Μελέτη της οξειδωτικής σταθερότητας και της λιπαντικής ικανότητας υδρογονανθράκων του ντήζελ

Abstract

Για πολλά χρόνια, η λιπαντική ικανότητα του καυσίμου ντήζελ ήταν επαρκής για να παρέχει την προστασία που απαιτείται ώστε να διατηρηθεί η φθορά των κινούμενων μερών του συστήματος τροφοδοσίας του καυσίμου σε αποδεκτό σημείο και να υπάρχει ικανοποιητική λειτουργία ολόκληρου του συστήματος. Όμως οι μεταβολές (1993 και μετά) που επήλθαν στη σύνθεση του καυσίμου ντήζελ ως προς τη μείωση της περιεκτικότητάς του σε θείο, πολικές και αρωματικές ενώσεις (αποθείωση-υδρογονοκατεργασία), προκάλεσαν ακούσια την αφαίρεση ορισμένων από τις ενώσεις που βελτιώνουν τη λιπαντική του ικανότητα. Η χαμηλή αυτή λιπαντική ικανότητα του ντήζελ οδήγησε σε αστοχίες τόσο στο σύστημα έγχυσης όσο και στις αντλίες καυσίμου. Επομένως, η βελτίωση της λιπαντικής ικανότητας του καυσίμου αποτέλεσε βασικό αντικείμενο έρευνας για τα επόμενα χρόνια. Συγκεκριμένα, η πιο οικονομικά αποδοτική μέθοδος για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος, αποτελεί η χρήση προσθέτων στο καύσιμο ντήζελ. Σήμερα, προτιμάται η προσθήκη βιοντήζελ, καθώς εξασφαλίζει ένα προφίλ ανανεώσιμου είδους καυσίμου. Όμως, το νέο αυτό είδος καυσίμου είναι πιο ευαίσθητο ως προς την οξειδωτική του σταθερότητα, ενώ δε λείπουν οι εναποθέσεις στους κινητήρες. Στην παρούσα διπλωματική εργασία τέθηκε ως αρχικός στόχος η μελέτη συγκεκριμένων χαρακτηριστικών καθαρών υδρογονανθράκων, που αποτελούν συστατικά του καυσίμου ντήζελ, και πιο συγκεκριμένα ως προς τη λιπαντική τους ικανότητα και την οξειδωτική τους σταθερότητα. Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε η σύνθεση και μελέτη πρότυπων μοντέλων καυσίμου ντήζελ ως προς την οξειδωτική τους σταθερότητα και τη λιπαντική ικανότητά τους. Με τη δημιουργία μοντέλων διαφόρων αναλογιών διευρύνθηκε η γνώση ως προς τον τρόπο επιρροής των μεμονωμένων ενώσεων στη λιπαντική συμπεριφορά του καυσίμου. Η πειραματική διαδικασία της παρούσας διπλωματικής εργασίας χωρίζεται σε δύο στάδια. Στο πρώτο στάδιο επιλέχθηκαν τα προς μελέτη αντιδραστήρια, τα οποία εξετάστηκαν ως προς τη λιπαντική τους ικανότητα, την πυκνότητα, το ιξώδες. Στη συνέχεια, τα αντιδραστήρια οξειδώθηκαν ενώ ακολούθησε μία νέα σειρά μετρήσεων της οξειδωτικής σταθερότητας, του ιξώδους και της πυκνότητας. Στο δεύτερο στάδιο, με βάση τα εξαγόμενα αποτελέσματα από το πρώτο στάδιο και τη βιβλιογραφία, επιλέχθηκαν ορισμένα από τα αντιδραστήρια, από τα οποία παρασκευάστηκαν 8 μοντέλα καυσίμου ντήζελ σε διάφορες αναλογίες συστατικών. Έπειτα, μελετήθηκαν τα μοντέλα αυτά ως προς τη λιπαντική τους ικανότητα, το ιξώδες, την πυκνότητα και την οξειδωτική τους σταθερότητα. Τέλος, ακολούθησε, μια νέα σειρά μετρήσεων, της λιπαντικής ικανότητας, του ιξώδους και της πυκνότητας πάνω στα οξειδωμένα μοντέλα του προηγούμενου βήματος. Συμπερασματικά, η λιπαντική ικανότητα των ενώσεων εξαρτάται από το μήκος της αλυσίδας και από το είδος των δεσμών μεταξύ των υδρογονανθράκων. Επιπρόσθετα, οι διακυμάνσεις στον χρόνο οξείδωσης των ενώσεων οφείλεται κατά κύριο λόγο στη χημική δομή του μορίου τους και τη διάταξη της αλυσίδας. Συγκεκριμένα, στα μοντέλα καυσίμου ντήζελ που παρασκευάστηκαν, η αναλογία των κορεσμένων υδρογονανθράκων αυξάνεται σταδιακά έναντι των αρωματικών που μειώνεται, ενώ αντίστοιχα αυξάνεται η διάμετρος φθοράς της σφαίρας δοκιμής. Επομένως, οι αρωματικές ενώσεις αποτελούν ενώσεις που βελτιώνουν τη λιπαντική ικανότητα του μείγματος ντήζελ σε σύγκριση με τις παραφίνες. Επίσης οι ενώσεις των αλκυλοβενζολίων συμβάλλουν στη λιπαντικότητα του καυσίμου σε μεγαλύτερο βαθμό σε σχέση με αυτόν της τετραλίνης. Τέλος παρατηρήθηκε βελτίωση στη λιπαντική ικανότητα των οξειδωμένων μοντέλων που παρασκευάστηκαν, η οποία οφείλεται στην οξείδωση που επήλθε, με τη προσθήκη ατόμων οξυγόνου στις ενώσεις.

