Перспективы производства высокооктановых добавок к топливу

Размещено на http://www.allbest.ru/

Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова

Перспективы производства высокооктановых добавок к топливу

Левченко В. С. магистрант

Кенбеилова С.Ж., доктор PhD, ассоциированный профессор

Павлодар

Октановое число является показателем, характеризующим детонационную стойкость топлива (способность топлива противостоять самовоспламенению при сжатии) для двигателей внутреннего сгорания. Как таковое, октановое число определяется содержанием (в процентах по объёму) изооктана (2,2,4-триметилпентана) в его смеси с н-гептаном, при котором эта смесь эквивалентна по детонационной стойкости исследуемому топливу в стандартных условиях испытаний. Изооктан трудно окисляется даже при высоких степенях сжатия, и его детонационная стойкость условно принята за 100 единиц. Сгорание в двигателе н-гептана даже при невысоких степенях сжатия сопровождается детонацией, поэтому его детонационная стойкость принята за ноль. При сжатии рабочей смеси температура, и давление ее повышаются, и начинается окисление углеводородов, которое интенсифицируется после воспламенения смеси. Если углеводороды несгоревшей части топлива обладают недостаточной стойкостью к окислению, начинается интенсивное накапливание пероксидных соединений, а затем их взрывной распад. При высокой концентрации пероксидных соединений происходит тепловой взрыв, который вызывает самовоспламенение топлива.

Самовоспламенение части рабочей смеси перед фронтом пламени приводит к взрывному горению оставшейся части топлива - к так называемому «детонационному сгоранию», «детонации». Детонация вызывает перегрев, повышенный износ, или даже местные разрушения двигателя, и сопровождается резким характерным звуком, падением мощности, увеличением дымности выхлопа [1, 32 с.].

Существуют присадки для повышения октанового числа, которые являются одними из наиболее массово используемых присадок. Их действие преимущественно направлено на полное сжигание топлива с нетоксичным выхлопом за счет повышения октанового числа. Под действием антидетонаторов пероксиды разрушаются еще до образования скоплений, таким образом, предотвращается взрывное горение топлива в цилиндрах и обеспечивается нормальное протекание процесса сгорания бензина.

Существуют следующие виды (по действующему веществу) антидетонационных присадок:

- антидетонаторы на базе соединений свинца (в настоящее время не вырабатываются);

- антидетонаторы на базе ароматических аминов (монометиланилин (ММА, NMA)); топливо октановый антидетонационный

- антидетонаторы на базе соединения ферроцена (содержит железо, а потому на свечах появляется токопроводящий и чрезвычайно трудноудаляемый налет. Последний снижает качество и уменьшает срок эксплуатации свечей);

- антидетонаторы на базе соединения марганца (запрещены из экологических соображений);

- антидетонаторы на базе соединений щелочных металлов;

- оксигенаты (кислородсодержащие добавки);

- смесевые композиции.

Кислородосодержащие добавки обладают рядом преимуществ перед остальными антидетонаторами: возможностью получения из возобновляемых источников сырья, низкой токсичностью, как самих продуктов сгорания, так и топлив, высокими антидетонационными свойствами. Бензины с оксигенатами характеризуются улучшенными моющими свойствами и характеристиками горения.

Наиболее широкое распространение в мире получили несколько видов оксигенатов, добавляемых в автомобильное топливо для увеличения его октанового показателя. Это такие добавки как метил-трет-бутиловый эфир, этил-трет-бутиловый эфир, изопропиловый спирт, метанол и этанол. Их физико-химические свойства приведены в таблице 1 [2, 6 с.].

Таблица 1 - Физико-химические свойства оксигенатов

Основной высокооктановой добавкой к топливу до некоторого времени был метил-трет-бутиловый эфир (МТБЭ), но как показывают исследование, он очень опасен, содержит повышенное содержание вредных веществ таких как окислы азота, оксиды серы, формальдегид и углекислый газ [2, 4 с.].

В некоторых крупных странах, таких как США ему нашли достойную замену, а в странах Европы от него отказались. Однако МТБЭ по темпам прироста производства является лидером среди октаноповышающих добавок на нефтеперерабатывающих заводах Российской Федерации, а так же Казахстана.

В отличие от широко применяемого МТБЭ, привлекательность этил-трет-бутилового эфира (ЭТБЭ) обусловлена тем, что данный эфир обладает более высоким октановым числом 109-113, чем МТБЭ 106-110. Для изготовления ЭТБЭ используется этиловый спирт, который получается из возобновляемого растительного сырья. ЭТБЭ является оксигенирующей добавкой к моторным бензинам. При его добавлении возможно получение бензинов с пониженной летучестью и гигроскопичностью, а это, учитывая тенденции на рынке моторных топлив, является особенно ценным качеством. Кроме того, при добавлении в бензин ЭТБЭ в количестве до 15 % об., содержание вредных выбросов в атмосферу снижается на 20 %. Поэтому не вызывают удивления быстрые темпы роста производства ЭТБЭ в мире [2, 36 с.].

