Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОЦЕНКИ ЦЕТАНОВОГО ИНДЕКСА ЖИДКИХ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ТОПЛИВ

Изобретение относится к области исследования жидких углеводородных топлив, преимущественно оценки их воспламеняемости в дизельном двигателе, зависящей от цетанового числа или цетанового индекса, и может быть использовано при подборе топлива для конкретного дизельного двигателя.

Основным требованием к топливам, используемым в дизелях, является их способность к воспламенению (самовоспламенению) после впрыска в цилиндр без постороннего источника зажигания, а именно только под воздействием высокой температуры, возникающей при сжатии воздуха. Способность топлива к самовоспламенению изначально оценивали показателем «цетановое число» (Моторные топлива, масла и жидкости. Том 1. / Под редакцией К.К. Папок и Е.Г. Семенидо. - М. - Л. - Гостоптехиздат. - 1949. - с.126).

Однако определение цетанового числа (ЦЧ) стандартным моторным методом (ГОСТ 3122) является относительно сложной задачей, поскольку требует применения моторной (с дизельным двигателем) установки, специального эталонного топлива и высокой квалификации обслуживающего персонала. В связи с этим определение ЦЧ топлива возможно только в специализированных топливных лабораториях. Фактическая точность определения ЦЧ составляет ±4 ед. (ВИНИТИ -Экспресс информация. Двигатели внутреннего сгорания. Серия: поршневые и газотурбинные двигатели. - М. - ВИНИТИ. - 1989. - №26. - с.с.15-22).

На практике (в местах потребления топлива) вопрос о возможности применения топлива в дизельном двигателе, исходя из воспламеняемости топлива, решают по показателю «цетановый индекс (ЦИ)». Показатель «ЦИ» эквивалентен показателю «ЦЧ» (в пределах фактической точности определения ЦЧ), но отличается простотой его определения. ЦИ определяется расчетом на основе использования физических показателей качества топлива, таких как плотность, температура кипения, вязкость, анилиновая точка, определение которых доступно для любой топливной лаборатории. Вместе с тем, до настоящего времени ЦИ мог быть определен только для узкого ассортимента топлив, а именно топлив 90% об. которых выкипает (по ГОСТ 2177) до температуры 360°С, а температура начала кипения составляет не ниже 150°С. Доля этих топлив в общем (полном) ассортименте составляет менее 25%. К числу топлив, для которых ЦИ в настоящее время не может быть определен, относятся остаточные топлива, реактивные топлива, бензины и некоторые другие, вырабатываемые в незначительных количествах.

Перед авторами стояла задача разработать способ оценки ЦИ всего ассортимента вырабатываемых жидких углеводородных топлив по номограмме, основанной на определении плотности, температуры кипения и кинематической вязкости топлив, определение которых доступно для любой топливной лаборатории.

При просмотре патентной и научно-технической информации был выявлен способ (аналог) оценки воспламеняемости топлива по номограмме, связывающей воспламеняемость топлива (показатель "CCAJ" - индекс углеродной ароматизации) с его плотностью при температуре 15°С и кинематической вязкостью при 50°С (ГОСТ Р 54299-2010-Топлива судовые. Технические условия). Однако этот способ имеет существенные недостатки, не позволяющие выполнить стоящую перед авторами задачу. Так, он не позволяет оценивать ЦИ топлив, имеющих плотность менее 820 кг/м³ при 15°С и вязкость менее 4 мм²/с при 50°С. К этим топливам относятся: дизельное для быстроходных дизелей по ГОСТ 4749 и ГОСТ 305, реактивное по ГОСТ 10227 (Б.В. Лосиков, А.Д. Фатьянов, Ю.В. Микулин, Л.А. Александрова. - Топлива для судовых газовых турбин. - М. - Химия. - 1970. - с.54-55) и бензины (А.А. Гуреев, B.C. Азев - Автомобильные бензины. Свойства и применение. - М. - Нефть и газ. - 1996. - c.71).

