СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОКТАНОВОГО ЧИСЛА ТОПЛИВА Российский патент 1997 года по МПК G01N21/35 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения октанового числа топлива, например, бензина при его производстве, хранении и контроле.

Известен способ определения октанового числа топлива [1] например, бензина, заключающийся в сравнении анализируемого топлива с эталонным топливом по моторному методу. Способ выполняется в два этапа. Рассмотрим на примере бензина. На первом этапе производится калибровка специального измерительного мотора эталонным бензином с известным (паспортным) октановым числом, в процессе которой происходит постепенное повышение степени его сжатия до появления детонации. На втором этапе операция повторяется, но уже для анализируемого бензина. Октановое число анализируемого бензина определяется по соотношению значений детонационной стойкости эталонного и анализируемого бензина для двух указанных процедур.

К недостаткам данного способа относятся низкая точность измерения и длительное время, необходимое для анализа, а также крайне большая сложность самого процесса измерения и высокая стоимость анализа.

Известен способ определения октанового числа топлива [2] например, бензина путем его окисления. Рассмотрим на примере бензина. Способ заключается в окислении бензина раствором перманганата калия в уксусной кислоте с оценкой их детонационной стойкости по количеству активного кислорода, пошедшего на окисление. Способ имеет сравнительно высокую точность измерения.

Недостатками способа являются:
1. Большое количество используемых реактивов (водный раствор КМnО₄ концентрацией 12,64 г/л, уксусная кислота, йодистый калий, дистиллированная вода, раствор тиосульфита натрия), что обуславливает высокую трудоемкость способа.

2. Длительное время анализа порядка 30 мин.

3. Ограниченный диапазон определения октановых характеристик до 92 пунктов, что недостаточно.

4. Высокая точность измерения достигается за счет многократного повторения операций (согласно способу до 6 раз), что дополнительно увеличивает трудоемкость способа.

Известен способ [3] выбранный за прототип, заключающийся в измерении коэффициентов экстинкции топлива на нескольких длинах волн излучения в ближней инфракрасной области. Рассмотрим способ на примере бензина.

Способ заключается в следующем (выполняется в несколько стадий). На первом этапе:
1. Измеряют коэффициенты экстинкции калибровочных бензинов с известными октановыми числами на нескольких длинах волн излучения в ближнем инфракрасном диапазоне.

2. Составляют уравнение регрессии, аппроксимирующее зависимость октанового числа бензина от параметров, связанных с коэффициентами экстинкции.

На втором этапе:
1. Измеряют коэффициенты экстинкции анализируемого бензина на тех же длинах волн излучения.

2.Подставляют в уравнение регрессии коэффициенты экстинкции и определяют октановое число анализируемого бензина.

Уравнение линейной регрессии имеет вид соотношения (1):
ОКТАНОВОЕ ЧИСЛО = C_o+C₁•Dm1

+C₂•Dm2+...+C_nDmn, (1)
где
ОКТАНОВОЕ ЧИСЛО октановое число анализируемого бензина с номером m;
(C_o C_n) коэффициенты регрессии;
(Dm1-Dmn) коэффициенты экстинкции бензина с номером m для n длин волн излучения.

Данный способ позволяет определять октановые характеристики топлива, например бензина, при составленном уравнении регрессии за сравнительно небольшое время несколько минут.

Недостатком способа является низкая точность измерения октанового числа. Точность определения октанового числа по способу-прототипу имеет значение, например, для неэтилированного бензина 0,3 0,5 пункта, что явно недостаточно.

Технической задачей, решение которой обеспечивается предложенным изобретением, является создание способа определения октанового числа топлива, например бензина, позволяющего повысить точность измерения октанового числа, упростить реализацию способа измерения и снизить стоимость его реализации, обеспечить экспресс-измерения и проведение измерений в полевых условиях.

Способ рассмотрим на примере бензина.

Данная задача осуществляется тем, что для составления уравнения регрессии используют параметры, связанные с коэффициентами экстинкции, представляющими собой разности между коэффициентами экстинкции бензина и их средними значениями для всех калибровочных бензинов. Благодаря этому, значения параметров, связанных с коэффициентами экстинкции бензинов, находятся в пределах узкого диапазона возможных значений, что соответственно повышает точность построения уравнения регрессии и рассчета октанового числа анализируемого бензина.

