Тетраэтилсвинец
Когда
химики разобрались в причинах детонации, стало
ясно что есть два метода борьбы с ней. Можно
изменить углеводородный состав бензина, но это
сложно и дорого. А можно искать какие-то добавки,
разрушающие перекиси. Ввести в состав топлива
антидетонаторы, например тетраэтилсвинец,
намного проще.
Тетраэтилсвинец (C2H5)4Pb
— металлорганическое
соединение, которое хорошо растворяется в
углеводородах нефти. Уже при температурах 200—250
°С это вещество распадается на свинец и четыре
этильных радикала С2Н5. Все составляющие способствуют либо
замедлению образования взрывоопасных частиц,
либо их быстрому распаду.
Однако применять тетраэтилсвинец в
чистом виде нельзя. Образующийся металлический
свинец осаждается в виде нагара на стенках
цилиндра, поршня и вскоре делает работу
двигателя невозможной. Поэтому тетраэтилсвинец
на практике смешивают с различными
алкилгалогенидами. В условиях высокой
температуры они разлагаются и образуют со
свинцом летучие соли, которые удаляются из
двигателя вместе с
выхлопными газами.
Этилирование оказалось весьма
эффективным методом борьбы с детонацией. Добавка
буквально долей процента этиловой жидкости в
бензин позволяет увеличить его октановое число
на 5—10 пунктов. Но, к сожалению, и свинец, и
тетраэтилсвинец в особенности—очень ядовиты.
Попадая на кожу, они фильтруются в кровь. И
человек может тяжело заболеть. А свинцовые
соединения, удаляющиеся из двигателя с
выхлопными газами, оседают на почве и
придорожной растительности. Даже в шерсти
городских собак содержание свинца повышено.
Поэтому, начиная с 60-х годов нашего
века, во всем мире вводят все более жесткие
ограничения на этилирование горючего. В СССР, к
примеру, действовал один из самых жестких
нормативов — не более 0,41 г этиловой жидкости на
литр бензина. Кроме того,
есть на территории нашей страны районы, где
применение этилированных бензинов вообще
запрещено. Это Москва, Санкт-Петербург, курортные
зоны Черноморского побережья... И постепенно круг
запрещений все расширяется.
Но не все так плохо. В следующих
номерах рассылки посмотрим, как можно увеличить
октановое число прямо него бензина без
этилирования.
Метил-трет-бутиловый
эфир
Стоп! А кто сказал, что высокооктановым
компонентом должен быть обязательно бензин,
прямогонный или с установок вторичной
переработки? Отнюдь нет! Давно известно, что
двигатели внутреннего сгорания прекрасно
работают, например, на низших спиртах, а метанол
уже применялся как автомобильное топливо. Вот
уже более пятнадцати лет в США заправляют
автомобили смесью бензина и этанола
(синтетического или ферментативного) и
называется это новое топливо gasohol (гэзохол)—гибрид от слова gasoline (бензин) и alcohol
(спирт). Не отстают и в Западной Европе. Итальянцы
построили установку, на которой получают из
оксида углерода и водорода смесь спиртов от C1 до С5 и
добавляют эту присадку в автомобильные бензины
для повышения их октанового числа.
Но самым эффективным средством
оказался метил-трет-бутиловый эфир
(2-метил-2-метоксипропан) (CH3)3COCH3. Во всем мире его теперь называют
МТБЭ. Это соединение уникальное во всех
отношениях, и иначе как подарком судьбы его не
назовешь.
Известно, что практически все низшие
кислородсодержащие соединения имеют высокое
октановое число—до 100 ИОЧ. А вот у МТБЭ октановое
число смешения доходит до 135 ИОЧ, в зависимости от
углеводородного состава бензина, к которому
добавляется МТБЭ.
Метанол CH3OH и C2H5OH этанол
прекрасно растворяются в бензине, имеют неплохие
октановые числа смешения, но растворимы и в воде.
А поскольку в товарных бензинах всегда есть вода,
то спирт будет переходить в водную фазу и с ней
отслаиваться. В резервуарах при хранении он
окажется внизу. Чтобы этого не происходило
требуется добавка гомогенизатора, например
изобутилового спирта C4H9OH, а это уже дороже. С МТБЭ этой
проблемы нет, он растворим только в бензине.
Низшие спирты имеют значительно более
низкую, чем бензин теплоту сгорания. Это значит,
что запас топлива в баке автомобиля должен быть
увеличен либо чаще надо терять время на заправку.
МТБЭ имеет равную с бензином топливную
характеристику. Мало того, наличие в нем
кислорода существенно улучшает процесс сгорания
топлива в цилиндрах, повышая экономичность
двигателя и снижая содержание в выхлопе
продуктов неполного сгорания.