Кроме того, в нем отсутствует взаимосвязь контрольного показателя "CCAJ" с показателями "ЦЧ" или "ЦИ", являющимися характеристикой воспламеняемости дизельных топлив по ГОСТ 305 (Топливо дизельное. Технические условия) и ГОСТ Р 52368-2005 (Топливо дизельное ЕВРО. Технические условия). Так интервал значений показателя "CCAJ" составляет от 800 до 930 ед., в то время как интервал значений показателя "ЦЧ" по ГОСТ 3122 - от 20 до 60 ед., а нормируемые значения ЦЧ для дизельных топлив - "не менее " 45 ед. (ГОСТ 305) и "не менее " 51 ед. (ГОСТ Р 52368-2005), а ЦИ "не менее " 46 ед. (ГОСТ Р 52368-2005). Для топлива США по спецификации «MIL - DTL - 16884L», являющегося утяжеленным дизельным топливом относительно отечественных дизельных топлив по ГОСТ 305 и ГОСТ Р 52368-2005 (до температуры 360°С по методу ГОСТ 2177 перегоняется соответственно «не менее» 90 и 95 % об.), нормируемые значения ЦЧ и ЦИ составляют соответственно «не менее» 42 и 43 ед. Эти значения подтверждают, что показатели «ЦЧ» и «ЦИ» равноценны, поскольку их различие не превышает фактической точности (±4,0 ед.) определения ЦЧ моторным методом.

Показатель «CCAJ», как показывает статистика, в 9% случаев дает противоположные ожидаемым результаты воспламеняемости топлив (вместо повышения ЦЧ наблюдалось его снижение), в 13% одному и тому же значению CCAJ соответствовали значения ЦЧ от 36 до 52 ед., в 12% не было выявлено никакой взаимосвязи между CCAJ и ЦЧ. Был сделан общий вывод, что корреляции между CCAJ и ЦЧ не существует (ВИНИТИ - Экспресс информация. Двигатели внутреннего сгорания. Серия: поршневые и газотурбинные двигатели. - М. - ВИНИТИ. - 1986. - №45. - С.8-9).

Наиболее близким к заявляемому способу, принятым за прототип, является способ определения по номограмме ЦИ дизельного топлива, включающий определение плотности при температуре 15°С и усредненной температуры кипения - температуры выкипания 50% об. топлива (Топливо дизельное. Определение цетанового индекса расчетным методом ГОСТ 27768-88).

Недостатком способа является ограниченная область его применения, т.к. невозможно определение ЦИ топлив с плотностью при 15°С менее 784 и более 915 кг/м³ и температурой выкипания 50% об. менее 188 и более 300°С. К этим топливам относятся реактивные (ГОСТ 10227), бензины (ГОСТ 1012 и ГОСТ 2084) и остаточные топлива (ГОСТ 10585 и ГОСТ Р 54299-2010, соответствующий международному стандарту на судовые топлива ИСО 8217-2010). Определение фракционного состава остаточных топлив стандартами вообще не предусматривается. Причиной этого является наличие в остаточных топливах гудрона, являющегося остатком после максимального (при современном уровне техники) отгона из нефти на нефтеперерабатывающих заводах вакуумных фракций, т.е. фракций, выкипающих до 575°С (И.Л. Гуревич. - Технология нефтепереработки нефти и газа. Часть 1. - М.: - Химия. - 1972. - с.311). Фракционный состав (определение которого предусмотрено способом-прототипом) тяжелых дистиллятных топлив, например единого топлива для кораблей ВМС США по спецификации MIL-F-24397 или аналогичного ему отечественного топлива по ТУ 38.401398-82, может быть определен только сложным методом, предусматривающим использование оборудования, работающего при вакууме, например методом США ASTM-1160SA или отечественным методом по авторскому свидетельству СССР №806050, кл. В01Д 3/32, 1977 г. Такие методы могут быть реализованы только в специализированных лабораториях, где имеется соответствующее оборудование.

В связи с этим авторы продолжили исследования по усовершенствованию способа-прототипа путем расширения ассортимента топлив, воспламеняемость которых может быть определена по показателю "ЦИ" при использовании номограммы на основе доступных для любой топливной лаборатории показателей качества топлива.

Технический результат изобретения - расширение ассортимента жидких углеводородных топлив до полного, т.е. от бензина до остаточного, воспламеняемость которых в дизелях может быть оценена по ЦИ без снижения точности, для оценки которого используют номограмму.