Данный метод реализуется следующим образом.

1. Измеряют коэффициенты экстинкции калибровочных бензинов с известными (паспортными) октановыми числами на нескольких длинах волн излучения в ближнем инфракрасном диапазоне.

2. Рассчитывают для калибровочных бензинов средние значения коэффициентов экстинкции для каждой из длин волн излучения.

3. Определяют параметры Dmn

связанные с коэффициентами экстинкции данного бензина и средними значениями коэффициентов экстинкции калибровочных бензинов, т.е.

Dmn

= Kmn-Smn, (2)
где
Kmn коэффициент экстинкции калибровочного бензина с номером m на длине волны n;
S_n среднее значение всех коэффициентов экстинкции калибровочных бензинов на длине волны n.

4. Рассчитывают для параметров, связанных с коэффициентами экстинкции калибровочных бензинов, уравнение регрессии, представленное в линейном или нелинейном виде, по стандартным математическим методикам.

Необходимо отметить, что в ходе экспериментальных исследований было установлено, что на практике достаточно часто уравнение линейной регрессии, представленное в виде (1), позволяет достичь вполне удовлетворительных результатов (хотя решение определенных задач может привести к представлению уравнения регрессии в нелинейном виде). Расчет уравнения регрессии приводит к определению коэффициентов Cn регрессии.

5. Измеряют коэффициенты экстинкции анализируемого бензина Kmn

6. Определяют по Kmn параметры, связанные с коэффициентами экстинкции анализируемого бензина Dmn в соответствии с (2).

7. Подставляют параметры, связанные с коэффициентами экстинкции анализируемого бензина Dmn

в уравнение регрессии, представленного в виде выражения (1), и рассчитывают октановое число анализируемого бензина.

Благодаря тому, что все расчеты коэффициентов регрессии и октанового числа анализируемого бензина осуществляются для параметров, связанных с коэффициентами экстинкции, определенных как разность коэффициентов экстинкции бензинов и соответствующих средних значений, все параметры, связанные с коэффициентами экстинкции, имеют один порядок значения и таким образом могут быть рассчитаны с точностью, максимально достижимой одновременно для всех параметров, которая может быть реализована на соответствующей приборной базе.

Способ осуществляется следующим образом.

Берут пробу бензина 50 мл. Для определения коэффициентов экстинкции бензинов в качестве оптического инструмента используют "Инфракрасный Фурье-спектрометр", модель IBS 120, фирма Bruker (ФРГ) и компьютер IBM PC AT-386 в качестве расчетного устройства. Коэффициенты экстинкции измеряют на 15 длинах волн излучения, которые находятся в спектральном диапазоне с коротковолновой границей 860 900 нм и длинноволновой границей 1020 1070 нм (ближний инфракрасный диапазон) для бензинов с известными октановыми числами. Потом рассчитывают их среднее значение, которое получается в виде десятичного числа с плавающей запятой, например, 1,2741. По выражению (3) определяют значения Dmn

Рассчитывают уравнение регрессии, представленное в виде (1). Измеряют коэффициенты экстинкции анализируемого бензина Kmn в следующем виде (например, для бензина с октановым числом, равным 91,5 пункта, определенным по моторному методу): C₀=78,43; C₁=3,82; C₂=-19,23; C₃=-51,79; C₄=-21,12; C₅= -1,64; C₆= 35,79; C₇=498,03; C₈=97,15; C₉=15,83; C₁₀=1,39; C₁₁=-29,33; C₁₂=-87,15; C₁₃=-538,52; C₁₄=-101,71; C₁₅=-43,17; C₁₆=1,02. Используя выражение (3), определяют значения Dmn в виде: -0,15385//-0,02579//-0,02465//-0,07998//-0,16125//-0,199923//-0,21329//-0,21168// -0,18488//-0,15895//-0,13101//-0,1015//-0,12353//-0,14383//-0,16784, которые подставляют в уравнение регрессии (1) и рассчитывают октановое число анализируемого бензина.

Пример конкретного исполнения.

Для проверки предлагаемого способа были взяты 150 типов бензинов с октановыми числами от 75 до 100. Определение октановых чисел проводили как описано выше. Одновременно для тех же образцов были определены октановые числа согласно способу-прототипу. В результате измерения была достигнута точность определения октанового числа топлива на примере указанных типов бензинов, равная 0,15 0,2 пункта, что превышает показатели способа-прототипа в 2 2,5 раза. Время измерения при зтом не превысило одной минуты (на каждое измерение), что вполне соответствует значениям для экспресс-измерения.

