Современные экологические стандарты требуют повышения качества топлива, и одним из ключевых показателей бензина является его детонационная стойкость, оцениваемая октановым числом. Чем выше октановое число, тем устойчивее топливо к детонации — неконтролируемому взрывному сгоранию в двигателе.
Однако экспериментальное определение октановых чисел для каждого углеводорода — трудоемкий процесс. Ученые из Томского политехнического университета разработали методику расчета детонационной стойкости индивидуальных углеводородов с использованием методов квантовой химии, что позволяет точнее прогнозировать качество бензиновых смесей.
Почему важно изучать детонационную стойкость?
Детонация в двигателе приводит к:
- Повышению износа двигателя.
- Увеличению вредных выбросов.
- Снижению эффективности сгорания топлива.
Традиционно октановые числа определяются экспериментально, но данные из разных источников могут значительно различаться. Например, для ароматических углеводородов разброс достигает 13 пунктов, для алканов — до 10 пунктов. Это затрудняет точное прогнозирование свойств топливных смесей.
Как энергия диссоциации связана с детонационной стойкостью?
Детонация в двигателе происходит по цепному механизму, где ключевым этапом является разрыв химических связей в молекулах углеводородов. Чем проще разорвать молекулу, тем выше склонность топлива к детонации.
Ученые предложили оценивать детонационную стойкость через энергию диссоциации — энергию, необходимую для разрыва связи в молекуле. Расчеты проводились с использованием квантово-химических программ Gaussian и Chemcraft на основе метода DFT (Density Functional Theory).
Результаты расчетов
Были рассчитаны энергии диссоциации для н-алканов (пропан, бутан, пентан и др.) и изоалканов (2-метилпентан, 2-метилгексан и др.). На основе этих данных выявлены зависимости:
- Для н-алканов энергия диссоциации снижается с увеличением длины цепи.
- Для изоалканов (разветвленных углеводородов) энергия диссоциации выше, что объясняет их более высокие октановые числа.
На основе этих зависимостей были выведены уравнения для расчета октановых чисел:
- Для н-алканов:
ОЧИ = 2,09Eд − 577,41
ОЧМ = 2,15Eд − 593,36
- Для 2-метилалканов:
ОЧИ = − 0,14Eд2 + 86,78Eд − 13254
Практическое применение
Новая методика была проверена на реальных бензиновых смесях. Оказалось, что расчетные значения октановых чисел ближе к экспериментальным данным, чем традиционные справочные значения. Например:
- Для риформата погрешность снизилась с 6,4 до 0,7 пунктов.
- Для бензина каталитического крекинга — с 4,7 до 0,1.
Это подтверждает, что методика позволяет точнее прогнозировать октановые числа и оптимизировать процесс компаундирования (смешения компонентов бензина).
- Методы квантовой химии позволяют рассчитывать детонационную стойкость углеводородов без дорогостоящих экспериментов.
- Установлены точные зависимости между энергией диссоциации и октановыми числами для разных классов углеводородов.
- Новая методика улучшает точность прогнозирования качества бензиновых смесей, что важно для соответствия экологическим стандартам.
Это исследование открывает новые возможности для оптимизации нефтепереработки и создания более эффективных и экологичных топлив.
Источник: Петрова А.А., Киргина М.В., Иванчина Э.Д., Майлин М.В. Разработка методики расчета детонационной стойкости индивидуальных углеводородов с применением методов квантовой химии // Томский политехнический университет, 2013.
