БИОТОПЛИВНАЯ КОМПОЗИЦИЯ Российский патент 2015 года по МПК C10L1/18 C10L1/04 C10L1/185 C10L1/10 

Настоящее изобретение относится к дизельным топливам и может быть использовано в народном хозяйстве в качестве моторного топлива, эквивалентного по физико-химическим характеристикам нефтяному моторному топливу.

Состояние области техники

Используемые в настоящее время топлива для дизельных двигателей главным образом содержат компоненты из сырой нефти. Существует потребность в высококачественной топливной композиции для дизельных двигателей, содержащей компоненты биологического происхождения и также отвечающей требованиям к качеству дизельных топлив при работе в условиях любых температур. Более того, топливо должно быть экологически безопасным. В настоящий момент наиболее распространенным компонентом биологического происхождения в топливах является метиловый эфир рапсового масла, обозначаемый как РМЭ (RU 2393209). РМЭ используется или как таковой или в смеси с другими топливами. Недостатками РМЭ являются его плохая смешиваемость с дизельными топливами, и в сравнении с обычным дизельным топливом (EN 590), в особенности при низких температурах, его плохая стабильность при хранении и плохая характеристика при низких температурах. Более того, это приводит к загрязнению двигателя и увеличивает выделение оксидов азота (NO_x). Побочным продуктом получения РМЭ является глицерин, который может стать проблемой, если производится большое количество продукта. Подобным образом могут производиться эфиры других растительных масел и метиловые эфиры жирных кислот, общеизвестные как МЭЖК (метиловый эфир жирной кислоты). Такие МЭЖК могут быть использованы для таких же применений, как и метиловый эфир рапсового масла, но они также оказывают отрицательное влияние на качество дизельного топлива, в особенности в отношении его характеристики при низких температурах, и, кроме того, их применение в топливах увеличивает выбросы оксидов азота. В некоторых случаях МЭЖК и РМЭ вызывают более высокий выброс частиц и образование дыма при холодном запуске двигателя.

В заявке WO 2001012581 описывается способ получения метиловых сложных эфиров, используемых в качестве биологического дизельного топлива, по которому смеси жирных кислот и триглицеридов этерифицируют в одной фазе. По данному способу образуется раствор из жирных кислот, триглицеридов, спирта, кислотного катализатора и совместных растворителей при температуре ниже температуры кипения раствора. Совместный растворитель используют в количествах, обеспечивающих одну фазу, затем раствор выдерживают в течение времени, достаточного для того, чтобы произошла катализируемая кислотой этерификация жирных кислот. После этого кислотный катализатор нейтрализуют, добавляют щелочной катализатор для переэтерификации триглицеридов и, наконец, эфиры выделяют из раствора. Таким образом получают содержащее эфиры биотопливо, имеющее содержание глицерина по меньшей мере 0,4 мас.%.

Недостатком является сложность и многостадийность процесса и высокая себестоимость продуктов.

Известно, что дизельные топлива на основе нефтяных фракций и газового конденсата для увеличения цетанового числа содержат в своем составе присадки, являющиеся ускорителями воспламенения, например органические нитраты (Патент США 4473378, C10L 1/22, 1984 г.).

Однако эти присадки не обеспечивают улучшения пусковых свойств летнего ассортимента дизельных топлив при отрицательных температурах. При этом выхлоп содержит большое количество оксидов азота. Добавление к топливам кислородсодержащих соединений в виде спиртов и простых эфиров хорошо зарекомендовало себя на практике.

В WO 81/00721 описана топливная смесь, модифицированная добавлением спиртов, воды, простых эфиров и растительного масла. Цель применения подобных простых эфиров глицерина состоит в устранении гидрофильности, снижении температуры кипения до диапазона, в котором лежит диаграмма кипения топливного компонента, и снижении плотности при сохранении цетанового числа.

Недостаток таких простых эфиров глицерина состоит в том, что при их получении образуется смесь, содержащая максимум 11% триэфира. Остальное количество приходится на моно- и диэфиры, которые из-за все еще присутствующих гидроксильных групп частично не растворимы в отдельных топливных компонентах.

Известно нефтяное дизельное топливо, содержащее в качестве присадки в мас.%: алкил (C₃-C₁₈)нитрат 75-90, антикоррозионный компонент 5-15, углеводородную фракцию, выкипающую в интервале 120-270°C, до 100 (Пат. РФ 2355732). Однако дизельное топливо включает дорогостоящие компоненты, что увеличивает себестоимость, многокомпонентность увеличивает выделение окислов азота.

