Преимущества биодизельного топлива (метиловых эфиров растительных масел, МЭРМ) перед нефтяным хорошо известны.
Во-первых, биодизельное топливо обладает лучшими экологическими характеристиками:
– оно практически не содержит серы и ароматических углеводородов;
– за счёт атомов кислорода, содержащихся в молекулах биодизельного топлива, достигается более полное сгорание топлива, т.е. происходит значительное уменьшение количества несгоревших углеводородов и сажи в отработанных газах; в т.ч. практически отсутствуют канцерогенные углеводороды ароматического ряда, например бенз-a-пирен.
Во-вторых, биодизельное топливо более безопасно при хранении и транспортировке, поскольку обладает высокой температурой вспышки и легко разлагается микроорганизмами при попадании в почву.
Ещё одно преимущество биодизельного топлива – высокие смазывающие свойства и цетановое число, что улучшает его эксплуатационные характеристики.
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.
Нами предлагается другой способ – 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/м3 |
820-860 |
883 |
864 |
| 2. |
Кинематическая вязкость при 20 °С, мм2/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/100см3 |
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 (рис. 1) носит линейный характер. Такая же зависимость характерна и для растительных масел.
Рисунок 1. Экспериментальные зависимости плотности биотоплив и композитного топлива КТ 3 от температуры
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 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.