Многофункциональная присадка к автомобильным бензинам

Изобретение относится к способу получения многофункциональной присадки к автомобильным бензинам на основе оснований Манниха, полученных взаимодействием алкильных производных гидроксиароматических соединений, полиоксиметилена - параформа и соединения, содержащего аминогруппу. В качестве алкильных производных используют алкилфенолы с молекулярной массой 320-370. В качестве соединения, содержащего аминогруппу, используют полиэтиленполиамины формулы: NH₂(CH₂CH₂NH)_nH, где n=6-7. Присадку к автомобильным бензинам применяют с целью придания им моющих, антиокислительных, антиобледенительных и других свойств, а также для улучшения экологических характеристик. 1 з.п. ф-лы, 5 табл.

 

Изобретение относится к нефтепереработке, нефтехимии и автомобильной промышленности, в частности к способам получения присадки к автомобильным бензинам для придания им моющих, антиокислительных, антиобледенительных и других свойств, а также для улучшения экологических характеристик.

С целью улучшения эксплуатационных и экологических свойств бензинов за рубежом выпускаются и широко используются многофункциональные присадки, такие как Keropur 3430, Adibis-5007, Hitec-6430, SAP-9500 и другие. Использование этих присадок необходимо для уменьшения отложений в системе подачи топлива в камеру сгорания, улучшения эксплуатационных характеристик бензинов и снижения токсичности отработавших газов автомобилей. Недостатками этих присадок являются многокомпонентность, дефицитность сырья, сложная технология получения отдельных компонентов и, как следствие, высокая стоимость.

С целью улучшения эксплуатационных и экологических свойств бензинов разработана присадка Паливин - продукт конденсации технических алкилсалициловых кислот и диэтилентриамина [А.М.Данилов. Применение присадок в топливах для автомобилей. - М.: Химия, 2000. - С.119-120].

Наиболее близкой к предлагаемой присадке является способ получения многофункциональной присадки к автомобильным бензинам на основе продуктов взаимодействия технических алкилсалициловых кислот (ТАСК) и полиэтиленполиаминов формулы (Патент РФ 2288943, C10L, 1/22,10.12.2006):

NH₂(CH₂CH₂NH)_nH, где n=1-7,

взятых в мольном соотношении полиэтиленполиамины:ТАСК, равном от 1:1 до 1:3, в расчете на алкилсалициловые кислоты, и органического растворителя, в качестве органического растворителя содержит нефтяные масла или их смеси с кинематической вязкостью не более 25 мм²/с при 100°С и температурой застывания не выше минус 15°С, синтетические масла или их смеси, полиэфирамины или их смеси.

Соотношение компонентов, мас.%:

Продукты взаимодействия полиэтиленполиаминов

с техническими алкилсалициловыми кислотами	40-60
органический растворитель	до 100

В качестве органического растворителя используются:

- индустриальные масла И-5А, И-8А, И-12А, И-20А (ГОСТ 20799); или трансформаторные масла ГК (ТУ 38.1011025) или ВГ (ТУ 38.401978); или моторные масла МС-14, МС-20 (ГОСТ 21743), а также другие углеводородные масла с кинематической вязкостью не более 25 мм²/с при 100°С и температурой застывания не выше минус 15°С;

- синтетические полиальфаолефиновые масла ПАОМ - 4, 5, 6 (ТУ 38.4011093-2003), или диоктилсебацинат ДОС (ТУ 6-06-11-88);

- полиэфирамины, в частности полиоксипропилендиамины ДА (ТУ 6-02-2-971-88);

- или смеси перечисленных продуктов.

ТАСК содержат от 10 до 30 углеродных атомов и состоят в основном из алкилсалициловых кислот 50-60% и алкилфенолов 30-40%. Такой состав ТАСК определяется обратимостью реакций при их производстве по методу Кольбе - Шмидта.

В результате взаимодействия указанных реагентов в зависимости от их мольного соотношения получаются моноамиды и диамиды полиэтиленполиаминов и ТАСК.

Присадка добавляется в углеводородные топлива в концентрации 0,01-0,15 мас.%, предпочтительно 0,03-0,06 мас.%.

Присадку предлагаемого состава получают смешением при температуре 25°С полиэтиленполиамина с раствором ТАСК в прямогонной бензиновой фракции в мольном соотношении от 1:1 до 1:2 с последующим подъемом температуры до 140-160°С и выдержкой при этой температуре до полного удаления воды, выделяющейся в результате реакции. После окончания процесса и отгонки бензиновой фракции активное вещество присадки при перемешивании растворяется в перечисленных выше растворителях.

