Предлагаемая полезная модель относится к области нефтепереработки и нефтехимии, в частности, технологии получения альтернативных топлива для автомобильных двигателей внутреннего сгорания.

На сегодняшний день, в связи с необходимостью решения экологических проблем разработка композиций автомобильных бензинов с высоким октановым числом и с низким уровнем выбросов отработавших газов является актуальной задачей.

Как экологически чистый компонент автомобильного топлива, повышающий октановое число, широко применяют этиловый обезвоженный спирт (биоэтанол), который одновременно снижает концентрации вредных оксида углерода, оксидов азота и летучих углеводородов в отработавших газах автомобилей.

Снижение токсичности отработавших газов можно достичь тремя способами: применением в автомобилях специальных приборов, добавлением к топливу соответствующих присадок, созданием альтернативных видов топлива.

Наиболее экономически выгодным способом для Украины является третий путь, более радикальный — разработка и создание моторных альтернативных топлива.

1

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) После водородного топлива, применение которого связано с особой конструкцией двигателя, наиболее экологически чистым альтернативным видом топлива являются спирты, больше всего обезвоженный этанол (биоэтанол).

Топливо с содержанием биоэтанола можно разделить на три группы: традиционный бензин с содержанием биоэтанола 5-10% об.(Е5-Е10); альтернативное топливо с содержанием биоэтанола от 10 до 50% об.(Е20, ЕЗО, Е40, Е50) и топливо для специальных "бензиновых" двигателей с содержанием биоэтанола более 50% об.(Е85, Е100).

Альтернативное топливо Е20-Е50 в основном используется в автомобилях с универсальными двигателями (flexible-fuel vehicle) FFV - автомобили, работающие как на традиционном бензине, так и на любом виде этанолсодержащего топлива. Но во многих странах, в том числе и в Украине, такой вид топлива применяется в автомобилях со стандартными бензиновыми двигателями. В США максимальная допустимая концентрация биоэтанола в традиционном бензине составляет 20% об. В странах ЕС проводятся исследования по разработке требований и норм топлива Е20-Е30.

Принятие в 2009 г. Закона Украины "Об альтернативных видах топлива" позволило многим компаниям организовать производство и реализацию через сеть АЗС альтернативного топлива Е40, что подтверждает актуальность и практическое применение предлагаемой полезной модели.

Близкой к предложенному решению является топливная композиция для двигателей внутреннего сгорания (Патент на изобретение RU2092527, С1011/18, дата подачи: 28.12.1995), содержащая в своем составе прямогонный бензин (1-10% мае.), смесь стабилизированных термических бензинов и каталитического крекинга, очищенных от сернистых соединений (1-20 мас.%), эфир - МТБЭ (8-15 мас.%) и бензин каталитического риформинга (остальные). Предлагаемую топливную композицию готовят смешиванием компонентов при 40-70°С. Однако применение топливных композиций на основе бензиновых фракций с содержанием эфира МТБЭ ограничивают через канцерогенность последнего.

Также близка к предложенному решению топливная композиция для двигателей внутреннего сгорания (Патент на изобретение UA 65983, МПК C10L 1/10, опубл. 26.12.2011), содержащая в своем составе биоэтанол (27

- 60 % мае.), МТБЭ (3 - 10 % мае.), комплекс многофункциональных присадок и добавок (0,01 - 69,99 % мае.) и бензины нефтегазопереработки

- остальное. Способ получения данной топливной композиции заключается в постадийном смешивании его компонентов при температуре 20-50 °C до получения однородного раствора. Полученная по данному способу композиция топлива альтернативного моторного не удовлетворяет эксплуатацию автомобильных двигателей внутреннего сгорания в различных географических и климатических условиях, содержит канцерогенный МТБЭ и повышенную концентрацию общей серы (120 мг/кг).

Из уровня техники известен способ получения известного альтернативного автомобильного топлива (Патент на изобретение RU2605952 С1, МПК C10L1/06, 2017), который заключается в смешивании этилового спирта с углеводородной фракцией, причем в качестве углеводородной фракции используют базовый углеводородный компонент с октановым числом не меньше 64 ед., определенным по исследовательскому методу, с содержанием серы не более 70 мг/кг, давлением насыщенных паров менее 50,0 кПа и концом кипения не выше 225°С, содержащим бензиновую фракцию процесса гидрокрекинга или смесь бензиновой фракции процесса гидрокрекинга с одной или несколькими фракциями, выбранными из группы: бензиновая фракция каталитического процесса риформинга, толуол, прямогонный бензин. Затем базовый углеводородный компонент смешивают с этиловым спиртом или смесью этилового спирта с побочными продуктами производства этилового спирта. Полученное топливо содержит в своем составе этанол (20-40% мае.), бензиновые фракции гидрокрекинга (22-80% мае.), прямогонный бензин (5-10% мае.), бензиновую фракцию каталитического риформинга (20% мае.), толуол (15 мас.%, монометиланилин (1,3 мас.%), эфироальдегидную фракцию (2,5 мас.%) и сивушное масло (0,5 мас.%). Полученное по данному способу топливо обладает высокой дисперсной структурой и не обладает высокой химической стабильностью.