Технология производства МТБЭ
чрезвычайно проста. Его получают в одну стадию,
присоединяя метиловый спирт CH3OH к изобутилену (2-метилпропену) C4H8. При этом не требуется ни высоких
температур, ни высоких давлений. Реакцию
осуществляют на специальном катализаторе (чаще
всего это ионообменные смолы) с высокой
селективностью и почти полной конверсией за
проход. Более того, в качестве сырья чаще всего
используют не чистый изобутилен, а фракцию С4 каталитического крекинга или
пиролиза, в которой кроме изобутилена
присутствуют и н-бутилены (1- и 2-бутены) C4H8. Селективность образования МТБЭ
такова, что из смеси углеводородов в реакцию
вступает только изобутилен. Тем самым синтез
МТБЭ одновременно служит и процессом разделения
фракции С4.
Непрореагировавшие н-бутилены служат наряду
с МТБЭ товарной продукцией установки.
Казалось бы, все хорошо. Но если мы даже
все ресурсы фракции С4
крекинга и пиролиза направим на синтез МТБЭ, то
все равно потребность в нем удовлетворена не
будет. Необходим новый мощный источник сырья для
производства МТБЭ. Им должен стать бутан C4H10, получаемый на нефте- и
газоперерабатывающих заводах. Предполагаемая
принципиальная схема синтеза МТБЭ такова. Бутан
подвергается изомеризации. Получаемая смесь
изомеров подается на дегидрирование, а затем—на
синтез МТБЭ. Там из нее удаляется изобутилен.
Оставшаяся бутен-бутановая фракция может быть
направлена на извлечение н-бутиленов или на
любой другой синтез, в котором она сегодня
традиционно участвует: алкилирование,
производство бутадиена втop-бутанола и др.
Остается добавить, что первые опытные
партии МТБЭ появились в Италии в 1973 году, а
сегодня производство МТБЭ исчисляется в мире
миллионами тонн. Подсчитано, что наиболее
экономично добавлять в бензин 5—12% МТБЭ.
Однако кроме сложностей с сырьевой
базой для производства МТБЭ еще одно соображение
не позволяет пока отказаться этилирования. С
точки зрения затрат этиловая жидкость вне
конкуренции: она, правда, в 4—5 раз дороже МТБЭ, но
для достижения равного эффекта в бензин ее
добавляют в 100— 200 раз меньше—не проценты, а доли
процента. Нужны новые решения, повышающие
эффективность использования МТБЭ и подобных ему
добавок.
Сейчас такое решение прорисовывается.
Давно известно, что процесс сгорания топлива в
цилиндрах существенно зависит от режима работы
двигателя. При форсированных режимах, когда
автомобиль идет в гору или резко разгоняется,
опасность детонация возрастает. В стабильном же
режиме характер горения меняется, повышается его
равномерность. В зависимости от нагрузки
изменяется и режим карбюрации, смешения топлива
с воздухом, а также режим подачи топливной смеси
в двигатель и распределения ее по цилиндрам.
Естественно, изменяются и расход топлива, и
полнота его сгорания.
Однако когда речь идет о борьбе с
детонацией, то имеют в виду форсированные режимы,
при которых опасность детонации особенно велика.
А правильно ли это, если более 80% топлива сгорает
во время стабильной работы двигателя, когда
вовсе не нужны высокие антидетонационные
характеристики и можно обойтись низкооктановым
бензином? Не забиваем ли мы гвозди скрипкой? Так
родилась мысль о разделении топлива на два бака:
один поменьше, для высокооктановой добавки, а
другой побольше, для обычного низкооктанового
бензина. Весь вопрос в дозировке, в подаче этих
потоков в соотношении, точно соответствующем
характеру работы двигателя в данный момент.
Понятно, что и дозировка, и карбюрация должны в
таком двигателе регулироваться с точностью
ювелирной. Эту заботу могут взять на себя
современные микропроцессоры в сочетании с ЭВМ.
Такие бортовые компьютеры уже демонстрировались
в рабочем виде на многих автомобильных салонах.
Но до сих пор они применялись
на однотопливных автомобилях. Теперь очередь за
двухтопливными.
Появились первые ласточки. Такой
двухтопливный автомобиль (кстати, “Волга”) уже
эксплуатируется в Киеве. Результаты уже первых
испытаний позволили исследователям поставить
вопрос о форсировании
разработок. Будем надеяться, что это направление
окажется наиболее эффективным в борьбе с
этилированием.
Будет ошибкой думать, что
двухтопливные двигатели сами по себе решат все
проблемы. Расчеты показывают, что нужда в
традиционных методах повышения октанового числа
не отпадает, просто может быть относительно
снижен объем их применения.
Развитие вторичных процессов, создание новых
эффективных присадок, внедрение двухтопливных
двигателей карбюраторного типа—все это пути
снижения и затем полного отказа от этилирования.
Однако многие специалисты видят иной
радикальный способ решения проблем
высокооктановых топлив — это снижение доли в
автомобильном транспорте за счет дизелизации.