СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АНТИДЕТОНАЦИОННОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ БЕНЗИНА Российский патент 2000 года по МПК G01N33/22 G01N30/02 

Изобретение относится к области исследования топлив с использованием газохроматографического анализа, а именно определения октанового числа (ОЧ) бензина и может быть использовано в нефтеперерабатывающей промышленности для контроля качества моторных бензинов при их производстве на потоке.

Известен способ определения антидетонационной характеристики бензина по моторному и исследовательскому методам с использованием установки типа УИТ-65 (ГОСТ 2084-77). Для определения октанового числа бензина используется одноцилиндровый двигатель с переменной степенью сжатия.

Октановое число исследуемого бензина оценивается сравнением его с эталонными топливами, детонационная стойкость которых известна. В качестве эталонных топлив используется изооктан, детонационная стойкость которого принята за 100 октановых единиц и н-гептан, его октановое число принято за 0. Смеси изооктана с н-гептаном обладают различной детонационной стойкостью, которые характеризуются октановыми числами (О.Ч.), равными объемному содержанию (об. %) изооктана в смеси. Исследовательский метод отражает антидетонационные свойства бензинов при работе двигателя в условиях неполной нагрузки (300 об/мин). Реальная детонационная стойкость бензина в полноразмерном двигателе ближе соответствует октановым числам, определенным по моторному методу (600 об/мин). Разницу в октановых числах, определенных этими двумя методами, называют чувствительностью бензина. Чувствительность бензина связана с его химическим составом. Чем больше в бензине содержится ароматических и непредельных углеводородов, тем выше чувствительность бензина.

Недостаток известного способа заключается в его трудоемкости, длительности, необходимости значительных количеств бензина и нескольких эталонных смесей для проведения определения.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ определения О. Ч. бензина газохроматографическим методом с использованием капиллярной колонки и неподвижной фазы "сквалан" или OV-101 (Российский институт криминалистики Отчет N 253834 Москва 1994 г.). В известном способе О. Ч. бензина определяют по исследовательскому методу. Для чего хроматограмму образца бензина разбивают на 31 группу углеводородов и для каждой группы углеводородов определяют О.Ч. по исследовательскому методу. Последовательность определения О.Ч. по известному способу состоит в следующем:
Определяют углеводородный состав бензина по относительным временам удерживания
Полученную хроматограмму разбивают на 31 группу углеводородов
Определяют О. Ч. по исследовательскому методу для каждой группы углеводородов
Рассчитывают массовое содержание каждой группы углеводородов (мас.%)
С учетом определенной для каждой группы углеводородов О.Ч. вычисляют О. Ч. бензина по уравнению

где a_i - эффективное октановое число;
Y_i - массовое содержание i-группы в бензине.

Недостатком этого способа является невысокая точность, обусловленная усреднением О. Ч. группы углеводородов и отсутствием учета при хроматографическом определении О.Ч. реального поведения углеводородов в двигателе внутреннего сгорания, т.е. реакций окисления углеводородов воздухом и сопряженных реакций промежуточных частиц. Задача изобретения - создание способа, обеспечивающего повышение точности газохроматографического определения антидетонационной характеристики бензина за счет учета взаимного влияния углеводородов в процессе сгорания топлива. Поставленная задача решается предлагаемым способом определения антидетонационной характеристики бензина, включающий газохроматографический анализ его индивидуального состава и определение октановых чисел углеводородов, входящих в состав бензина, в котором согласно изобретению предварительно определяют коэффициенты совместного влияния углеводородов бензина при их взаимодействии с кислородом воздуха, после чего находят октановое число каждого углеводорода, входящего в состав бензина по моторному методу, определяют мольное содержание каждого углеводорода в составе бензина и затем по полученным данным, с учетом найденных коэффициентов совместного влияния, определяют О.Ч. бензина.

Сущность предлагаемого способа состоит в следующем:
- определяют коэффициенты совместного влияния углеводородов бензина при их взаимодействии с кислородом воздуха, для чего определяют октановые числа образцов бензина на установке УИТ-65 и хроматографическим способом и путем статистической обработки полученных результатов рассчитывают коэффициенты, определяющие вклад в значение октановых чисел за счет реакций окисления углеводородов и их взаимного влияния. Коэффициенты k₁ и k₂ соответственно равны 1,09 и 0,6. После чего при помощи газовой хроматографии определяют по относительным временам удерживания индивидуальный углеводородный состав бензина с учетом индексов Ковача.

