактера влияния этилового спирта на фракционный состав топлива, как и дляДНП, заключается в межмолекулярном взаимодействии углеводородов и спирта. Врезультате образования азеотропных смесей этанола с углеводородами бензина(таблица 5). В результате образования азеотропных смесей этилового спирта суглеводородами бензина, которые отображены в таблице 5, и выкипающими притемпературах 60-80 оС, на кривой перегонки биоэтанольных топлив отмечаетсяпрактически плоский участок, длина которого увеличивается с повышением доли33этиловогоспиртавтопливе.Вслучаенедостаточнойиспаряемостиуглеводородной фракции (при низкой доле фракций, выкипающих до 70 и 100 оС)применение этанола будет приводить к увеличению количества низкокипящихфракций и позволит топливу соответствовать требованиям по показателямфракционного состава.
Напротив, при высокой испаряемости углеводороднойфракции добавление этанола может не привести к соответствию установленнымнормам.Помимо изменения доли фракций, выкипающих при 70 и 100 оС, применениеэтанола приводит к существенному снижению температуры конца кипения топлива(по данным [46] до 12 оС при 30 % спирта).
В связи с этим возникает возможностьвовлечения в состав биоэтанольного топлива, например, более тяжёлых продуктов.Таблица 5 – Азеотропные смеси этанола и углеводородов [54, 76]ИндивидуальныйуглеводородТкип.инд.ув,оСН-пентанЦиклопентан2,3-Диметилбутан2-метилпентанН-гексанМетилциклопентанБензол2,4-ДиметилпентанЦиклогексан3.3-ДиметилпентанДиметилциклопентан2-Метилгексан3-Метилгексан3-ЭтилпентанН-гептан2,2,4-Триметилпентан(Изооктан)Метилциклогексан2,5-ДиметилгексанТолуол1,3-ДиметилциклогексанН-октанЭтилбензол36,1549,4058,0060,3068,8572,0080,2080,5080,7586,0787,8590,0591,8593,4798,5099,30ЭтанолТкип = 78,4 оСТкип.
азеотропа, оС (содержание спирта, % мас.)34,3 (5,0)44,7 (7,5)51,5 (12,0)53,1(12,0 % об)58,0 (21,0)60,1 (22,7-25,0)67,9 (31,7-45,0)64,6 (29,0 % об.)65,1 (30,0)67,1 (38,0 % об.)68,0 (37,0 % об.)68,7 (36,0 % об.)69,3 (36,0 % об.)70,0 (38,0 % об.)71,0 (48,0)72,4 (53,0)101,10109,40110,75120,70125,40136,1572,0 (48,0-53,0)73,6(59,0 % об.)76,7 (68,0)75,8 (70,0 % об.)77,0 (78,0)нет данныхТемпература, оС3420018016014012010080604020% об. отогона01020 30 40Е0Е1050 60Е2070 80Е30901000102030405060708090 10001020304050607080180Температура, оС160140120100806040Температура, оС202402202001801601401201008060402090 100Температура, оС3524022020018016014012010080604020% об. отгона0102030Е040 50 60Е10Е2070 80Е3090100Рисунок 21 – Фракционный состав смесей бензина с этанолом: а – (Т50= 61,5 оС);б – (Т50= 79,9 оС); в – (Т50 = 100,8 оС); г – (Т50 = 115,8 оС)Таким образом использование этанола в средних концентрациях позволиткорректировать испаряемость топлив, вовлекая как более лёгкие, так и болеетяжёлые углеводородные фракции, и, поэтому, важным является определениевлиянияэтиловогоспиртанаизменениепоказателейиспаряемостинизкооктановых углеводородных фракций.1.2.3 Фазовая стабильностьИспользование этанола в составе автомобильных бензинов сопровождаетсяпроблемами с их фазовой стабильностью [55].
