Результат интеллектуальной деятельности: АРКТИЧЕСКОЕ ДИЗЕЛЬНОЕ ТОПЛИВО

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).

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 I₁, 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).

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 I₁.

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 мм²/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:

для первого сорта:

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.

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 I₁.

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.:

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.].

Однако это дизельное топливо также не соответствует требованиям к арктическому топливу для климатического района I₁ (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.:

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.].

Известно дизельное топливо, где улучшение низкотемпературных свойств достигается тем, что в газоконденсатное топливо вводят присадку в количестве 0,001-1,0% масс., содержащую алкил (С₃-С₂₀) нитрат, алкил (С₁-С₂₅) 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:

в котором содержится, % масс.:

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.].

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 I₁.

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.

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 I₁.

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.