способ повышения октанового числа бензинов

Формула изобретения

Способ повышения октанового числа бензинов, включающий воздействие на бензин электромагнитного излучения лазера, отличающийся тем, что излучением лазера воздействуют непосредственно на бензин, проходящий с ускорением через рабочую область оптического фильтра, где оно частично отражается от внутренней полупрозрачной и структурированной стенки фильтра, частично пройдя через нее, частично дифрагируя, далее излучение, отразившись от внешней стенки фильтра, попадает на внутреннюю стенку, где оно опять частично отражается, частично проходит и частично дифрагирует, далее это излучение интерферирует с первоначальным отраженным излучением и модулируется в ускоренном потоке бензина.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтеперерабатывающей промышленности и может быть использовано для повышения детонационной стойкости моторных топлив.

Известно, что чем более разветвлена структура углеводородов в бензинах и чем больше в них циклических соединений, тем выше их детонационная стойкость, которую характеризуют октановым числом - сравнением с характеристиками эталонной жидкости, смесью изооктана (2,2,4-триметилпентан) с н-гептаном.

Традиционные способы повышения детонационной стойкости (каталитический риформинг) [1] требуют либо громоздкого и дорогостоящего оборудования, либо наличия присадок, что и определяет повышенную стоимость высокооктановых топлив по сравнению с низкооктановыми.

Известен способ [2] обработки нефти и нефтепродуктов, заключающийся в воздействии на нефтепродукты ультразвуковым полем (частотой ˜1 МГц), мощностью от 0.1 до 150 кВт/см². Такое воздействие создает за счет поглощения тепла в точках повышения давления при распространении волны, зоны повышенной температуры, в которых, в силу меньшей скорости теплопроводности по сравнению со звуковой, может происходить укорочение углеводородных цепочек. Такие изменения в углеводородном составе могут, в принципе, приводить к повышению детонационной стойкости, однако процесс слабо контролируем и, в основном, все же ведет к понижению вязкости нефти и нефтепродуктов. К тому же длительное использование ультразвукового генератора с такой выходной мощностью почти наверняка приведет к выходу из строя сопутствующего оборудования и небезопасно для персонала.

Известен также способ [3] повышения октанового числа прямогонных бензинов, заключающийся в воздействии на бензин с водным раствором спирта ступенчатой кавитацией. Принцип повышения октанового числа аналогичен предыдущему примеру - локальный разогрев, только источником локального повышения температуры является кавитация. Ультразвуковое воздействие на бензин с водным раствором спирта приводит к образованию кавитационных пузырьков, внутри которых, при высоких давлениях и температурах, могут осуществляться пиролитические реакции. Авторы предполагают контролировать процесс изменением ультразвукового поля, однако не приводят данных о результатах такой регуляции, как, впрочем, и о результатах применения такого способа. Способ предполагает довольно громоздкую схему работы, включающую рекуперативные теплообменники, холодильники, эжекторы и сепараторы. Собственно кавитатор представляет ультразвуковой генератор, в котором ультразвук создается за счет сверхвысоких скоростей вращения центробежного насоса со специальными насадками, требующего при эксплуатации особого внимания и мер предосторожности, существенно затрудняющих управление процессом изменения генерации режима кавитации. Ко всему прочему все упомянутые способы требуют значительных энергозатрат на производство единицы продукции, что не ведет к повышению их конкурентноспособности по сравнению с традиционными.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ повышения октанового числа [4], который устраняет вышеуказанные недостатки и направлен на упрощение и ускорение процесса облагораживания бензинов. Способ заключается в воздействии на поток бензина излучением маломощного лазера, которое модулируется первым киральным объектом, затем поток бензина ускоряется перед попаданием в рабочую область второго кирального объекта, в которой бензин подвергается воздействию собственного спонтанного излучения, которое преобразовано вторым киральным объектом на частотах резонансного поглощения бензина, и, попадая обратно в поток бензина, вызывает молекулярную трансформацию углеводородного состава бензина, обеспечивая изомеризацию и увеличивая долю ароматики, повышая тем самым октановое число бензина. Достоинством способа является тот факт, что весь процесс происходит при комнатной температуре. К недостаткам указанного способа можно отнести сложную процедуру приготовления кристаллов, обладающих киральными свойствами в необходимом частотном диапазоне. Например, изготовление квазифрактальной дифракционной решетки, используемой для модуляции исходного излучения, требует сложной программы и высокоточного оборудования, что в результате приводит к большим затратам и может служить препятствием для промышленного внедрения способа. Настройка второго кирального объекта требует высокоточных спектрометрических измерений и также связана с большими издержками при изготовлении.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является упрощение способа повышения октанового числа бензинов при сохранении его быстродействия и качества обработки бензина.