Недостатками предложенной присадки является сложность в ее получении и недостаточно высокая эффективность действия. Технология получения активного вещества присадки отличается сложностью и малой селективностью. Причина этого заключается в том, что ТАСК лишь на 50-60% состоят из алкилсалициловых кислот, способных вступать во взаимодействие с полиэтиленполиаминами. Алкилфенолы и примеси в реакцию с полиэтиленполиаминами не вступают, а сами по себе моющим действием не обладают, являясь балластом, имеющим, тем не менее, весьма высокую себестоимость, более чем в полтора раза повышающую цену присадки. Невысокая моющая активность присадки согласно прототипу обусловлена, во-первых, тем, что сами по себе амиды и диамиды алкилсалициловых кислот не обладают достаточно большой моющей активностью даже в карбюраторах, и практически не обладают способностью смывания отложений на клапанах. Во-вторых, концентрация активного вещества в присадке невелика. Процесс получения моющей присадки на базе полиэтиленполиаминов и ТАСК согласно прототипу более сложен и менее селективен, чем получение присадки из алкилфенолов и тех же полиэтиленполиаминов. По прототипу процесс трехстадийный: сначала проводится взаимодействие алкилфенолов с двуокисью углерода с образованием ТАСК, затем реакция ТАСК с полиэтиленполиаминами, после чего производится смешение с компонентом-растворителем. Согласно предлагаемому способу, синтез присадки протекает в одну стадию. Далее, выход алкилсалициловых кислот на исходные алкилфенолы не превышает 50-60% несмотря на повышенное давления в реакторе, что определяется обратимостью реакции Кольбе - Шмидта. Напротив, согласно изобретению, отвод воды, образующейся при реакции синтеза основания Манниха обеспечивает практически количественный выход присадки.

Задачей настоящего изобретения является создание на основе доступного нефтехимического сырья способа получения многофункциональной присадки к автомобильным бензинам, которая, обладая антиокислительными, антикоррозионными, антиобледенительными и другими свойствами, обеспечивает высокую эффективность моющего действия и тем самым улучшает эксплуатационные и экологические характеристики топлива, снижая содержание токсичных веществ в отработавших газах автомобилей.

Поставленная задача решается тем, что способ получения многофункциональной присадки к автомобильным бензинам на основе продуктов взаимодействия алкильных производных гидроксиароматических соединений и полиэтиленполиаминов формулы:

NH₂(CH₂CH₂NH)_nH, где n=менее 7,

представляет собой синтез основания Манниха, получаемого взаимодействием указанных соединений, и дополнительного реагента - полиоксиметилена (параформа).

В качестве алкильных производных гидроксиароматических соединений используются н-алкил(С₁₆-С₁₈)фенолы с линейной неразветвленной цепочечной структурой алкильного радикала с молекулярной массой 320-370.

Были синтезированы образцы присадки на основе алкилфенолов, полиэтиленполиаминов и параформа. Условия проведения процесса, соотношения реагентов и свойства полученных продуктов приведены в таблице 1.

Пример 1. Синтез проводили в двугорлой круглодонной колбе, снабженной обогревателем, обратным холодильником и ловушкой Дина-Старка. Загрузка исходных реагентов производилась одновременно, в мольном соотношении диэтилентриамин:алкилфенол:параформ 1,0:1,9:2,1. Синтез проводили в среде азеотропообразующего растворителя - бензола, что обеспечивало отвод азеотропной смеси растворителя и образовавшейся в ходе реакции воды. Загрузка бензола составляла 50% мас. от загрузки исходных реагентов. Контроль над реакцией осуществляли по количеству выделившейся в ходе реакции воды.

Синтезы следующих образцов по таблице 1 проводили по вышеприведенной методике.

Результаты табл.1 свидетельствуют о том, что длительность процесса взаимодействия ПЭПА при синтезе оснований Манниха (примеры 10-12), значительно меньше, чем других аминных компонентов (в среднем в примера 1-3 ок. 3,9-4,2 ч, прим. 10-12 2,9-3,2 ч), что связано в большим наличием аминогрупп в ПЭПА. Кроме того, как видно из табл.1, продукты, полученные на базе ПЭПА(примеры 10-12), в 1,5-2, раза имеют большее щелочное число и содержание азота по сравнению с продуктами, полученными согласно примерам 1-9 этой таблицы. Эти показатели являются важнейшими для моющих присадок как к маслам, так и к топливам. Высокое щелочное число свидетельствует о наличии в молекулах групп со щелочной функцией, что приводит к нейтрализации кислот в топливе, и тем самым уменьшается коррозия. Более высокое содержание аминогрупп (азота) препятствует образованию радикалов и протеканию нежелательных реакций с их участием. В результате этого, наибольшая эффективность моющего и антикоррозионного действия продуктов, синтезированных на базе ПЭПА, проявляется как при хранении бензина в баках, так и по эффекту сохранения чистоты карбюратора и впускных клапанов.