Кроме того, недостатком полученной композиции является использование прекурсорного толуола и дорогостоящего канцерогенного монометиланилина, применение в автомобильных бензинах которого запрещено европейскими стандартами и директивой.

Ближайшим аналогом выбран способ получения высокооктанового автомобильного топлива (Патент RU2246526C1, МПК С 10L 1/18, опубл. 20.02.2005), включающий смешивание исходного прямогонного бензина или бензина А-76 с этиловой жидкостью, отличающийся тем, что в качестве этиловой жидкости используют этиловый спирт концентрацией 92-96%, смешение бензина и этилового спирта проводят в соотношении 75-85 об.% и 15-25 об.% или 15-25 об.% и 75-85 об.% соответственно. Полученную смесь бензина прототипа нагревают до 40-90°С и выдерживают при этой температуре 20-30 минут. Затем охлаждают и нагревают повторно до этой температуры и выдерживают в течение 10-15 минут. Такой многостадийный способ значительно повышает стоимость производства топлива и может привести к потере низкофракционных фракций бензина. Также, недостатками известного способа является невысокая фазовая стабильность получаемого топлива и ухудшение ее при длительном хранении, особенно в условиях низких температур, недостаточное повышение детонационной стойкости (октанового числа) в реальных эксплуатационных условиях.

Задачей предлагаемой полезной модели является разработка способа получения альтернативного топлива для бензиновых двигателей с более высоким октановым числом, более высокой калорийностью, что обеспечило бы его длительную работоспособность в условиях эксплуатации двигателя.

Технической задачей полезной модели является разработка на основе дешевого и доступного сырья состава высокооктанового альтернативного топлива для двигателей внутреннего сгорания с использованием обезвоженного этилового спирта и нефтегазоконденсатных фракций, обладающего улучшенными антикоррозионными свойствами, высокой химической стабильностью, низким содержанием серы, и не требует особого усовершенствования конструкции современных двигателей, а также способу его получения.

Поставленная задача решается тем, что предложен способ получения топлива альтернативного моторного для бензиновых двигателей, включающий смешивание бензиновых фракций нефтегазопереработки с обезвоженным этиловым спиртом, в котором согласно полезной модели компоненты в соотношении бензиновые фракции нефтегазопереработки 10-85 % мае. и обезвоженный этиловый спирт - остальные смешивают в кавитаторной установке проточного типа с неподвижными элементами, причем подачу компонентов в камеру смешивания осуществляют под давлением 1,4-1, 6 МПа при температуре окружающей среды. Кроме того, смешивание компонентов осуществляют в режиме объемной кавитации с числом кавитации равном единице.

Кроме того, в качестве бензиновых фракций нефтегазопереработки используют высокооктановую бензиновую фракцию в количестве 10-85 мас.%. и/или низкооктановую прямогонную бензиновую фракцию в количестве 15-50 мас.%.

Кроме того, в качестве обезвоженного этилового спирта используют биоэтанол.

Кроме того, при смешивании компонентов используют нейтрализатор кислотности аминного типа в концентрации 6,5-12 мг на кг топлива (0,00065-0,0012 мас.%).

Кроме того, при смешивании компонентов дополнительно используют ксилольную фракцию в количестве 5-10% мае.

Процесс смешивания обезвоженного этилового спирта, бензиновых фракций нефтегазопереработки, ксилольной фракции и ингибитора коррозии совершают согласно действующим нормативным документам.

Основные физико-химические характеристики обезвоженного этилового спирта, бензиновых фракций нефтегазопереработки, ксилольной фракции и ингибитора коррозии для предложенной композиции альтернативного топлива приведены в Таблицах 1 и 2.

Бензиновые фракции характеризуются октановым числом, определенным по опытному методу, в пределах 58,1-96,1 единиц, давлением насыщенных паров от 36,4 до 91,5 кПа, концом кипения 121,3- 215,1°С, содержанием от 3 до 205 мг/кг (0,0003-0,0205% мае.) общей серы и 9,9-71,4% ароматических углеводородов.

Ксилольная фракция характеризуется высоким октановым числом и низкими значениями давления насыщенных паров и серы. Обезвоженный этиловый спирт концентрацией 98,3% содержит 1,0% сивушных масел с эфирно-альдегидной фракцией и 0,3% воды.

Включение в состав предложенного топлива высокооктановых бензиновых фракций и ксилольной фракции позволяет уменьшить долю этилового спирта в топливе и приблизить его к эксплуатационным свойствам к традиционному автомобильному бензину.

Введение нейтрализатора кислотности аминного типа (ингибитора коррозии) в альтернативное топливо улучшает его антикоррозионные свойства, предотвращает окисление этанола, стабилизирует среду pH и химическую стабильность топлива.

Примеры состава предлагаемого альтернативного топлива (образцы 1-8) приведены в таблице 3.

