Технические науки/5. Энергетика

К.х.н. Романцова С.В., д.т.н. Нагорнов С.А., аспирант Рязанцева И.А.

Всероссийский научно-исследовательский институт использования техники и нефтепродуктов Российской академии сельскохозяйственных наук, Россия

Физико-химические характеристики композитного

биодизельного топлива

Снижение темпов роста добычи нефти и ухудшение экологической обстановки обуславливает необходимость частичной или полной замены нефтяного моторного топлива органическим топливом растительного происхождения. Для дизельного топлива такой заменой могут стать метиловые эфиры растительных масел (МЭРМ или биодизельное топливо).

Основной проблемой широкого применения биодизельного топлива является отличие его физико-химических свойств от аналогичных характеристик нефтяного топлива. Одно из решений проблемы — использование смесевых топлив, получаемых при смешении МЭРМ с нефтяным дизельным топливом. Однако при этом остаются нерешёнными экологические проблемы. Другим способом может быть создание композитного топлива путём добавки к биодизельному топливу предельных эфиров меньшей молекулярной массы.

Для создания композитного топлива можно использовать октиловый и изоамиловый эфиры масляной кислоты, гептиловый и нониловый эфиры валериановой кислоты, нониловый эфир капроновой кислоты.

Спирты, используемые для синтеза предельных компонентов композитного топлива можно получить при перегонке сивушных масел – отходов, образующихся при синтезе этилового спирта методом брожения.

Масляную кислоту можно получить из крахмала, сахара, глицерина при бактериальных процессах брожения. Валериановая кислота образуется наряду с другими жирными кислотами при окислении стеариновой кислоты и касторового масла; капроновая кислота – при маслянокислом брожении сахара.

В таблице приводятся значения физико-химических характеристик нефтяного дизельного топлива (ДТ), биодизельного топлива из рапсового масла (МЭРМ) и композитного топлива (КТ), состоящего из 50 % (об.) биодизельного топлива и 50 % (об.) смеси синтетических эфиров.

Как видно из полученных данных, композитное топливо, в большей степени, чем биодизельное топливо, соответствует товарному нефтяному летнему дизельному топливу по большинству параметров.

Таблица 1 – Физико-химические характеристики различных видов топлива

№	Наименование показателя	ДТ	МЭРМ	Композитное топливо
1.	Плотность при 20 °С, кг/м^3	820-860	883	864
2.	Кинематическая вязкость при 20 °С, мм^2/с	1,8-6,0	7,44	4,1
3.	Цетановое число	не менее 45	52	53
4.	Температура, °С: Вспышки Помутнения Застывания	35-80 -1...-10 -10... -20	161 0 - 8	60 - 9 - 21
5.	Фракционный состав, °С начало кипения 50 % 96 % конец кипения	170-200 270-280 320-360 360-380	320 348 342 342	172 279 320 340
6.	Кислотное число, мг КОН/г	не более 0,2 мг КОН/100см^3	0,50	0,22
7.	Зольность, %	не более 0,01	0,014	0,006

При этом сохраняется присущее биодизельному топливу высокое цетановое число, обеспечивающее более мягкую работу двигателя. Это позволяет использовать композитное топливо в существующих дизельных двигателях без дополнительной адаптации.

При работе двигателя на композитном топливе снижается дымность отработанных газов и содержание в них углеводородов и оксида углерода (II).

Исследованы физико-химические характеристики биодизельных топлив, полученных из разных растительных масел, и композитного топлива.

Зависимость плотности метиловых эфиров растительных масел от температуры носит линейный характер. Такая же зависимость характерна и для растительных масел. Абсолютные значения плотности для биодизельного и композитного топлива, несколько отличаются, так как несколько отличается их состав, но угол наклона линий тренда практически одинаков. Зависимость плотности нефтяного дизельного топлива от температуры также представляет собой прямую линию с несколько большим углом наклона линии тренда (r = -t + 846).

Рисунок 1. Экспериментальные зависимости плотности биотоплив и композитного топлива КТ 3 от температуры

Рисунок 2. Экспериментальные зависимости кинематической вязкости биотоплив и композитного топлива КТ 3 от температуры

Для описания зависимости кинематической вязкости как биодизельного, так и композитного топлива от температуры наиболее приемлема экспоненциальная функция. Та же зависимость характерна и для растительных масел. Однако соответствующую зависимость для товарного нефтяного дизельного топлива наилучшим образом отражает степенная функция. Таким образом, вязкостно-температурные свойства биодизельного и композитного топлив ближе к зависимостям, характерным для растительных масел, чем для нефтяного дизтоплива. Это связано с тем, что растительные масла, получаемые из них биотоплива и композитное топливо относятся к одному и тому же классу органических соединений – сложным эфирам, в то время как в состав дизельных топлив преимущественно входят предельные и непредельные углеводороды.

На кривых зависимости вязкости биодизельного топлива в аррениусовских координатах чётко виден перегиб при 303 К, что свидетельствует об его различной коллоидной структуре до и после этой температуры. Перегибы на графике для композитного топлива отсутствуют, это можно объяснить тем, что добавление предельных алифатических эфиров меньшей молекулярной массы стабилизирует коллоидную структуру топлива.

На рисунке 3 экспериментальные данные представлены в координатах вязкость – плотность, что даёт наглядное представление о существовании корреляционной зависимости между этими теплофизическими характеристиками для композитного и биодизельного топлива.

Рисунок 3. Регрессионные зависимости для биодизельного топлива

Наличие регрессионных зависимостей позволяет определять характеристики биодизельного и композитного топлива при различных температурах.