Экологические исследования показали, что МТБЭ сильнодействующее ядовитое вещество. Он быстро испаряется из открытых контейнеров и хорошо растворяется в воде. Попадая, в грунтовые воды при авариях или разливах бензина МТБЭ впоследствии попадает в водозаборные сооружения и питьевую воду.

В отличии от МТБЭ при использовании ЭТБЭ не возникает проблем, связанных с обводнением, кроме того он имеет более высокую теплотворную способность и более низкое содержание кислорода. Исходя, из требования содержания кислорода в автобензине не более 2,7 % предельное содержание ЭТБЭ может быть не более 17,22 %. Для МТБЭ этот показатель составляет 14,84 %. В настоящее время отсутствуют данные токсичности ЭТБЭ и его вредном экологическом воздействии на окружающую среду. ЭТБЭ не образует пероксидных соединений, что значительно повышает безопасность его хранения и использования [4, 18 с.].

На сегодняшний день увеличение высокооктановых компонентов, не содержащих ароматических углеводородов, является актуальным во всех странах мира. Например, в России до настоящего времени в качестве высокооктановой кислородсодержащей добавки применяется МТБЭ. Объем производства компонентов автомобильных бензинов на НПЗ России увеличился с 37,5 млн тонн в 2014 году до 45,5 млн тонн 2015 в году [4, 19 с.].

ТОО «Компания Нефтехим LTD» является единственным предприятием выпускающим высокооктановые добавки в Казахстане. Компания поставляет готовый МТБЭ Павлодарскому НХЗ, а также экспортирует его в Россию, Украину и в страны Европы через балтийские порты. Потребности Павлодарского НХЗ в МТБЭ в 2015 году составили около 3,5 тыс. т. Объем экспорта МТБЭ из Казахстана в Россию по железной дороге в январе - октябре 2015 года вырос на 1,4 тыс. т, по сравнению с аналогичным периодом 2014 года, до 6,5 тыс. т, на фоне повышения загрузки завода в связи с увеличением поставок ББФ с Павлодарского НХЗ [6, 3 с.].

Объемы производства МТБЭ в Европе в целом увеличивались вплоть до 2000-го года. После этого наметилось замедление темпов роста. Несмотря на то, что ограничения или какие-либо запреты на использование МТБЭ в Европе не применялись и не применяются, в Европе вот уже несколько лет существуют льготы при использовании высокооктановых компонентов на основе растительного сырья. Это привело к увеличению выпуска, в первую очередь, ЭТБЭ. В настоящее время Европейская ассоциация топливных оксигенатов (EFOA) активно поддерживает этил-трет-бутиловый и трет-амиловые эфиры как экологичные компоненты автомобильных топлив. В Европе работает около 20 заводских площадок по производству ЭТБЭ: LyondellBasell (Netherlands, France), TotalFinaElf, Ouest ETBE, Nord ETBE (France), ORLEN (Poland), MOL (Hungary) и др. [9, 1 с.].

Так, за последние несколько лет наблюдается значительное сокращение производства МТБЭ. В 2004 году производство сократилось на последние пять лет более чем на четверть и в 2010 году, согласно оценкам основанным на данных CMAI и EFOA, составило порядка 2,1 млн. тонн. Таким образом, если в 2000-2001 гг. на Западную Европу приходилось почти 30 % от совокупного мирового производства МТБЭ, то в 2012 году эта доля сократилась до 10 % [9, 3 c.].

В стремлении замены МТБЭ, промышленность США пошла по пути использования изооктена (изооктана). Европейские заводы уже частично перевели установки получения МТБЭ на выпуск ЭТБЭ. В частности, на одном из заводов Литвы (г. Мажейкяй) с помощью российского НИИ «Ярсинтез» установка МТБЭ проектной мощностью 40 тыс. т была переведена на выпуск ЭТБЭ [9, 3 с.].

Производство ЭТБЭ в мире на 2012 г. составило: в США - 1250 тыс. т.; Франции - 750 тыс. т.; Нидерландах - 660 тыс. т.; Испании - 350 тыс. т.; Бразилии - 300 тыс. т.; Германии - 250 тыс. т.; Австралии, Бельгии и Польше - по 100 тыс. т. [9, 2 с.].

