161 "Хімічні технології та інженерія"
Постійне посилання колекціїhttps://repository.kpi.kharkov.ua/handle/KhPI-Press/48416
Переглянути
Документ Технологія моторних палив з поліпшеними експлуатаційними властивостями(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2023) Троценко, Олександр ВолодимировичДисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 161 – Хімічні технології та інженерія (16 – Хімічна та біоінженерія). – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Міністерство освіти і науки України, Харків, 2023. Дисертаційна робота спрямована на розробку технології отримання моторних палив з поліпшеними експлуатаційними властивостями. Об’єкт дослідження – процес отримання моторних палив з поліпшеними експлуатаційними властивостями. Предмет дослідження – вплив поліфункціональної присадки, що міститься в моторних паливах на їх фізико-хімічні, екологічні і експлуатаційні показники якості. У дисертаційній роботі вирішена важлива науково-практична задача, щодо виробництва моторних палив з поліпшеними експлуатаційними властивостями з наявної доступної вуглеводневої сировини, в умовах діючих підприємств нафтопереробної галузі України. Під час вивчення світового практичного досвіду застосування присадок в складі моторних палива, а також вимог до їх властивостей, було застосовано метод критичного аналізу. При проведені теоретичних досліджень, зокрема при формулюванні гіпотези, нами використовувався метод системного аналізу. Проведення експериментальних досліджень для визначення фізико-хімічних та експлуатаційних показників якості паливних композицій проходило згідно ASTM, ISO, ДСТУ. Визначення фізичної стабільності, хімічного складу, антикорозійних, депресорних та антиокиснювальних властивостей паливних композицій проходило за авторськими методиками з урахуванням світового практичного досвіду, 3 накопиченого в цій галузі. Обробка експериментальних даних, проводилася за рахунок використання системи статистичного аналізу даних, що включає широкий набір аналітичних процедур та методів – STATISTICA 10 від StatSoft. В вступі наведено актуальність обраної теми дослідження, наведено зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами кафедри; сформульовані мета та основні завдання дослідження; наведено характеристику методів дослідження; визначено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів; представлено особистий внесок здобувача, апробація результатів роботи, публікації, структура та обсяг дисертаційної роботи. В першому розділі дисертаційної роботи визначено та проаналізовано основні напрямки підвищення якості моторних палив, які сьогодні виробляються на нафтопереробних підприємствах України. Обґрунтовано перспективність використання в складі моторних палив для поліпшення їх властивостей, присадок, зокрема поліфункціональних. З огляду на позитивні властивості (розчинність, помірну вартість, клас небезпеки тощо), запропоновано використовувати в складі моторних палив речовину, яка відноситься до класу органічних діазосполук – 1,3-дифенілтріазен. В другому розділі представлено характеристику матеріалів, реактивів та модельних середовищ, які використовувались під час проведення дослідження. Наведено програму досліджень, яка складається з послідовних стадій та включає в себе: попередню підготовку сировини (очищення від домішок, термічний крекінг, поділ на фракції); синтез 1,3-дифенілтріазену; розчинення 1,3-дифенілтріазену у фракціях або паливах (створення модельних середовищ); дослідження властивостей отриманого палива (з використанням методів ASTM, ISO та ДСТУ, а також авторських (не стандартизованих) методик); визначення раціональної концентрації 1,3-дифенілтріазену в складі паливних композицій (з використанням методів математичної статистики, реалізованих в системі STATISTICA 10); розробку промислової технології виробництва (присадки та палив). В третьому розділі, з огляду на структуру та властивості 1,3-дифенілтріазену, сформульовано гіпотезу щодо його позитивного впливу на паливні композиції. Розглянуто наступні механізми: антидетонаційної дії (за рахунок реакцій взаємодії продуктів розпаду присадки – радикалів фенілу та аніліну з найменш стійкими гідропероксидами, що утворюються з паливно-повітряної суміші та зниженні швидкості небажаних окисних процесів); промотування процесу займання (радикал феніл, який характеризується підвищеною реакційною здатністю, прискорює окиснювальні реакції вуглеводів дизельного палива); поліпшення екологічності палив (зниження токсичності вихлопних газів за рахунок зниження в їх складі твердого вуглецю, вуглеводнів, оксиду вуглецю); антикорозійних властивостей (атом азоту молекули 1,3-дифенілтріазену за рахунок своєї неподіленої пари електронів може вступати в хемосорбційну взаємодію з кристалічною структурою металу, створювати на поверхні металу суцільний захисний шар); антиокиснювальних властивостей (рухливий атом водню в структурі