Разработка технологии получения стабильных композиционных топлив из углерода

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice

УДК 621.436.982+628.1.033                         

Природные источники предельных (насыщенных) углеводородов широко распространены. Газообразные, жидкие и твердые углеводороды, в большинстве случаев встречающиеся не в виде чистых соединений, а в виде различных, иногда очень сложных смесей. Это природные газы, нефть и горный воск [1].

Все углеводороды нерастворимы в воде, плотность у них меньше единицы. Свойства жидких углеводородов легко представить себе, вспомнив о бензине и керосине, которые является смесью углеводородов, из них твердых углеводородов более высокой молекулярной массы состоит парафин [2].

Материал и методы исследования

Обычно в процессе фракционной перегонке получают три основные фракции:

• 1.    фракция, собираемая до 150 °С, фракция бензинов. Содержит углероды и число атомов углерода от 5 до 12; С 5 Н 12 .

• 2.    фракция, собираемая от 150°С до 300 °С, и после очистки дающая керосин. Содержит углеводороды от С 6 Н 20 до С 16 Н 38 .

• 3.    фракция — остаток нефти, называемый мазутом. Содержит углеводороды с большим числом (до многих десятков) атомов углерода — от С 16 Н 38 .

Для разделение нефти применяются крекинг-процесс (расщепление и очистка).

Впервые крекинг нефти в промышленных условиях осуществил русский ученый В. Г. Шухов. Крекинг обычно ведут при давлении 2,0–2,5 МПа (20–25 атм.) и при температуре до 425 °С, в последние время — в присутствии катализаторов (например, гидросликат алюминия), увеличивающих выход и улучшающих качество бензина [1, 3].

Основываясь на способности углеродных атомов связываются друг с другом с образованием углеродных цепей и учитывая при этом четырех валентность углерода, можно написать следующую общую формулу для неразветвленных цепи, в состав которой входят только углерод и водород:

н Ч

HHH

с - с - C

HHH

H

C

H

n

H

С n H 2n+2 — это общая формула гомологического ряда предельных (насыщенных) углеводородов, называемых также парафинами. В ряду предельных углеводородов первые четыре (до С 5 Н 12 ) — газы (метан, этан, пропан, бутан), далее с С 5 Н 12 до С 17 Н 36 — жидкости (бензин, керосин, мазут), с С 18 Н 38 — твердые (парафины) вещества с постепенно возрастающей точкой плавления.

Все углеводороды нерастворимы в воде, плотность у них меньше единицы [4–5]. Свойства жидких углеводородов легко представить себе, вспомнив о бензине и керосине, которые является смесью углеводородов, из них твердых углеводородов более высокой молекулярной массы состоит парафин [2–3].

У предельных углеводородов свободные радикалы заняты и заполнены водородом. Поэтому все непредельные углеводороды с водой не соединяются [6–8]. Чтобы получить нужные соединения необходимы физические и физикомеханические действия чтобы разщеплять и образовывать свободные радикалы, например: температура, давление и т. д. [9– 10]

Эмульсия представляет собой, так называемую гомогенную дисперсионную систему, которая состоит из двух несмешивающихся жидкостей. Ее внешний вид не имеет практический никаких отличий от обычной однородной жидкости.

Имеются четыре вида эмульсии: 1 — обратные, 2 — прямые, 3 — лиофильные, 4 — лиофобные.

Бензин является лиофобной эмульсией. Для лиофобных эмульсий не свойственная термодинамическая устойчивость, поэтому они не могут образовываться самостоятельно.

Эмульсию того или иного типа можно получить двумя способами: образование пленки или дробление капельки [4].

В работе используется четвертый вид, где на поверхности дисперсной среды образовывается тонкая пленка из жидкости, которая не смешивается с ней, затем ее разрывают многочисленные пузырьки воздуха.

Чтобы определить предельности бензина сделаем следующий эксперимент, с применением сильных окислителей:

1 У С'Н„ +H.SO .           5    12        2

4 → отрицательно;

В пробирку наливаем 2 мл бензина, 0,5 мл концентрированной серной кислоты, сильно нагреваем (охлаждаем), цвет бензина не изменяются.

2 У СН +KMnO4 + Na.CO .           5    12                 4           2

3 → отрицательно;

В пробирку наливаем 2 мл бензина, 2 мл соды и несколько капель перманганата калия и сильно экстрагируем, цвет бензина — не изменяются т. е. окислительный процесс не происходит. Чтобы получить устойчивое композиционное топливо и его можно было эффективно сжигать, используем специальный самодельный аппарат (Рисунок).

Рисунок. Аппарат для приготовления и сжигание композиционных топлив: 1 — компрессор, 2 — емкость для КТ, 3 — монометр, 4 — форсунка, 5 — нихромовая спираль, 6 — кран, 7 — двигатель, 8 — миксер.

В специальный аппарат (Рисунок) наливаем 2,49 л воды, добавляем 1 г перманганата калия. Образуется розово-фиолетовый раствор, перманганат калий — сильный окислитель, т. е. обогащает содержание кислорода в воде, сверху наливаем 2,5 л бензина, октановое число бензина — 93. Герметично закрываем крышку. С помощью миксера (кавитатора) смешиваем до получении однородной суспензии.

Результаты и обсуждение

Полученный устойчивый КТ состоит из следующего состава:

50% У СН(ббензин ) + 1% KMnO₄ + 49,9% H₂O ( обыкн.вода ) .

Для успешного горения КТ нужно либо предварительно нагреть его до температуры испарения — примерно 300 °С градусов Цельсия, или обогатить углеродные пары воздухом и мелко распылить в сжигающую зону. Подогреть КТ до таких температур можно с помощью мощных ТЭНов, но это увеличит затраты на электроэнергию. На аппарата, при помощи компрессора подаем воздух до 3 кг/см2, с выхода аэрозоля расположим нихромовая спираль, температура которого достигающего 500 °С, открываем форсунку, выделяется газообразная композиционная дисперсная смесь — аэрозоль (туман) на спираль нагреватель-сжигатель — происходит моментальное горение.

Заключение

Разработана технология для получения стабильное композиционное топлива, состоящая из 50% бензина, 49% воды, 1% перманганата калия для сжигания в теплоэнергетике.

Разработан специальный аппарат для приготовления и сжигания композиционных топлив, со спиралью нагреватель-сжигатель.

Определено что в процессе горении, перманганат калий повышает кислородный баланс раствора.