Результат интеллектуальной деятельности: ПРИСАДКА К ТОПЛИВУ

Изобретение относится к многофункциональным присадкам для газообразного углеводородного топлива на основе метана и других простых углеводородов, улучшающим характеристики его сгорания, а в связи с этим улучшающим экологию окружающей среды, повышающим экономию топлива, а также улучшающим противопожарные свойства топлива.

Известно, что присадки к топливу могут выполнять различные функции, например улучшать процесс сгорания топливной смеси (такие присадки называются промоторами воспламенения), улучшать антикоррозионные свойства топлива, играть роль смазки для трущихся частей и т.д. Иногда одна и та же присадка может выполнять несколько функций. В этом случае она называется многофункциональной.

Известны, например, промоторы в виде диметиламина (CH3)₂N₂ и гидрида германия GeH₄, небольшие добавки которых (0.1-0.3%) к метано-кислородно-аргоновой смеси 2%СН₄+20%О₂+78%Ar при температурах 1320-2040° К приводят к снижению задержек воспламенения в 2-8 раз [см. Зборовский А.Г., Петров Ю.П., Смирнов В.Н., Тереза A.M., Тюрин А.Н. Химическая физика 1987, т. 6, №4, 506-513, Ващенко A.M., Заслонко И.С., Зборовский А.Г., Петров Ю.П., Смирнов ВН., Тереза A.M., Тюрин А.Н., Цыганов С.А. Химическая физика 1987, т. 6, №2, 272-277].

Недостатком таких промоторов является то, что они, в случае превышения предельно допустимой концентрации в воздухе (ориентировочно, 1 мг/м³), оказывают вредное воздействие на человека: его нервную систему, печень, почки, слизистые оболочки глаз и верхних дыхательных путей. Кроме того, диметиламин – пожаро- и взрывоопасен. Его температура самовоспламенения равна 402°С.

Известны также промоторы в виде аланина C₃H₇ONO₂, тетрафторгидразина N₂F₄, нитроэтана G₂H₅NO₂, метилнитрита CH₃ONO и метилнитрата CH₃ONO₂ (см. Борисов А.А., Заманский В.М., Лисянский В.В., Скачков Г.И., Трошин К.Я. Химическая физика, 1987, т. 6, №2, 262-271). Добавление любого из этих промоторов к метано-воздушной смеси в количестве 1% также существенно уменьшает время задержки воспламенения. Наиболее сильно время задержки воспламенения уменьшается при добавлении тетрафторгидразина N₂F₄. Например, при добавлении 0.06% N₂F₄ к стехиометрической метано-кислородной смеси, разбавленной аргоном, задержка воспламенения при температуре 1000°К и давлении 1 атм уменьшается в 30 раз.

Недостатком этих присадок к топливу является относительно невысокое улучшение характеристик сгорания топлива.

Технической задачей данного изобретения является улучшение характеристик сгорания топлива, повышение экономии используемого газообразного углеводородного топлива, а также придание топливу противопожарных свойств.

Поставленная цель достигается прибавлением к газообразному углеводородному топливу многофункциональной присадки в виде трифторметана (CF₃H) в количестве до 3 мас. %.

Следует заметить, что в настоящее время не существует твердого единого мнения относительно механизма самовоспламенения горючих смесей в дизелях. Два наиболее известных механизма самовоспламенения - тепловой и цепной, в реальных условиях практически неотделимы друг от друга и, в целом, представляют сложную картину зависимости процесса самовоспламенения от давления, состава газовой смеси и различных примесей. Численное исследование протекающих при самовоспламенений многочисленных химических реакций возможно лишь с привлечением мощной вычислительной техники, а экспериментальная проверка результатов расчета - с привлечением современных средств диагностики.

Применительно к данному изобретению расчетные исследования сгорания углеводородных топлив с присадками на основе фторозамещенных углеводородов, в том числе трифторметана, проводились авторами с использованием пакета программ CHEMKIN II. Экспериментальная проверка результатов расчета проводилась на ударной трубе диафрагменного типа с использованием углеводородного топлива, состоящего из смеси метана и кислорода (20%), аргона (70-80%) и присадки в виде фторзамещенного углеводорода (0-10%).

Интервал температур, до которых в экспериментах нагревалась горючая смесь при прохождении через нее ударной волны, соответствовал значениям 1250-2500°К.

Наиболее сильное промотирующее действие наблюдалось при использовании в качестве присадки трифторметана (CF₃H). При этом промотирующее действие трифторметана усиливалось при увеличении его начальной концентрации в смеси до 3-4 мас. %. При достижении значений начальной концентрации 3-4% и выше (вплоть до 10%) промотирующее действие выходило на насыщение. Данный эффект может быть объяснен влиянием неучтенных реакций окисления фторозамещенных углеводородов, приводящих к повышению температуры реагирующей смеси.

На основании проведенных исследований можно заключить, что присадка к топливу в виде трифторметана (CF₃H) является эффективным промотором воспламенения метано-кислородных смесей при температурах самовоспламенения свыше 1100°С. Для достижения максимального промотирующего эффекта начальная концентрация трифторметана в топливе должна составлять не менее 3 и не более 10 мас. %. Более точное значение этой концентрации должно определяться экспериментальным путем и непосредственно касаться используемого углеводородного топлива. Минимальная концентрация содержания трифторметана в топливе, равная 3 мас. %, выбрана исходя из того, что при этом значении возникающий промотирующий эффект достигает 90% своей максимальной величины.

Еще одной отличительной особенностью трифторметана является его чрезвычайно низкая температура кипения и высокое значение давления паров (около 44,6 кг/см² при 21°С), что позволяет использовать его в роли пропеллента в ручных огнетушителях, а также, совместно с другими пламегасящими веществами, имеющими низкое давление паров, одновременно в роли и пропеллента, и пламегасителя). В связи с этим добавка трифторметана к газообразному углеводородному топливу будет оказывать на топливо не только промотирующее действие при его высокотемпературном сгорании, но и ингибирующее действие при нормальной температуре (см. В.В. Азатян, Ю.Н. Шебеко, А.Ю. Шебеко, В.Ю. Навценя, Химическая физика, 2010, Т. 29, №9, с. 42-51).

Ингибирующее действие трифторметана актуально с точки зрения обеспечения пожарной безопасности топлива при его хранении и транспортировки, а также аварийной разгерметизации топливной системы в условиях нормальных температур (патент РФ №2066560 «Способ подавления огня в замкнутом воздушном пространстве» и патент РФ №2180255 «Пожаротушащая композиция, включающая трифторметан»).

Выявленные и экспериментально подтвержденные промотирующие свойства трифторметана (наряду с известными его ингибиторными свойствами) позволяют отнести трифторметан к категории многофункциональных присадок.

Кроме того, трифторметан обладает такими важными с экологической точки зрения особенностями, как:

- отсутствие токсичности (воздействие на живые организмы сравнимо с воздействием на них азота);

- короткий срок его существования в атмосфере с незначительным воздействием на потенциал глобального потепления;

- нейтральность по отношению к озоновому слою Земли.