Указанный технический результат достигается тем, что способ оценки цетанового индекса жидких углеводородных топлив для дизельных двигателей по номограмме, включающий определение плотности при 20°C и усредненной температуры кипения, при этом усредненную температуру кипения реактивного топлива, утяжеленного дизельного топлива, бензина и дизельного топлива рассчитывают по зависимостям, соответственно:

где , , , - усредненные температуры кипения топлив соответственно реактивного, утяжеленного дизельного, бензина и дизельного, °C;

t₁₀, t₅₀, t₉₀, t₉₅₍₉₆₎, t₉₈ - соответственно температуры выкипания фракций

10, 50, 90, 95 (96), 98% об. жидкого углеводородного топлива;

K₁, K₂, K₃, - известные коэффициенты;

K₄, K₅, K₆, K₇ - коэффициенты, полученные экспериментально,

- для реактивных топлив: K₁=0,3, K₂=0,54, K₃=0,16,

- для утяжеленных дизельных топлив, у которых до 360°C выкипает 90% об., и для бензинов: K₄=0,58, K₅=0,42,

- для дизельных топлив, у которых до 360°C выкипает 95 (96)% об.:

K₆=0,97, K₇=0,03,

номограмму дополнительно оснащают шкалой кинематической вязкости, совмещенной со шкалой усредненной температуры кипения T_с °C жидкого углеводородного топлива на участке от 268 до 320, и оценивают цетановый индекс для остаточных топлив по номограмме, включающей определение плотности при 20°C и кинематической вязкости, диапазон шкалы усредненной температуры кипения берут от 90 до 320, диапазон шкалы кинематической вязкости берут от 2,0 мм²/с до 1000 мм²/с, диапазон шкалы плотности берут от 700 до 1020, диапазон шкалы цетанового индекса берут от 0 ед. до 70 ед.

На чертеже представлена номограмма для оценки цетанового индекса жидких углеводородных топлив. Номограмма представляет собой чертеж, состоящий из трех шкал: равномерной прямолинейной шкалы I плотности топлива при 20°C (ρ₂₀) в диапазоне (700-1020) кг/м³ с ценой деления 10; неравномерной криволинейной шкалы III испаряемости, состоящей из участка T_с (правая часть шкалы), построенного по степенной зависимости, и участка кинематической вязкости при 50°C (ν₅₀, мм²/с) в диапазоне (2-1000) мм²/с, построенного с логарифмическим выражением вязкости (левая часть шкалы) с частичным совпадением участков в области T_с (268-320)°C и ν₅₀ (2-4,8) мм²/с соответственно; равномерной прямолинейной шкалы II цетановых индексов (ЦИ) в диапазоне (0-70) ед. с ценой деления 5, построенной по выявленной взаимосвязи ЦИ с ρ₂₀, T_с, ν₅₀.

Суть заявленного способа заключается в том, что:

- испаряемость (а следовательно, и воспламеняемость по ЦИ) топлива может определяться как по фракционному составу (ГОСТ 2177), так и по вязкости (Моторные топлива, масла и жидкости. Том I. /Под редакцией К.К. Папок и Е.Г. Семенидо. - М. - Л. - ГНТИ горно-топливной литературы. http://-1953.-c.46);

- испаряемость топлива по мере ее ухудшения (повышения температуры кипения или повышения кинематической вязкости) при близкой плотности приводит к повышению воспламеняемости (ЦИ) топлива. Так бензины, имеющие при температуре 20°С плотность (748-784) кг/м³ и кинематическую вязкость (0,56-0,81) мм²/с, а температурные пределы выкипания (34-189)°С имеют значения ЦЧ менее 20 ед., т.к. не могут быть определены по ГОСТ 3122, в то время как цетан с плотностью 774 кг/м³ , вязкостью 4,46 мм²/с и температурой кипения 287,5°С - 100 ед. (А.А. Гуреев, B.C. Азев. Автомобильные бензины. Свойства и применение. - М. - Нефть и газ. - 1996. - с.с.106, 114; Справочник химика. Том 2. - Л. - М. - Госхимиздат. - 1951. - 1147 с.).