Наиболее близкой к заявленному изобретению является работа, описанная в статье И.Ш. Хуснутдинова и др. (Химия и химическая технология, 2009, том 52, вып.11, стр.119) «Исследование 1.1 диэтоксиэтана, как компонента дизельного топлива».

В данной работе исследованы композиции 1.1 диэтоксиэтана с дизельным топливом и рапсовым маслом и определены их основные эксплуатационные показатели в сравнении с требованиями ГОСТа 305-82 на дизельное топливо.

Недостатком данного решения является низкое цетановое число 1.1 диэтоксиэтана и композиций на его основе, которое не превышает 46 пунктов, что не соответствует требованиям нового ГОСТа Р53605-2009 (ЕН 14214:2003).

Задачей изобретения является разработка топливной композиции, содержащей биодобавку к нефтяному дизельному топливу, обладающей высоким цетановым числом, которая наряду с улучшением низкотемпературных и пусковых свойств дизельного топлива препятствует протеканию коррозии, используется без переделки двигателя, обладает экологичным выхлопом при значительном снижении себестоимости за счет применения компонентов, в частности присадки, на основе недорогих многотоннажных доступных продуктов, обеспеченных отечественными сырьевыми ресурсами, в том числе возобновляемыми. Техническим результатом изобретения является получение биотопливной композиции повышенного качества, более устойчивой к процессам окисления, полимеризации и т.д. Позволит достичь температуру вспышки ниже +55°C, а это приведет к снижению плотности, вязкости топлива, а также к снижению температуры застывания до -50°C, позволит получить биотопливо с высоким цетановым числом, с низкой себестоимостью и высоким выходом продукта, соответствующей действующему ГОСТу, а также высокая технологичность производства, широкая сырьевая база.

Использование биотопливной композиции приводит к повышению эффективности процесса горения при эксплуатации двигателя, увеличению мощности двигателя и уменьшению времени разгона. Кроме того, этот продукт может быть использован для уменьшения вредных выбросов из двигателя, улучшения характеристики текучести на холоду и повышения цетанового числа.

Указанный эффект достигается тем, что биотопливная композиция представляет смесь нефтяного дизельного топлива (98-60 об.%) и биодобавки (2-40 об.%), которая, в свою очередь, состоит из диэтилформаля 35-40 об.%, а остальное глицериды ненасыщенных жирных кислот. В качестве глицеридов используют любые растительные масла.

Краткое изложение сущности.

Известно, что Дизель испытывал свой двигатель на растительном масле. Но растительное масло обладает высокой вязкостью, высокой температурой застывания, поэтому в мире в основном используют метиловые эфиры масел. На долю процесса переэтерификации масел приходится до 30% затрат и при этом используется щелочь и образуются побочные продукты.

При совместном использовании (простое смешение) диэтилформаля и глицеридов ненасыщенных жирных кислот улучшаются 11 показателей Евростандарта EN 14214 для биодизеля. Диэтилформаль - биотопливо, может быть легко получен из биоэтанола и биогаза - возобновляемых источников энергии известными способами конденсации этанола и формальдегида (Химик.ru. Химическая энциклопедия), а формальдегид из метана, через метанол (ru.wikipedia.org. Метанол, формальдегид).

Использование диэтилформаля в смеси с глицеридами ненасыщенных жирных кислот, к качестве которых используются растительные масла, в количестве 35-40 об.% позволяет получить биотопливо с высоким цетановым числом, его характеристики соответствуют Российскому стандарту ГОСТ Р53605-2009, Европейскому стандарту EN 14214-2003, стандарту США ASTMD 6751. При этом исключается необходимость в переэтерификации масел метанолом, на долю которой приходится до 30% затрат и исключается необходимость утилизации побочных продуктов - глицерина и отходов щелочного катализатора (Маркетинговое исследование рынка биотоплива; биоэтанол и биодизель, 18 мая 2012 г. Reseach Techart, стр. 54). Более полное использование растительного, возобновляемого сырья, благоприятно сказывается на экологии в целом.

Важным параметром для биодизеля является срок годности, он очень небольшой и ограничен высоким йодным числом, количеством непредельных соединений в маслах. При разбавлении масел диэтилформалем йодное число снижается и биотопливо становится более устойчивым к процессам окисления, полимеризации и т.д.

Смешение компонентов проводили при комнатной температуре, а анализы в соответствии с ГОСТ в сертифицированной лаборатории. Метиловые эфиры растительных масел получены согласно стандартной методике в сопоставимых условиях.

Влияние концентрации ДЭФ в смеси с растительными маслами на плотность, вязкость и йодное число биодизельных композиций представлено в таблице 1.