Способ получения предлагаемого альтернативного топлива заключается в компаундировании и растворении его составляющих в потоке при температуре окружающей среды на типичных быстродействующих смешивающих установках (кавитаторах), где осуществляется одновременное смешивание от двух до пяти базовых компонентов с присадками.

Особенностью применения кавитаторов для смешивания составляющих топлива является использование одновременно целого ряда принципов законов физики, а именно:

- эффект Вентури, за счет которого осуществляется четкая дозировка компонентов с последующим их тонкодисперсным растворением;

- закон Бернулли - закон сохранения энергии для жидкостей и газов;

- кавитация - образование в жидкости кавитационных пузырьков, заполненных паром.

Режим объемной кавитации, с числом кавитации равном единице, поддерживается для каждой композиции альтернативного топлива, в зависимости от физико-химических характеристик его компонентов (плотности, давления насыщенных паров, гидростатического давления набегающего потока), путем плавной регулировки оборотов насоса с приводом от двигателя постоянного тока. Предлагаемый способ позволяет получать гомогенное топливо с тончайшей дисперсной структурой, высокой химической стабильностью, температурой помутнения не выше минус 55°С. Топливо, полученное таким способом, не расслаивается в течение 180 суток в разное время года.

Быстродействующие установки смешения, например УСБ, состоят из смесителя (кавитатора), к которому через коллектор монтируется соответствующее количество ротаметров визуального контроля расхода составляющих топлива. Перед каждым ротаметром расположены входные фильтры с соответствующими регулирующими вентилями. На входе и выходе кавитатора встроены манометры для контроля параметров давления.

Один из примеров технология смешивания компонентов альтернативного топлива предлагаемым способом заключается в следующем: базовый компонент, например, обезвоженный этиловый спирт в количестве 40 % мае. с предварительно растворенными в нем 0,0012 % мае. (12 мг на кг топлива) нейтрализатора кислотности аминного типа, насосом установки из резервуара хранения через соответствующий фильтр с регулирующим вентилем и ротаметром подается под давлением 1,4-1, 6 МПа в кавитаторный инжектор.

В кавитаторе создается разрежение, за счет которого через фильтры с регулирующими вентилями и соответствующие ротаметры из резервуаров хранения всасываются 33% мае. высокооктановой бензиновой фракции, 20% мае. прямогонной низкооктановой бензиновой фракции и 7% мае. ксилольной фракции. Далее частично перемешанные и дозированные количества компонентов поступают в кавитатор, где окончательно смешиваются. После окончательного смешивания компонентов полученное альтернативное топливо поступает в резервуар для хранения.

Физико-химические характеристики альтернативного моторного топлива (образцы 1-8), полученные по предложенному способу, приведены в Таблице 4.

Согласно результатам испытаний, образцы 1, 3,4-6, 8 соответствуют требованиям и нормам ДСТУ 8696:2016 “Топливо альтернативное для бензиновых двигателей. Технические условия”. Образцы 2,7 не отвечают требованиям и нормам ДСТУ 8696:2016 по показателям "октановое число". Нормированные значения октановых чисел образцов достигаются за счет ввода соответствующих количеств обезвоженного этанола и высокооктановых бензиновых фракций. Низкое содержание общей серы в образцах 1-6, 8 (не более 10 мг/кг) достигается за счет использования малосернистых бензиновых фракций.

Отсутствие ненасыщенных углеводородов в компонентах топлива альтернативного способствует его высокой химической стабильности (индукционный период более 360 мин.). Температура помутнения (не выше минус 55°С) характеризует его высокую фазовую стабильность.

Введение нейтрализатора кислотности аминного типа в данное топливо позволяет обеспечить его улучшенные антикоррозионные свойства (коррозионное воздействие на медную пластинку составляет не более 1,0 балла).

Более низкая удельная теплота сгорания альтернативного топлива (26,5-31,0 МДж/л) достигнута за счет содержания ароматических углеводородов в высокооктановой бензиновой фракции и введения в композицию ксилольной фракции, обладающих более высокой калорийностью по сравнению с обезвоженным этаном. В качестве примера средняя низкая удельная теплота сгорания традиционного бензина марки А-95-Е10 составляет 31,3 МДж/л.

Следовательно, топливо моторное альтернативное для бензиновых двигателей, полученное предложенным способом, характеризуется высокими октановыми числами, низким содержанием серы и ароматических углеводородов, высокой химической и фазовой стабильностью, улучшенными антикоррозионными свойствами и калорийностью.

Полученное альтернативное топливо должно удовлетворять требованиям и нормам национального стандарта ДСТУ 8696:2016 “Топливо альтернативное для бензиновых двигателей. Технические условия”, гармонизированного со стандартами европейских стран в большей части технических требований и методов контроля автомобильных бензинов с содержанием обезвоженного этилового спирта.

Предлагаемый способ способствует получению топлива альтернативного моторного с высокими фазовой и химической стабильностью в разное время года и температурой помутнения не выше, чем минус 55 °C.

Таблица 1 Таблица 2

Таблица 3 Таблица 4

Результаты испытаний образцов топлива альтернативного