Промышленная применимость.

В качестве калибровочных бензинов были использованы порядка 50 бензинов с известными (паспортными) октановыми числами. Оптимальное количество длин волн, на которых осуществляют измерения, составляет порядка 15, которые находятся в спектральном диапазоне с коротковолновой границей 860 900 нм и длиноволновой границей 1020 1070 нм. Измерение оптических данных бензинов осуществлялось на приборе фирмы Bruker "IBS-120", предоставленном Нижегородским Государственным университетом. Бензины были получены из АО "Нижегородскнефтеоргсинтез" ("НОРСИ") и испытаны в Институте химии РАН. Применение сравнительно простой вычислительной машины типа IBS PC (например, АТ-386) или микропроцессора позволяет автоматизировать процесс измерений, при этом время измерения минимально возможное.

Таким образом, способ определения октанового числа топлива (на примере бензинов наиболее распространенных марок) промышленно осуществим и полезен, поскольку превышает показатели способа-прототипа, имеет реальное применение. Аналогично рассмотренному выше обеспечивается определение октановых характеристик таких видов топлив, как автомобильный бензин, авиационный бензин, керосин, легкий газойль, утяжеленный керосин, дизельное, реактивное, ракетное.

Способ имеет высокую точность определения октановых характеристик, составляющих 0,15 0,2 пункта, широкий диапазон определения октановых характеристик (способ позволяет измерять октановые числа, верхняя граница которых значительно превышает 100 пунктов), а также малое время измерения, не превышающее 1 мин (реально около 15-20 с).

Способ может быть использован для измерения октанового числа топлива, например бензина, что позволит создать на его основе измерительную аппаратуру, предназначенную для применения при производстве, хранении и контроле топлива, для экспрессного анализа в исследовательских и заводских лабораториях, а также в полевых условиях, при проведении научно-исследовательских работ и разработке новых марок топлива, например бензина, в том числе в нефтехимической, нефтеперерабатывающей и химической промышленности.

Использование: изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения октановых характеристик топлива, например бензина, что позволит создать на его основе измерительную аппаратуру, предназначенную для применения при производстве, хранении и контроле топлива, для экспрессного анализа в исследовательских и заводских лабораториях, а также в полевых условиях, при проведении научно-исследовательских работ и разработке новых марок топлива, в том числе в нефтехимической, нефтеперерабатывающей и химической отраслях промышленности. Сущность изобретения: измеряют коэффициенты экстинкции калибровочных топлив на нескольких длинах волн в ближнем ИК-диапазоне, рассчитывают их средние значения для каждой длины волны, для составления уравнения регрессии используют разности между коэффициентами экстинкции каждого топлива и средними их значениями, после измерения коэффициентов экстинкции анализируемого топлива на тех же длинах волн определяют разности между ними и средними значениями коэффициентов экстинкции калибровочных топлив, которые подставляют в уравнение регрессии. 2 з.п.ф-лы.

1. Способ определения октанового числа топлива, включающий измерение коэффициентов экстинкции калибровочных топлив с известными октановыми числами на нескольких длинах волн в ближнем инфракрасном диапазоне, составление уравнения регрессии, аппроксимирующее зависимость октанового числа от параметров, связанных с коэффициентами экстинкции, определение коэффициентов регрессии, измерение коэффициентов экстинкции анализируемого топлива на тех же длинах волн и расчет октанового числа по уравнению регрессии, составленному для параметров, связанных с коэффициентами экстинкции анализируемого топлива, отличающийся тем, что после измерения коэффициентов экстинкции калибровочных топлив рассчитывают их средние значения для каждой длины волны, для составления уравнения регрессии используют разности коэффициентов экстинкции каждого топлива и средних их значений, после измерения коэффициентов экстинкции анализируемого топлива определяют разности их и средних значений коэффициентов экстинкции калибровочных топлив, которые подставляют в уравнение регрессии. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что коэффициенты экстинкции топлива определяют более чем на 10 длинах волн излучения. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что коэффициенты экстинкции топлива определяют в диапазоне, значение коротковолновой границы которого составляет 860 900 нм, а значение длинноволновой границы 1020 1070 нм.