В соответствии с прогнозами экспертов потребление ЭТБЭ в ЕС к 2017 году будет составлять более 4 млн. т и, соответственно, уменьшится потребление МТБЭ при общем балансе потребления добавок к бензинам в 6 млн. т, что соответствует годичному потреблению бензина в ЕС в 110 млн. т.

По прогнозам потребление эфиров будет и далее расти. К 2030 г. потребление МТБЭ на мировом рынке уменьшится до 64 %, ЕТБЭ, ТАМЭ составит 36 % [10, 3 с.].

Более высокая температура кипения ЭТБЭ 72,8% и более низкое давление насыщенных паров позволяет вовлекать при смешении его с автобензинами дополнительные ресурсы бутановых фракций. Таким образом, из представленных кислородсодержащих соединений по качественным характеристикам ЭТБЭ имеет несомненное преимущество. ЭТБЭ получают в аналогичных условиях и на том же оборудовании, что и метил-трет-бутиловый эфир. Синтез осуществляется из изобутилена и этилового спирта при температуре ниже 100°C и давлении 1-2 МПа в условиях кислотного катализа.

Селективность образования ЭТБЭ такова, что из смеси углеводородов в реакцию вступает только изобутилен. Не прореагировшие н-бутилены могут применяться в качестве нефтехимического сырья, а также в качестве сырья для производства алкилбензина.

Однако с точки зрения экономики рассматривая себестоимость производства топливных добавок при существующих ценах на исходное сырье, у ЭТБЭ на 40 % выше, чем у МТБЭ. В сложившихся условиях целесообразность организации производства ЭТБЭ будет определяться эффективностью его экспорта на внешние рынки, где его стоимость во много раз выше, чем у МТБЭ.

Можно дискутировать о степени токсичности МТБЭ и целесообразности запрета на его использование в мире, но уже сейчас становится очевидным, что МТБЭ в перспективе постигнет участь тетра-этил-свинца (ТЭС) от которого весь цивилизованный мир отказывается, несмотря на его эффективность в производстве высокооктановых автобензинов. Запрет на использование МТБЭ в промышленно-развитых странах негативным образом отражается на его продаже. В скором времени он может быть востребован только, как сырье для получения изобутилена и метанола.

Перспективные требования к качеству автобензинов предусматривают снижение содержания серы с 1 января 2012 г. до уровня 50 ppm и с 2015 г. до уровня 10 ppm. Объемная доля бензола в автобензинах не должна превышать 1 % об., а суммарных ароматических углеводородов не более 35% об. Все это достигается при применении в качестве добавки для повышения октанового числа новых эфиров, каким является ЭТБЭ [6, 11 с.].

В заключении следует отметить, что внедрение производства ЭТБЭ в Казахстане позволит получать бензин класса Евро-4 и Евро-5, а так же позволит конкурировать по качеству выпускаемой продукции с другими производителями на рынке моторных топлив. Тем самым способствовать решению как экономических, так и экологических вопросов.

Список литературы

1. Бойко Е. В. Автомобильные бензины (основные показатели качества). - Ульяновск: УлГТУ, 2007. - 118 с.

2. Капустин В. М. Оксигенаты в автомобильных бензинах / В. М. Капустин, С. А. Карпов - М.: Колос, 2011. - 336 с.

3. Lethbridge G. MTBE and groundwater contamination in the UK // Petroleum Review 2000. № 646. - 54 p.

4. Емельянов В. Е., Данилов А. М. К вопросу о производстве высокооктановых бензинов в России // Нефтепереработка и нефтехимия. - 2014. №8. - 14 c.

5. Цыганков Д. В. Переработка отходов и полупродуктов химических производств в оксигенатные добавки к автомобильным бензинам. Монография. - Кемерово, 2006. - 385 с.

6. Злотников Л. Е. Основные направления повышения эффективности действующих мощностей НПЗ России в настоящее время и до 2010 г. // Нефтепереработка и нефтехимия.- 2004. №10. - 17 с.

7. Бурлака В. Г. Трансформация рынков нефти и газа: Монография / В. Г. Бурлака, Р. В. Шерстюк. - К. : НАУ, 2005. - 320 с.

8. Hong Yuan. ETBE as an additive in gasoline: advantages and disadvantages. Master of Science Thesis, Environmental Scince Programme. Sweden, 2006. - 40 p.

9. Низами Пириев, Пущик Е. Г. Рынок моторных топлив в Европе // Нефтепереработка и нефтехимия. 2015. №1. - 4 с.

10. Hamid H., Ali M. A. Handbook of MTBE and Other Gasoline Oxygenates. - Boca Raton, USA : CRC Press, 2008. - 381 p.

Размещено на Allbest.ru