Для выражения фракционного состава одной цифрой (T_c, °С) известна зависимость для реактивных топлив (Е.П. Серегин, А.Ф. Горенков, В.Т. Бугай и др. - Химия и технология топлив и масел. - 1980. - №11. - с.44):

где T_c - усредненная температура кипения топлива, °С;

t₁₀, t₅₀, t₉₈ - температуры выкипания 10, 50, 98% об. топлива, соответственно, °С.

Формула (5) равноценна формуле (1), поскольку в ней проставлены

коэффициенты при соответствующих фракциях топлива, указанные для формулы (1);

- для упрощения определения воспламеняемости топлива по ЦИ (исключения необходимости его перегонки) целесообразно также использовать в заявляемом способе имеющиеся данные, приводимые в паспортах на топлива, определение которых предусмотрено нормативно-технической документацией (НТД), а именно (ГОСТ, ТУ, спецификации) на топлива по фракционному составу или по вязкости (при отсутствии данных по фракционному составу). К этим топливам, например, относятся отечественные дизельные топлива по ГОСТ 305, по ТУ 38.101348-2009, по ТУ 38.401-58-110-94 и зарубежные утяжеленные дизельные топлива по спецификациям стран НАТО под индексом "F-76" (например, спецификация США MIL-DTL-16884L, спецификация Великобритании DEF STAH 91-4), для которых в НТД приводятся данные по соответственно температурам выкипания 50 и 95 (96) % об. и 10 и 90% об. Проведенные нами исследования показали, что Т_c таких топлив может быть определена соответственно по зависимостям:

Формулы (6) и (7) равноценны формулам (4) и (2) соответственно, поскольку они отличаются только тем, что буквенные коэффициенты формул (4) и (2) заменены на соответствующие цифровые коэффициенты;

- шкала III номограммы, учитывающая испаряемость топлива, в отличие от шкалы 7, учитывающей плотность топлива, и шкалы "температура выкипания 50% об." в способе-прототипе является не прямой линией, а линией со степенной зависимостью. Это отражает относительно большее изменение температур кипения и вязкости топлив в сравнении с изменением их плотности. Так, в ряду нормальных парафиновых углеводородов при переходе, например, от гексана к октану при температуре 20°С плотность (ρ₂₀, кг/м³) увеличивается лишь на 10%, а вязкость (η, сП) - на 51%, температура кипения при этом увеличивается на 75 % (Справочник химика. Том 2. - Л. - М. - Госхимиздат. - 1951. - 1147 с.; Я.М. Паушкин. Химия реактивных топлив. - М. - Издательство Академии наук СССР. - 1962. - с.101).

Кроме того, шкала III является неравномерной (одному и тому же интервалу T_c или υ₅₀ соответствуют графически разные и уменьшающиеся интервалы с ростом T_c или υ₅₀);

- к топливам, у которых испаряемость определяется только по кинематической вязкости, относятся судовые остаточные топлива по ГОСТ Р 54299-2010 и тяжелые дистиллятные топлива, температура выкипания которых превышает 400°С. Единственной возможностью определения испаряемости в требуемом объеме, а следовательно, и воспламеняемости по ЦИ является, в этом случае, знание вязкости топлив. Использование показателя "вязкость при температуре 50°С′′ (ν₅₀, мм²/с) в заявляемом способе позволяет определять ЦИ наиболее тяжелых из применяемых в дизелях остаточных топлив, имеющих ν₅₀ до 700 мм²/с. Это расширяет по заявляемому способу ассортимент топлив, для которых может быть определен ЦИ, в область их утяжеления. Расширение диапазона топлив, для которых по заявляемому способу может быть определен ЦИ, в область их облегчения (реактивные топлива, бензины), достигнуто за счет изменения шкалы испаряемости T_c с линейной на степенную (позволившую определять T_c до 90°С), а шкалы плотности - в область более низких ее значений (до 700 кг/м³);