Исследование эффективности моющего действия представленных образцов, также как и образцов, приготовленных согласно прототипу, осуществлялось на установке УИТ-65 по методике, включенной в комплекс методов квалификационной оценки (КМКО) автомобильных бензинов.

Оценка эффективности моющего действия синтезированных продуктов проводилась по среднему уровню загрязнения контрольной поверхности при заданном режиме чередования процессов накопления и смыва отложений, так называемому интегральному показателю моющих свойств - А_с (%);

Интегральный показатель А_с является комплексным показателем для сравнения присадок. Чем меньше значения А_с, тем большей эффективностью моющего действия обладает присадка.

Синтезированные образцы моющей присадки на основе ТАСК и ДЭТА (№№5, 8 прототипа), ТЭПА (№№2, прототипа), ТЭТА (№№3 прототипа) и ПЭПА (№№10 прототипа), а также синтезированные образцы оснований Манниха испытаны на предмет определения эффективности моющего действия по методике СТО АНН 40488460-001-2004 в ОАО "ВНИИНП". Результаты таких испытаний позволяют наиболее объективно подойти к установлению оптимальной структуры активного вещества присадки.

Объектом опытных испытаний являлись композиции автомобильных бензинов АИ-92 ЭК по ТУ 38.401-58-171-96 с изм. 1-6 Московского НПЗ с образцами моющих присадок. Каждый опытный образец топлива с одной из присадок готовился в лабораторных условиях. Присадка вводилась в бензин в концентрации 800 мг/кг (0,08% мас.) и подмешивалась до полного растворения. Испытания проводили на полноразмерном четырехцилиндровом двигателе (модель ВА3-2101) по методике с целью оценки наличия положительного функционального эффекта от добавления присадки по эффекту сохранения чистоты карбюратора и впускных клапанов. Функциональные свойства присадок и побочный эффект от ее вовлечения в состав автомобильного бензина в определенной степени зависят как от условий работы двигателя в целом, так и от условий работы каждого из клапанов. Контрольные показатели оценки, предусмотренные в методике испытаний опытных образцов бензинов по СТО АНН 40488460-001-2004, приведены в таблице. При этом необходимо иметь в виду, что метод испытания моющих свойств носит сопоставительный характер. Результаты, полученные на топливе с присадкой, соотносятся с результатами испытания чистого топлива без присадки.

Результаты исследования моющего действия образцов приведены в таблице 2.

Из приведенных данных видно, что диамиды полиэтиленполиаминов и ТАСК показали высокую эффективность по очистке карбюратора (показатель Ас). При этом они проявляют более низкую моющую эффективность по сравнению с основаниями Манниха как по очистке карбюратора, так и на клапанах по методике СТО АНН 40488460-001-2004.

Антикоррозионные свойства синтезированных продуктов оценивались по модифицированному методу ASTM D665, заключающемуся в контакте специальным образом подготовленного стального стержня (Ст.3, ГОСТ 380-85) с водно-топливной эмульсией в течение 4 часов при температуре 38°С.

Для сравнения эффективности действия образцов в качестве эталонного топлива использовалась смесь искусственного топлива (ИТ), состоящего из изооктана (80 об.%.) и толуола (20 об.%), с 10 об.% этанола и в качестве водной фазы - искусственная «морская» вода, содержащая набор неорганических солей в соответствии с указанным стандартом. Соотношение топливо:водная фаза составляло 10:1 по объему.