Таблица 1 Компонент Плотность г/см³, при 20°C Вязкость сСт, при 40°C Йодное число, гJ/100 г 1 2 3 4 Масло кукурузное 0,917 35,51 118,68 Масло льняное 0,921 30,62 138,91 Масло рапсовое 0,916 37,62 107,12 Масло подсолнечное 0,918 31,66 130,43 Масло пальмовое густое густое 47,76 Метиловый эфир рапсового масла 0,891 8,68 105,7 Метиловый эфир подсолнечного масла 0,906 13,69 131,6 Метиловый эфир пальмового масла 0,885 9,12 42,6

30% ДЭФ + масло кукурузное 0,897 6,75 85,68 30% ДЭФ + масло льняное 0,901 6,50 98,49 30% ДЭФ + масло рапсовое 0,894 7,55 76,06 30% ДЭФ + масло подсолнечное 0,899 6,2 82,47 30% ДЭФ + масло пальмовое густое 6,83 33,64 35% ДЭФ + масло подсолнечное соотв. 5,26 соотв. 35% ДЭФ + масло льняное - 5,6 - 35% ДЭФ + масло кукурузное - 5,7 - 35% ДЭФ + масло рапсовое - 5,17 - 40% ДЭФ + масло подсолнечное соотв. 4,28 соотв. 40% ДЭФ + масло льняное - 4,36 - 40% ДЭФ + масло кукурузное - 4,68 - 40% ДЭФ + масло пальмовое - 4,46 -

Выводы.

1. При концентрации диэтилформаля 30 об.% и растительных масел 70 об.%, показатели по вязкости не удовлетворяют стандарту, но все удовлетворяют по пункту йодное число и, кроме пальмового и льняного масла, удовлетворяют показателю по плотности (0,900).

2. При концентрации диэтилформаля 35% и 65% растительного масла, все показатели соответствуют американскому стандарту ASTMD 6751, но по показателю вязкости (5,0) не соответствуют EN 14214 - Евростандарту и Российскому ГОСТу Р53605-2009.

3. При концентрации диэтилформаля 40% и растительного масла 60%, все показатели соответствуют мировым стандартам. В таблице 2 дано сравнение метилового эфира, смеси ДЭФ и масла по цетановому числу смеси биодизельного и дизельного топлива.

Таблица 2 № образца Состав композиции Цетановое число, пункт 1 Дизельное топливо + 20% (рапсовое масло + 40% ДЭФ) 54,0 2 Дизельное топливо + 30% (рапсовое масло + 40% ДЭФ) 54,0 3 Дизельное топливо + 40% (рапсовое масло + 40% ДЭФ) 54,0 4 Дизельное топливо + 20% рапсовый дизель 53,8 5 Дизельное топливо + 20% (пальмовое масло + 40% ДЭФ) 54,0 6 Дизельное топливо + 20% пальмовый дизель 53,0 7 Дизельное топливо + 20% (подсолнечное масло + 40% ДЭФ) 53,8 8 Дизельное топливо + 20% подсолнечный дизель 53,0

Выводы.

Всегда в наших экспериментах смесь масла и диэтилформаля, цетановое число чуть выше, чем у метилового эфира данного масла. Значение это не существенно, но позволят утверждать, что проводить переэтерификацию масел метанолом экономически нецелесообразно, т.к. на долю затрат приходится до 30% стоимости и при этом образуются побочные продукты - глицерин и щелочь, требующие утилизации.

Изобретение относится к биотопливной композиции, основанной на нефтяном продукте, содержащей биодобавку на основе ацеталей и растительных масел, при этом композиция представляет собой смесь нефтяного дизельного топлива 98-60 об.% с биодобавкой 2-40 об.%, где в качестве биодобавки используют диэтилформаль 35-40 об.%, остальное глицериды ненасыщенных жирных кислот. Техническим результатом изобретения является получение биотопливной композиции повышенного качества, более устойчивой к процессам окисления и полимеризации, с низкой себестоимостью и высоким выходом продукта. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Биотопливная композиция на нефтяном продукте, содержащая биодобавку на основе ацеталей и растительных масел, отличающаяся тем, что она представляет смесь нефтяного дизельного топлива 98-60 об.% и биодобавки 2-40 об.%, в качестве биодобавки используют диэтилформаль 35-40 об.%, остальное глицериды ненасыщенных жирных кислот.

2. Биотопливная композиция на нефтяном продукте по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве глицеридов ненасыщенных жирных кислот используют любые растительные масла.