- плотность топлива в значительной мере определяет его воспламеняемость в дизелях, поскольку зависит как от его испаряемости (фракционного состава или вязкости), так и от группового углеводородного состава. Так, один из эталонов воспламеняемости цетан (гексадекан, т.е. парафиновый углеводород), цетановое число которого принимается по ГОСТ 3122 за 100 ед. (наилучшая воспламеняемость), имеет температуру кипения 287,5°С, а альфаметилнафталин (ароматический углеводород) при близкой к указанной температуре кипения (244,6°С), т.е. ниже лишь на 14,9%, имеет плотность при одинаковой (20°С) температуре, напротив, на 32,4% выше (соответственно 774 и 1025 кг/м³), что предопределяет его наихудшую (ЦЧ равно 0 ед.) воспламеняемость. Воспламеняемость групп углеводородов уменьшается при одинаковом количестве атомов углерода в последовательности: парафиновые, нафтеновые, ароматические, а их плотность при этом, напротив, повышается (Нефтепродукты. Справочник. / Под редакцией Б.В. Лосикова. - М. - Химия. - 1966. - с.176-177). С учетом этого значения плотности на шкале I номограммы увеличиваются с уменьшением значений ЦИ по шкале II, при одинаковой испаряемости по шкале III;

Способ реализуется следующим образом.

Были приготовлены и испытаны образцы всего ассортимента топлив, см. таблицу. Примеры определения ЦИ топлив по номограмме приведены ниже.

Пример 1. Имеется образец № 9 реактивного топлива ТС-1 с неизвестными характеристиками его плотности и фракционного состава. Требуется определить его цетановый индекс.

Для этого:

- определяют (по ГОСТ 3900) плотность топлива при температуре, равной температуре в помещении (25°С). Плотность топлива при этой температуре составила 768 кг/м³. Приводят найденную плотность при 25°С к плотности при 20°С с учетом температурной поправки, указанной в ГОСТ 3900. Плотность топлива при 20°С составила 772 кг/м³;

- определяют (по ГОСТ 2177) температуры выкипания фракций 10, 50 и 98% об. топлива. Они оказались равными соответственно 115, 170 и 248°С;

- рассчитывают усредненную температуру кипения топлива (T_c, °С) по зависимости (1),

T_c=0,3·115+0,54·170+0,16·248=164,98

Округляют полученное значение до ближайшей целой цифры. Округленное значение T_c составляет 165°С;

- на чертеже на шкале I находят значение плотности 772 кг/м³ и отмечают его точкой «А», а на шкале III находят значение T_c, равное 165°С, отмечая его точкой «Б»;

- соединяют прямой линией точки «А» и «Б»;

- находят значение ЦИ в точке пересечения полученной линии со шкалой II, т.е. точку F₁ (фактический ЦИ). Оно равно 42 ед. Следовательно, значение ЦИ топлива составляет 42 ед.

Пример 2. Имеется образец № 1 дизельного топлива по ГОСТ 305 с плотностью при 20°С 838 кг/м³ и температурами выкипания (50 и 95) % об. (275 и 353) °С, соответственно. Требуется определить по заявляемой номограмме ЦИ топлива.

Для этого:

- рассчитывают усредненную температуру кипения топлива (T_c, °С) по зависимости (3):

T_c=0,97·275+0,03-353=277,3 (округленно 277°С);

- на чертеже на шкале I находят точку «В», соответствующую значению плотности 838 кг/м³, а на шкале III - точку «Г», соответствующую значению 277°С;

- соединяют прямой линией точки «В» и «Г»;

- на шкале II в месте пересечения ее прямой линией, соединяющей точки «В» и «Г», находят точку F₂, соответствующую значению ЦИ топлива. Оно равно 55 ед. Следовательно, ЦИ топлива равен 55 ед.

Пример 3. Имеется образец №19 остаточного топлива с плотностью при 20°С 950 кг/м³. Требуется определить ЦИ топлива.

Для этого:

- определяют по ГОСТ 33 кинематическую вязкость топлива при температуре 50°С, которая оказалась равной 100 мм²/с. На шкале III номограммы находят точку «Е», соответствующую значению 100 мм²/с;

- на шкале I находят точку «Д», соответствующую значению 950 кг/м³;

- соединяют прямой линией точки «Д» и «Е». На шкале II в месте пересечения ее прямой линией, соединяющей точки «Д» и «Е», находят точку F₃, соответствующую значению ЦИ топлива. Оно равно 35,5 ед. Следовательно, ЦИ топлива равен 35,5 ед.;

Пример 4. Имеется образец №13 автомобильного бензина с плотностью при 20°С 700 кг/м³. Требуется определить его ЦИ.