Заявляемый нами способ заключается в обработке низкооктанового бензина автомодулированным лазерным излучением, т.е. протекающий бензин становится рабочим телом и участвует в амплитудной и частотно-фазовой модуляции исходного лазерного излучения. Для этого излучением лазера воздействуют непосредственно на бензин, проходящий с ускорением через рабочую область оптического фильтра, где оно частично отражается от внутренней полупрозрачной и структурированной стенки фильтра, частично пройдя через нее, частично дифрагируя, далее излучение, отразившись от внешней стенки фильтра, попадает на внутреннюю стенку, где оно опять частично отражается, частично проходит и частично дифрагирует, далее это излучение интерферирует с первоначальным отраженным излучением и модулируется в ускоренном потоке бензина.

Суть обработки сводится к участию протекающего через оптический фильтр бензина в амплитудной и частотно-фазовой модуляции исходного лазерного излучения вследствие нелокальной связи между поляризацией и исходными полями, описываемыми уравнениями Минковского [5]:

где D и В - электрическая и магнитная индукции, Е и Н - электрическое и магнитное поля, - диэлектрическая проницаемость, - магнитная проницаемость, v - скорость среды, С - скорость света, а также через эффект Садовского, суть которого в передаче момента вращения связанному молекулярному электрону при поглощении им фотона [6] и, в силу отсутствия локальных симметрии высокого порядка в ближнем окружении углеводородных молекул в бензине, в химической перестройке исходных углеводородов в состояния с повышенной поляризуемостью, а это как раз и есть те состояния углеводородов, которые обладают повышенной детонационной стойкостью

В процессе модуляции излучения бензином происходит химическое преобразование углеводородных молекул бензина.

Инициация процесса преобразования бензина может быть описана следующим образом. В силу не локальности связи поляризации с соответствующим полем отпадает необходимость в использовании фотонных кристаллов с киральными свойствами. Оптический фильтр представляет собой систему двух зеркал, вложенных одна в другую, первая система полупрозрачна и структурирована, аналогично описанной в [7], вторая представляет собой сплошную зеркальную сборку. Лазерное излучение, попадая в систему фильтра, слегка уширяется по частоте в силу слабого межмодового взаимодействия и Допплер-эффекта, модулируя коэффициент экстинкции бензина, в результате спонтанное излучение также окажется промодулированным. Лазерное излучение подается в бензин таким образом, чтобы отраженное излучение как бы наматывалось на протекающий поток, обеспечивая мультипликационный эффект воздействия, что приведет к созданию множества областей реакционной активности по туннельному типу. В результате естественной фильтрации спонтанного излучения оно, попадая обратно в бензин, будет инициировать электронные переходы в пересекающихся электронных термах длинноцепочечных углеводородов, вызывая переходы молекул в состояния, которые будут устойчивы по отношению к данному воздействию. Время воздействия на молекулу углеводорода примерно в 10 ⁶ меньше времени нахождения молекулы в данном окружении углеводородных соседей, т.е. за секунду для каждой молекулы углеводорода в бензине будет предоставляться примерно один миллион вариантов взаимодействия. Таким образом, при мощности лазера в 1 Вт, воздействию могут подвергаться примерно 10³ грамм-молей бензина за секунду, а это примерно 100 кг бензина.

Заявляемый способ, как и прототип, реализуется при комнатной температуре, позволяет отказаться от сложных в реализации компонентов устройства, сократить или вообще отказаться от цикличности процесса при сохранении качества и быстроты обработки. Способ поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена блок-схема способа.

На фиг.1А представлена блок-схема оптического фильтра.

На фиг.2 предстален реперный фрагмент газовой хроматограммы бензина до обработки.

На фиг.3 предстален реперный фрагмент газовой хроматограммы бензина после обработки.

Способ осуществляется следующим образом. Фиг 1: бензин 1 прогоняется по полиэтиленовой трубе 2, проходящей через оптический фильтр, где 3 - внутренняя стенка фильтра, а 5 - наружная стенка, где он подвергается обработке модулированным излучением красного лазера 4 относительно небольшой мощности 1 Вт. Далее обработанный бензин подается в приемный бак, содержащий систему рекуперации (на блок-схеме не обозначена).

На фиг.1А представлена блок-схема оптического фильтра, где 2 - полиэтиленовая трубка, по которой протекает бензин, 3 - внутренняя стенка фильтра, 5 - наружная стенка фильтра, 4 - введенное излучение, 7 - ход лучей внутри фильтра, все лучи, естественно, не показаны, т.к. это привело бы к закрашиванию внутренней полости фильтра.

Способ испытан в лабораторных условиях и подтвердил свою работоспособность.

Пример

Исходным продуктом был прямогонный бензин с тюменских месторождений. На фиг.2 представлен фрагмент газовой хроматограммы доли реперных молекул углеводородов в бензине до обработки. На фиг.3 представлен фрагмент газовой хроматограммы доли реперных молекул углеводородов после обработки. Изменения очевидны. При этом октановое число бензина возросло на 10 единиц: от 64 до 74 по исследовательскому методу.

Способ, по сравнению с прототипом, обеспечивает упрощение процесса повышения октанового числа бензина, позволяя сократить число циклов или вообще отказаться от цикличности и при сохранении быстродействия увеличить эффективность за счет более протяженной длины рабочей области.