Получение автомобильного бензина отвечающего требованиям Евростандарта по содержанию бензола

Введение. Автомобильный транспорт – основной источник выбросов загрязняющих веществ (около 90% общего объема выбросов от всех видов транспортных средств). В последние годы к экологическим свойствам автомобильных бензинов стали предъявлять очень жесткие требования. Применение экологически чистых модифицированных бензинов в автомобилях наряду с совершенствованием конструкции и рабочего процесса двигателей позволит обеспечить минимальное количество токсичных веществ в отработанных газах.

Проблемы качества нефтепродуктов, их производства и соответствия требованиям потребителей возникли на рубеже XIX и XX веков с появлением и развитием двигателей внутреннего сгорания. Одним из основных показателей качества бензинов является содержание в них ароматических соединений, в частности, бензола так как они характеризуют меру опасности для здоровья человека и являются обязательными при проведении сертификации топлив.

За последние 50 лет мировой автопарк увеличился более чем в 12 раз и превысил 980 млн машин. На сегодняшний день отношение автомобилей к количеству людей в мире почти 1:7. В таких развитых странах, как Канада, Германия, Италия, Япония, Франция, Великобритания на 1000 жителей приходится 500 – 700 автомобилей, в США – около 800, в России – около 400.

Ежегодно с выхлопными газами автомобилей выбрасываются миллионы тонн токсичных веществ [1]. В составе отработавших газов автомобильных двигателей содержится более 300 токсичных соединений, около 60% выбрасываемых в атмосферу аэрозолей приходится на долю автотранспорта [2].

Особую опасность для человека представляют частицы токсичных выбросов аэрозолей с радиусом менее 20 мкм, задерживающиеся в атмосфере на длительный срок и попадающие вместе с воздухом в дыхательные пути. При соприкосновении с канцерогенными веществами аэрозольные частицы адсорбируют их на своей поверхности. Канцерогены, попадая внутрь организма, вызывают образование злокачественных опухолей [3].

Путь решения экологической проблемы один – автомобиль должен стать экологически чистым. Важное место отводится здесь качеству бензина и системе нейтрализации выхлопных газов, применение которых позволяет снизить токсичность выхлопных газов.

В связи с этим принимаются меры по снижению вредного воздействия на окружающую среду. Так, в 2000 году Европейский союз ввел ужесточенные спецификации на автомобильное топливо, связанные с программой экологии автотранспорта Евро – 3, с 2005 года введены жесткие нормы по программе Евро – 4. С 2009 года принята также Директива ЕС о введении еще более жестких требований Евро – 5 (табл.1). Требования к экологическим характеристикам топлив в настоящее время воспринимаются как одно из условий присутствия на международном рынке нефтепродуктов.

Таблица 1

Новые требования к качеству бензинов

Показатели	Требования
	Евро-2 1995 г.	Евро-3 2000 г.	Евро-4 2005 г.	Евро-5 2009 г.
Содержание бензола, не более, % (об.)	5,0	1,0	1,0	1,0
Содержание серы, % (масс.)	0,05	0,015	0,005	0,001
Содержание ароматических углеводородов, % (масс.)	–	42	35	35
Содержание олефиновых углеводородов, % (масс.)	–	18	14	14
Содержание кислорода, % (масс.)	–	2,3	2,7	2,7

Фракционный состав, %: до 100°С перегоняется, не менее до 150°С перегоняется, не менее	–	46 75	46 75	46 75
Давление насыщенных паров, кПа, не более	–	лето 70 зима 90	лето 70 зима 90	лето 70 зима 90

В настоящей работе ставилась цель – определение количество бензола в низкокипящих фракциях автомобильного бензина АИ-80.

Объекты и методы исследования. Объектом исследования был местный автомобильный бензин АИ-80.

В работе использован комплекс современных и классических методов исследования, позволяющих определить фракционный состав бензина и индивидуальный состав его фракций, а также фракционной разгонкой отогнаны легкокипящие фракции бензина согласно ГОСТам [46].

Осуществляли перегонку следующим образом: бензин V = 100 мл наливали в цилиндр и начинали греть соблюдая все правила перегонки по ГОСТу.

После установления начала перегонки определяли температуру кипения каждые 10°С.

Для определения индивидуального состава легкокипящих фракций бензина, мы использовали метод газожидкостной хроматографии.

В работе использовался хроматограф «Chrom – 5» производства Чехии с пламенно – ионизационным детектором в изотермическом режиме и с программированием температуры. Колонка стеклянная длиной 2,5 м, с диаметром 3 мм. Газ – носитель гелий со скоростью 20 мл/мин. Скорость диаграммной ленты 0,3-1,5 см/мин. Пробы вводились микрошприцем в количестве 0,2-1,0 мкл.