молекули 1,3-дифенілтріазену, здатен відщеплюватися в вигляді атомарного водню та миттєво реагувати з кисеньвмісними радикалами вуглеводнів палива, утворюючи структури, здатні до диспропорціювання або до зворотнього утворення димерів хіноїдної структури). Також, запропоновано алгоритм підбору пакету присадок до моторних палив, який дозволяє врахувати пов’язані з цим виробничі витрати та ілюструє економічну доцільність використання в товарних моторних паливах замість пакету, який складається з присадок різного функціонального призначення, єдиної поліфункціональної присадки. В четвертому розділі експериментально підтверджено гіпотезу щодо поліпшення властивостей паливних композицій, які містять 1,3-дифенілтріазен, в порівнянні з вихідними композиціями. Так, паливні композиції з вмістом 1,3-дифенілтріазену в концентрації до 1 %, зберігають високу (100 %) фізичну стабільність, не залежно від обраної вуглеводневої основи (фракції або палива). Але, при збільшенні концентрації понад 1 % мас. відбувається погіршення фізичної стабільності (при w = 1,5 % мас., для бензинової фракції Хст = 90 %; для А-95 Євро5 Хст = 96 %; для дизельної фракції та ДП-Л-Євро5-В0 Хст = 78 %) та фарбування ємкостей де зберігалася паливна композиція. Вміст присадки 1,3-дифенілтріазену в паливній композиції на рівні 1% мас. збільшує величину ОЧ бензинової фракції на 12 пунктів, а додавання 1,3-дифенілтріазену до бензинової фракції, яка містить 15 % МТБЕ, викликає певний синергетизм в підвищенні її ОЧ (на 3 пункти вище ніж розрахункове значення). Присадка 1,3-дифенілтріазену в складі паливних композицій характеризується повною сумісністю з основними оксигенатами (МТБЕ та етанолом). Додавання до паливної композиції 1,3-дифенілтріазену, не чинить ніякого впливу на тиск насичених парів паливної композиції, показники її випаровуваності та індекс парової пробки. Дослідження антикорозійних властивостей показали, що 1,3-дифенілтріазен в складі паливної композиції, здатен на поверхні металу (мідь, сталь 3) створювати захисну плівку, яка запобігає їх корозійному руйнуванню навіть при нагріванні до 40-50 °С, аерації 1-1,5 дм3/хв., швидкості перемішування 500-600 об/хв., присутності корозійних агентів (водних розчинів CH₃COOH та NaCl). Про утворення захисної плівки на поверхні металів свідчило зміна кольору пластин та незначне підвищення їх маси (0,0002÷0,0003 г). Встановлено, що паливні композиції з вмістом 1 % мас. 1,3-дифенілтріазену характеризуються значно більшою антиокиснювальною стабільністю ніж вихідні фракції, яка оцінювалася за показником (П, %), визначеним методом ГХ/МС та величиною фактичних смол і коксівністю 10 % залишку. Так, для бензинової фракції, в залежності від умов випродування, величина показника П знизилося 6-9 %, величина фактичних смол знизилася на 19-25 мг/100 см3, величина коксівності зменшилася на 0,37 %; для дизельної фракції величина показника П знизилося 4-6 %, величина фактичних смол знизилася на 18-23 мг/100 см3, величина коксівності зменшилася на 0,32 %. Про підвищення екологічності бензинових та дизельних паливних композицій з вмістом 1 % мас. 1,3-дифенілтріазену, свідчили дані, які були отримані нами на реальних об’єктах (двигунах внутрішнього згоряння 1,8 TSI (індекс CJSA) та 1,9 TDI (індекс ASV) автомобілів Skoda). Так, використовуючи газоаналізатор, було зафіксовано зменшення в складі вихлопних газів С (на 25 % та 28,5 %), СО (на 24 % та 21 %), СН (на 17 % та 19 %) та збільшення N₂ (на 5,3 % та 7,7 %), відповідно. Проведені експериментальні дослідження дали змогу визначити рекомендований середній раціональний діапазон концентрацій 1,3-дифенілтріазену, в складі паливних композицій. Цей діапазон склав: для бензинової та дизельної фракції – 0,5-0,7 % мас.; для товарного бензину та дизельного палива – 0,1-0,5 % мас.; для неякісної сировини та некондиційного палива – 0,7-1,0 %. В п’ятому розділі представлено технологічну схему, перелік основних компонентів та загальна характеристика установки з синтезу поліфункціональної присадки до моторних палив – 1,3-дифенілтріазену. Реалізація технологічного процесу за даною схемою дозволяє отримати практичний вихід кінцевого продукту на рівні 82-85 %. Зазначено рівень небезпеки 1,3-дифенілтріазену, його вплив на організм людини, засоби захисту персоналу при роботі з цією речовиною та правила його утилізації. Запропонована схема компаундування, потужністю 35 000 кг/год., яка використовуючи прямогонні бензинові та дизельні фракції, товарні та некондиційні палива, а також присадку 1,3-дифенілтріазену, дозволяє отримувати моторні палива, що відповідають вимогам нормативної документації, прийнятої в Україні та ЄС. Розраховано очікуваний економічний ефект від заміни процедури підбору пакету присадок до моторних палив на використання лише 1,3-дифенілтріазену, який складає: 0,47 млн. грн./рік (для бензинових композицій) та 1,06 млн. грн./рік (для дизельних композицій).