Индекс удерживания по Ковачу [ Головня Р.В., Гарбузов В.Г., В кн.: Процессы в хроматографических колонках, Вып. 21, М., НИФХИ им. Л.Я.Карпова, 1974, с. 22-25] любого анализируемого вещества (x) какой-либо неподвижной фазой при заданной температуре колонки (t^o) может быть найден линейной интерполяцией логарифмического значения исправленного параметра удерживания (t'_R(x)) между соответствующими значениями исправленных параметров удерживания двух реперных (индексных) н.-алканов:

где N и N+n - число углеродных атомов в молекуле н.-алкана; t'_R(x) - исправленное значение параметра удерживания компонента x; t'_R(N) - исправленное значение параметра удерживания н. -алкана с N углеродных атомов; t'_R(N+n) - исправленное значение параметра удерживания н.-алкана с (N+n) углеродных атомов. Чтобы воспользоваться шкалой индексов Ковача для идентификации углеводородов, необходимо в анализируемый бензин ввести смесь н.-алканов C₅-C₉ и по реперным сигналам рассчитать индексы Ковача для каждого компонента. Затем находим значения октановых чисел по моторному методу для каждого углеводорода, используя данные справочных материалов (М.Г.Рудин, А. Е.Драбкин Краткий справочник нефтепереработчика "Химия" Л. 1980, с. 159).

Определяют мольное содержание каждого углеводорода в составе бензина по формуле

где C_i - мольное содержание i-го компонента, входящего в состав бензина; x_i - содержание i-го компонента, входящего в состав бензина, мас.%; M_j - молекулярная масса i-го компонента.

Для расчета хроматографического состава используют формулу

где S_i - площадь сигнала i-го компонента; n - число компонентов в смеси; x_i - содержание i-го компонента в смеси, мас.%. С учетом октановых чисел, определенных для каждого углеводорода по моторному методу, и с учетом коэффициентов, учитывающих процесс взаимодействия компонентов бензина с кислородом воздуха и их взаимное влияние, определяют антидетонационную характеристику бензина по формуле

где C_i - мольное содержание i-го углеводорода, входящего в состав бензина.

О. Ч._i - значение октанового числа i-го углеводорода, входящего в состав бензина;
Ниже приведены конкретные примеры реализации способа.

Пример 1.

Могут быть использованы газовые хроматографы любых моделей с капиллярными колонками, снабженные встроенным компьютером, например "Хьюлет Паккард" США, "Кембридж GC-95" Великобритания, "Хром" Чехия и др.

Колонка кварцевая, стеклянная длиной 60-100 м. С внутренним диаметром 0,2-0,3 мм. Неподвижная фаза SE-30. Начальная температура термостата колонки 35^oC. Время нахождения пробы при начальной температуре 10 мин. Скорость нагрева термостата колонки 3^oC/мин. Промежуточная температура термостата 95^oC, время нахождения пробы при промежуточной температуре 20 мин. Скорость нагрева термостата второй ступени изотермы 3^oC/мин. Конечная температура термостата 125^oC. Время нахождения пробы при конечной температуре термостата 20 мин. Газ-носитель - азот. Давление на входе в колонку 1,6 ати. Расход водорода 30 мл/мин, расход воздуха 300 мл/мин. Объем пробы 0,3-0,4 мкл. Сброс 1/30.

Анализу подвергали бензиновую фракцию Уренгойского газового конденсата.

Результаты представлены в таблице 1.

Пример 2.

Условия газовой хроматографии аналогичны примеру 1, однако анализу подвергали бензин с О.Ч. по моторному методу, равным 74,7, см. таблицу 2.

Сопоставление значений О.Ч. бензинов, определенных по моторному методу на установке УИТ-65 и по предлагаемому нами способу, приведено в таблице 3.

Способ применим в нефтеперерабатывающей промышленности для контроля качества моторных бензинов при их производстве на потоке. Он включает газохроматографический анализ индивидуального углеводородного состава бензина и определение октановых чисел углеводородов, входящих в его состав, в котором предварительно определяют коэффициенты совместного влияния углеводородов бензина при их взаимодействии с кислородом воздуха, после чего находят октановое число каждого углеводорода, входящего в состав бензина по моторному методу, определяют мольное содержание каждого углеводорода в составе бензина и затем по полученным данным с учетом найденных коэффициентов совместного влияния определяют октановое число бензина. Достигается повышение точности определения октанового числа бензина, при этом относительное отклонение значений октанового числа от результатов по ГОСТ 2084-77 не превышает 2,5%. 3 табл.

Способ определения антидетонационной характеристики бензина, включающий газохроматографический анализ его индивидуального углеводородного состава и определение октановых чисел углеводородов, входящих в состав бензина, отличающийся тем, что предварительно определяют коэффициенты совместного влияния углеводородов бензина при их взаимодействии с кислородом воздуха посредством определения октановых чисел образцов бензина на установке УИТ-65 и хроматографическим методом с последующей статистической обработкой полученных результатов, индивидуальный углеводородный состав бензина определяют по относительным временам удерживания с учетом индексов Ковача, октановые числа определяют по моторному методу для каждого отдельного углеводорода, после чего определяют мольное содержание каждого углеводорода в составе бензина и рассчитывают октановое число бензина из соотношения

где C_i - мольное содержание i-го углеводорода, входящего в состав бензина;
О. Ч_i - значение октанового числа i-го углеводорода, входящего в состав бензина;
K₁ и K₂ - коэффициенты совместного влияния углеводородов бензина при их взаимодействии с кислородом воздуха.