For many years, lubricity of diesel fuel was sufficient providing the adequate protection in order to restrict the wear of the fuel supply system moving parts. But the alterations (1993 onwards) which have been made to the diesel fuel composition for the reduction of the sulfur content, polar and aromatic compounds (hydrotreating – desulfurization) downgraded the lubricating ability. This low diesel lubricity led to failures at both injection systems and fuel pumps. Therefore, the fuel lubricity improvement has long been an indispensable issue of research. It is known that the most cost-effective method for dealing with this problem is the use of additives. Currently the addition of biodiesel is the most prevalent solution, as it depicts the renewable fuel profile. However, this new type of fuel has inferior oxidative stability, while it provokes deposits to the engines. The scope of the specific diploma thesis, is to study specific characteristics of some pure diesel hydrocarbons, and especially the lubricity and the oxidative stability. For this reason, the synthesis of some diesel fuel models was carried out in order to examine the above mentioned properties. By creating models of varied ratios, we acquired more information about how each individual compound influences the fuel lubricity. The experimental procedure of this thesis is divided into two stages. The first stage involves the selection of the pure hydrocarbons and the examination of their lubricity, density and viscosity. Then the hydrocarbons were oxidized, followed by a new measurement series of these three properties. The second stage was based on the obtained results, which in conjunction with the literature led to the selection of some specific pure hydrocarbons to be utilized as raw materials for the preparation of eight diesel fuel models. Each model was consisted of different proportion of these ingredients. These models were studied for their lubricity, viscosity, density and oxidative stability. After that, they were oxidized and a new set of measurements was applied. In conclusion, the lubricating ability of the pure compounds depends on the chain length and the type of the chemical bonds between carbon atoms. In addition, the fluctuations at the oxidation time are strongly related to the molecule chemical structure and the chain construction. Specifically, at the diesel fuel models, the proportion of the saturated hydrocarbons was gradually increased whereas the aromatics percentage was decreased. During this alteration, it was observed that the diameter of the ball wear scar was increasing. Therefore, aromatic compounds contribute to the enhancement of the diesel fuel lubricity in contrast to paraffins. Also, it was seen that alkylbenzenes upgrade lubricity more intensely than tetralin do. Finally, there was an improvement at the lubricity of the oxidized models, which can attributed to the oxidation process that includes the addition of oxygen atoms in the chemical structure of the compounds.