В качестве полифазного хроматографического сорбента использовалось 5 % SE - 52 на хроматоне N-AW, силанизированный DMCS, фр. 0,20-0,25 мм. Температура колонки в пределах 70-110°С, температура испарителя 200°С.

Результаты и их обсуждение

Повышение содержание ароматических углеводородов в бензине, как правило, ведет к соответствующему увеличению их в выбросах несгоревших углеводородов. Существенно менее отчетливо выражена эта связь с концентрацией канцерогенных полиароматических углеводородов: при увеличении ароматических углеводородов за счет использования толуола в бензине не отмечается увеличения выбросов бензопирена с отработавшими газами двигателя [7].

Одним из однозначно установленных последствий повышения содержания ароматических углеводородов в бензине является увеличение выбросов в окружающую среду бензола [8]. Проведенными исследованиями установлено, что существует линейная зависимость между содержанием бензола в бензине и его концентрацией во всех видах выбросов несгоревших углеводородов: отработавших газах, испарениях из топливной системы; при заправке автомобиля топливом. Для автомобилей, не оборудованных каталитическим нейтрализатором, основным источником выбросов бензола в атмосферу являются отработавшие газы (около 70%), меньшую роль играет поступление с испарениями (20%), в еще меньшей степени влияют потери при заправке (10%).

Экспериментальные оценки показали, что общая эмиссия бензола увеличивается примерно на 2 мг/км на каждый процент увеличения объемного содержания бензола в бензине.

Содержание бензола в отечественных автобензинах не должно превышать 5,0% об.

Содержание бензола в основных компонентах: стабильном катализате риформинга 2,0 – 7,0% об., бензине каталитического крекинга 1,0 – 3,5% об., бензине прямой перегонки 0,5 – 1,5% об. Уменьшить содержание бензола в вырабатываемых автобензинах можно следующими путями:

• 1.    Виделением из бензина каталитического риформинга фракции 60 – 85^оС, содержащей более 20% бензола, с последующим использованием ее для получения бензола. При этом содержание бензола в товарных бензинах уменьшается почти в три раза, а октановая характеристика бензина риформинга после выделения фракции 60 – 85°С повышается на 1 – 1,5 ед.

• 2.    Увеличение доли в составе товарных бензинов высокооктановых компонентов, не содержащих бензол: алкилата, изомеризатов, оксигенатов (спиртов, эфиров и т.д.), а также применение нетоксичных антидетонаторов.

• 3.    Подбор сырья и снижение жесткости процесса риформинга, экстракция, а также селективное гидрирование бензола в циклогексан или алкилирование бензола в алкилароматические углеводороды [9].

5.

Потери

5

2,5

6.

Итого

200

100

Нами проделана в этом аспекте следующая работа.

Согласно поставленной цели нами из бензина АИ-80 путем фракционной разгонки отогнаны низкокипящие фракции, в которых высокое содержание бензола. Данные представлены в табл. 2.

Таблица 2

Материальный баланс разгонки автобензина АИ-80 по фракциям

№	Фракция	Количество
		мл	%, об.
1.	до 80оС	59	29,5
2.	от 80оС до 90оС	18	9
3.	от 90оС до 100оС	25	12,5
4.	Остаток в колбе	93	46,5

Хотя температура кипения бензола 80оС, перегонка проводилась до 100оС, т.к. учитывалась его упругость паров.

Для исследования индивидуального состава низкокипящих фракций бензина с целью определения количественного содержания бензола в каждой полученной фракции использовали метод газожидкостной хроматографии. Полученные результаты приведены в табл. 3. Хроматограммы каждой фракции представлены на рис. 2.

Таблица 3

Содержание бензола в низкокипящих фракциях бензина АИ-80

№	Наименование	Количест во, мл	Количество бензола
			мл	%, об.
1.	Исходный бензин	200	10,4	5,2
	Общая     бензолсодержающая фракция:	102	5,2	5,1
2.	фракция до 80оС	59	4,3	7,2
	фракция от 80оС до 90оС	18	0,7	3,9
	фракция от 90оС до 100оС	25	0,2	0,8

а)                              б)                           в)

Рис. 2. Хроматограммы фракций:

• а ) н.к. – 80^оС, б ) 80 – 90^оС, в ) 90 – 100^оС

Как видно из результатов хроматографического анализа, во фракции до 80оС содержание бензола составляет 7,2% об. Из полученных данных можно сделать следующий вывод: для доведения содержания бензола до норм Европейских спецификаций надо из бензина АИ-80 извлечь фракцию до 80оС.