При хранении, транспортировании,заправке автомобилей и прочих операциях попадание воды в топливо приводит квымыванию из него спирта и его переходу в нижний водно-спиртовой слой, чтосопровождаетсяизменениемфизико-химическихиэксплуатационныххарактеристик топлива, и, что сказывается на снижении его октанового числа. Поэтой причине, например, при использовании этанола в качестве бензиновогокомпонента, обязательным параметром, требующим контроля, является фазоваястабильность бензинов, которую оценивают по температуре помутнения по ГОСТ5066 [77].
Этот показатель особенно важен в российских климатических условиях.С увеличением содержания этилового спирта и уменьшением содержания воды в36топливе снижается его температура помутнения и, значит, фазовая стабильностьтоплива повышается согласно рисунку 22. Также в более низкоэтанольных смесяхс течением времени накапливается такое количество воды, которое являетсякритичным, и топливо расслаивается, что для бензинов с более высокимсодержанием спирта не приведёт к такой проблеме (рисунок 23).Рисунок 22 – Зависимость температуры помутнения этанольного топлива отсодержания в нём воды [55]Кривая 1 – 5 % этанола; 2 – 8 % этанола; 3 – 10 % этанола; 4 – 11,4 % этанола1.0% мас.
воды0.80.60.40.20.001Е0234неделяЕ10Е1556Е25Рисунок 23 – Изменение содержания воды в этанольных топливах со временем[78]37Кроме того, известно, что наличие ароматических углеводородов оказываетстабилизирующее действие на этанольные топлива [55] (рисунок 24).Рисунок 24 – Зависимость температуры помутнения этанольного топлива отсодержания в нём воды (W) и ароматических углеводородов (Ar) [55]Таким образом, использование этанола в средних концентрациях позволитделать больше допусков по наличию воды в топливе, не приводя к потере еговажных эксплуатационных свойств, поэтому, важным является определениекритического содержания воды в среднеэтанольных топливах на основенизкооктановой углеводородной базы, обладающей тем или иным групповымуглеводородным составом, при котором обеспечиваются требования к фазовойстабильности биоэтанольного топлива.1.2.4 Экологические и экономические характеристикиЭкологические свойства биоэтанольного топлива, как и автомобильногобензина, должны обеспечивать минимально возможный уровень выбросовтоксичных веществ, как при сгорании топлива, так и при его испарении.Максимальное содержание отдельных токсичных соединений в отработавшихгазах (ОГ): монооксида углерода (CO), оксидов азота (NOx), несгоревшихуглеводородов (СН) и твёрдых частиц (PM) устанавливается стандартами Евро,значения которых представлены в таблице 6.
В России действуют требования38технического регламента Таможенного союза ТР ТС 018/2011 [79], которыегармонизированы с Европейскими.Таблица 6 – Требования европейских экологических стандартовПредельно-допустимое содержаниетоксичных веществ в ОГ, г/кмНормытоксичностиCOСНNОхPMЕвро 32,30,200,15-Евро 41,00,100,08-Евро 51,00,100,0600,005*Евро 61,00,100,0600,005*Примечание – Только для автомобилей с двигателем с прямым впрыском топлива в цилиндры.Низкое содержание нормируемых токсичных веществ в отработавших газахвсовременныхавтомобиляхобеспечиваетсяработойкаталитическихнейтрализаторов, в которых происходит окисление CO до CO2 и несгоревшихуглеводородов до CO2 и H2O, а также восстановление NOx до азота N2 [80].Для нормальной работы нейтрализаторов в течение установленного временитребуетсяприменениетопливасоответствующегоэкологическогокласса.Негативное влияние на работу нейтрализатора (снижение его активности)оказывают сернистые и металлорганические соединения, которые могутсодержаться в топливе.
Поэтому в автомобильном бензине ограничиваетсясодержание серы, а также запрещается применение металлосодержащих присадок.Кроме того, к экологическим показателям бензина относятся: содержаниеолефиновых и ароматических углеводородов, в том числе бензола.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