Для этого:

- определяют по ГОСТ 2177 фракционный состав бензина, отмечая значения его температур выкипания (10 и 90) % об. Они оказались равными соответственно (53 и 141) °С;

- определяют усредненную температуру кипения (T_c, °С) по зависимости (2):

T_c=0,58·53+0,42·141=89,96°С (округленно 90°С)

- на шкале III находят точку «Ж», отвечающую значению 90°С, а на шкале I - точку «И», отвечающую значению 700 кг/м³;

- соединяют прямой линией точки «Ж» и «И». На шкале II в месте пересечения ее прямой линией, соединяющей точки «Ж» и «И», находят точку F₄, соответствующую значению ЦИ топлива. Оно равно 14 ед. Следовательно, ЦИ бензина равен 14 ед.

Получаемые значения ЦИ топлива по заявляемому способу позволяют выявить недостоверные данные по воспламеняемости топлив, приводимые в паспортах на конкретные топлива, например, когда поставщик по каким-либо причинам проставляет в паспорте на топливо заниженное значение ЦЧ (на минимальном уровне, отвечающем НТД на топливо).

По заявляемому способу оценен ЦИ ряда образцов товарных топлив, соответствующих всему их ассортименту (от бензинов до остаточных), таблица. В этой же таблице приведены данные по ЦИ способа - прототипа и и базового (моторного) метода, а также данные по отклонению ЦИ по заявляемому способу и способу - прототипу от ЦЧ, определяемого стандартным моторным методом.

Из приведенных в таблице данных следует, что по заявляемому способу определяется воспламеняемость (ЦИ) любых топлив (100% образцов), начиная от самых легких (бензины) и кончая самыми тяжелыми (остаточные). Их ЦИ составляет от 10 ед. до 55,5 ед. По способу - прототипу определяется ЦИ только 39% представленных образцов топлива. По этому способу не могут быть определены ЦИ тяжелых дистиллятных топлив (образцы №№ 17, 18); реактивных топлив, кроме топлива Т-1 (образец №12, столбцы 5 и 12) с температурой выкипания 50% об. - 192°С, изготавливаемого из уникальной нефти нафтенового основания; а также всех образцов бензинов и остаточных топлив. По базовому способу определяется ЦЧ 78,3% представленных образцов топлива. По нему не определяется воспламеняемость (ЦЧ) только бензинов (№№13-16, столбец 11) и образца остаточного топлива с очень высокой плотностью (1010 кг/м³ при 20°С) при относительно небольшой кинематической вязкости (421 мм²/c при 50°С) - образец №23 (столбцы 3, 10 и 11).

Погрешность определения воспламеняемости (ЦИ) по способу-прототипу (для топлив, у которых она определяется) относительно ЦЧ по базовому способу (ГОСТ 3122) составляет до 5,8 ед. (образец №6, столбцы 11, 12 и 15), в то время как по заявляемому способу - до 3,0 ед. (образец №5, столбцы 11, 13 и 16). По способу-прототипу указанная погрешность превышает фактическую погрешность ЦЧ по базовому методу (±4 ед.), в то время как по заявляемому способу укладывается в допустимое значение. Это означает, что заявляемый и базовый способы по точности равноценны, но возможности расширения ассортимента топлив, для которых возможно определение воспламеняемости (ЦИ), у заявляемого способа существенно выше.

Получив значение ЦИ для конкретного топлива, можно с уверенностью судить об испаряемости и воспламеняемости этого топлива, что позволяет оценить пригодность топлива для конкретного дизельного двигателя.

Применение изобретения позволяет выполнить поставленную авторами цель - расширить ассортимент жидких углеводородных топлив до полного (т.е. от бензина до остаточного), воспламеняемость которых может быть оценена по ЦИ без снижения точности по номограмме на основе определения доступных для любой топливной лаборатории показателей качества топлива.