Таблица 2
Составы согласно прототипа	Рабочая концентрация присадки, % мас.	Обобщенный показатель моющих свойств, Ас	Масса отложений на впускных клапанах, мг/клапан	Масса нагара в камере сгорания, мг/цилиндр	Уровень загрязнения карбюратора, балл
	Примеры согласно прототипу
АИ-92 ЭК	-	5,7	115	1144	-
1.	0,025	2,1	-	-	-
2.	0,04	2,2	100	1476	9,4
3.	0,01	2,4	110	1325	9,5
4.	0,03	2,4		-	-
5.	0,06	2,0	95	1580	9,5
6.	0,06	2,3	-	-	-
7.	0,05	2,2	-	-	-
8.	0,15	1,9	85	1650	9,5
9.	0,01	2,5	-	-	-
10.	0,03	2,5	101	1550	9,3
	Примеры согласно предлагаемому изобретению
Составы согласно таблице №1 настоящей заявки
1	-	-	25	1180	9,7
2	-	-	18	1215	9,7
3	-	-	65	1374	9,6
4	-	-	56	1305	9,6
5	-	-	28	1205	9,7
6	-	-	70	1436	9,6
7	-	-	55	1211	9,6
8	-	-	44	1048	9,6
9	-	-	53	1103	9,6
10	-	-	65	1355	9,6
11	-	-	61	1280	9,6
12	-	-	74	1505	9,6

Коррозионную активность испытуемого топлива оценивали визуально по чистоте стержня в баллах в соответствии с таблицей 3.

Таблица 3
Изменения на поверхности стержня	Значение	Степень коррозии
Отсутствуют следы коррозии в виде пятен и точек	Отсутствие	0
Не более шести темных точек и пятен диаметром не более 1 мм каждое	Следы	1
Пятна и потускнения занимают не более 5% поверхности	Умеренная	2
Коррозии подвержено более 5% поверхности	Сильная	3

Антиокислительные свойства синтезированных соединений исследовали по величине индукционного периода базового бензина их содержащего по ГОСТ 4039 и методу ускоренного старения бензина с определением растворимых и нерастворимых высокомолекулярных продуктов окисления (фактических смол) по ГОСТ 22054. В качестве базового бензина использовали смесь 70 об.%. бензина прямой гонки и 30 об.% бензина термического крекинга.

Антиобледенительные свойства оценивали по изопропиловому эквиваленту, который равняется содержанию изопропилового спирта в модельном топливе в процентах, при котором наблюдается такая же скорость обледенения, что и в случае испытуемого образца. В качестве модельного топлива использовали смесь, состоящую из 80% н-пентана и 20% толуола.

Результаты исследований приведены в таблице 4.

Таблица 4
Функциональные свойства синтезированных образцов (концентрация 0,05 мас.%)
Примеры (составы по таблице 1)	Степень коррозии в морской воде, баллы	Антиокислительные свойства	Изопропиловый эквивалент, % (при норме - не менее 1,0)
Индукционный период по ГОСТ 4039, мин	Концентрация фактических смол по ГОСТ 22054, мг/100 см3
Примеры согласно прототипу (нумерация прототипа сохранена)
1	1	605	2,0	1,4
2	2	590	2,6	1,2
Примеры (составы по таблице 1)	Степень коррозии в морской воде, баллы	Антиокислительные свойства	Изопропиловый эквивалент, % (при норме - не менее 1,0)
Индукционный период по ГОСТ 4039, мин	Концентрация фактических смол по ГОСТ 22054, мг/100 см3
3	1	612	2,2	1,5
4	2	580	2,6	1,4
5	1	625	2,0	1,6
Б	2	580	2,5	1,3
7	1	610	2,1	1,5
8	2	615	1,9	1,5
9	1	595	2,5	1,4
10	2	625	2,3	1,5
Примеры согласно предлагаемому изобретению
1	1	615	1,8	1,5
2	0	618	1,7	1,6
3	1	610	1,9	1,4
4	1	620	1,9	1,5
5	1	625	1,8	1,5
6	1	610	2,0	1,4
7	1	620	1,9	1,5
8	0	630	1,9	1,6
9	1	625	2,0	1,5
10	1	630	2,1	1,4
11	0	635	2,0	1,5
12	1	625	2,2	1,4

Введение предлагаемой присадки в концентрации до 0,15 мас.%. не оказывает отрицательного влияния на физико-химические и эксплуатационные свойства автомобильных бензинов. При этом проверке подвергались показатели качества бензина, наиболее чувствительные к наличию поверхностно-активных веществ. Результаты представлены в таблице 5.

1. Способ получения многофункциональной присадки к автомобильным бензинам на основе оснований Манниха, полученных взаимодействием алкильных производных гидроксиароматических соединений, полиоксиметилена - параформа и соединения, содержащего аминогруппу, отличающийся тем, что в качестве алкильных производных используют алкилфенолы с молекулярной массой 320-370.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве соединения, содержащего аминогруппу, используют полиэтиленполиамины формулы:
NH₂(CH₂CH₂NH)_nH, где n=6-7.