Absorption of gasoline vapors in automobile adsorber with a carbon filter

Abstract


Modification of the component composition of gasoline, associated with the use of spirits and ethers (oxygenates) in modern fuels, as well as an increased content of combustible aromatic hydrocarbons may influence the dynamic activity of the coal filter. Therefore, the absorption of gasoline vapors with activated carbon (a coal filter) has been studied. The subjects of the study were samples of gasoline RON 95, RON 98, purchased at different times at gas stations in Russia and Spain. To carry out the tests a carbon filter (activated carbon) of the adsorber of the CITROEN C4 was used. Before filling the sorbent in a dynamic tube, it was regenerated, consisted of heating the coal to temperatures of 250 ... 3000С and forcing it to shake through the container with air material. Experiments on the absorption of gasoline vapors were carried out on a plant consisting of a rotameter, a Drexler bottle, a pressure stabilizer, and a dynamic tube. It has been established that, unlike other samples, two fuel samples have certain features that manifest themselves, in particular, in the values of the boiling temperature, in the value of the octane number, in the acidity parameters and in the remainder in the flask. Activated carbon has a higher adsorption and retention capacity with respect to the components of these gasolines. It is shown that this ability is a reflection of the increased content in the fuel of organic compounds with a higher molecular mass. Such substances include aromatic hydrocarbons and series of compounds containing polar substituents, for example methyl tert-butyl ether.

Full Text

Введение В современных автомобилях для улавливания паров бензина применяется адсорбер с угольным фильтром [1-3]. Неисправности системы улавливания паров топлива оказывают влияние на работу двигателя в режиме холостого хода, приводят к остановке двигателя, повышению токсичности отработавших газов и ухудшению ходовых качеств автомобиля. К тому же угольный фильтр имеет низкий эксплуатационный ресурс [3]. Поэтому исследуют динамическую активность угольного фильтра, работающего в режиме сорбция-десорбция [4]. Изменяя конструкцию адсорбера, уменьшают степень эмиссии паров бензина из топливной системы [5]. Повышают полноту извлечения из фильтра компонентов топлива в воздух, проходящий при продувке через адсорбер. Модифицирование компонентного состава бензина, связанное с использованием в современном топливе спиртов и эфиров (оксигенаты), а также повышенное содержание в горючем ароматических углеводородов могут оказывать влияние на динамическую активность угольного фильтра. Цель исследования Целью исследования является изучение поглощения паров бензина активированным углем (угольным фильтром). Целесообразность проведения опытов диктовалась также и тем, что в бензинах в зависимости от состава сырья и технологии синтеза могут присутствовать более 200 индивидуальных углеводородов [6]. Эти компоненты облают не только разным строением, но и, реагируя между собой, определяют свойства бензина в целом [6, 7]. Материалы и методы исследования Объектами исследования были пробы бензинов (Б-1, Б-2, Б-3, Б-4, Б-5, Б-6) марок АИ-95, АИ-98, приобретенных в разное время на автозаправочных станциях России и Испании (проба Б-7). Объемы жидкостей, в зависимости от выполняемых методов испытания, варьировали от 1 до 100 мл. Плотность образцов топлива измеряли нефтеденсиметрами (ареометрами), октановые числа - индикатором (октанометром) ОКТАН-ИМ. Диапазон измерения октановых чисел (октановое число по исследовательскому методу - ОЧИ, октановое число по моторному методу - ОЧМ) от 67 до 98. Предел допускаемой абсолютной погрешности измерения ОЧИ составлял ± 2 октановые единицы (о.е.). Измерения ОЧИ проводили, используя заводскую калибровку октанометра. Фракционный состав проб бензинов определяли по температурам перегонки, измеренным ртутным термометром, входящим в комплект автоматического аппарата для разгонки нефтепродуктов АРНС-1Э, кислотность - титрованием спиртовым раствором КОН смесей бензина с 80% этанолом. Для индицирования избытка ОН использовали кислотно-основной индикатор фенолфталеин (рН = 8,0-9,6). Для проведения опытов использовали угольный фильтр (активированный уголь) адсорбера автомобиля CITROEN C4. Рис. 1. Схема проведения опытов: 1 - ротаметр; 2 - склянка Дрекслера (барботер); 3 - стабилизатор давления (ловушка с отбойником); 4 - динамическая трубка На рис. 1 представлена схема проведения опытов. Воздух при температуре 20°С компрессором, проходя через ротаметр (1), подается в барботер (2) и с парами исследуемой жидкости поступает в стабилизатор давления (3) и далее в динамическую трубку (4), заполненную активированным углем (АУ). Внутренний диаметр колонки составлял 0.02 м, высота слоя сорбента - 0,01 м. Масса АУ во всех опытах составляла ~1 г, объем помещаемой в барботер жидкости - 20 мл. Расход воздуха (Q), содержащий пары топлива, измеряли пенным расходомером. Параметр Q на входе в динамическую трубку составлял 0,45 л·мин-1, на выходе из колонки - 0,05 л·мин-1. Причем по мере заполнения порового пространства АУ молекулами адсорбтива расход на выходе из колонки снижался до значений намного ниже величины 0,05 л·мин-1 и не фиксировался пенным расходомером. Опыты по десорбции молекул с поверхности АУ проводили при расходе воздуха на входе в динамическую колонку, равному 0,45 л·мин-1. Массу трубки с сорбентом измеряли в начале опыта и после проведения эксперимента с интервалом времени от 10 до 40 минут. Общее время составляло 100 мин. Измерение массы сорбента и жидкостей проводили на весах ВЛТЭ-150. Следует отметить, что схема проведения опытов (рис. 1) является упрощенным прототипом экспериментальных установок, представленных в работах [6-8]. Угольный фильтр перед засыпкой его в динамическую трубку подвергали регенерации, которая заключалась в нагревании угля до температур 250-300°С и принудительном покачивании через емкость с сорбентом воздуха. Такую обработку АУ проводили в течение нескольких часов до тех пор, пока масса объекта отжига не становилась близкой к постоянному значению. Обсуждение результатов Из сопоставления данных (табл. 1) и нормативных значений следует, что такие параметры как плотность, кислотность, температура конца кипения проб бензинов, остаток в колбе соответствуют представленным в сносках табл. 1 стандартам. Однако бензины Б-1 и Б-2 имеют, по сравнению с другими образцами, самое низкую и высокую величину остатка в колбе, более низкие значения tкк и высокую кислотность. Аналогичная закономерность наблюдается и в значении октанового числа (ОЧ). Так, например, в Б-2 этот показатель составил 100 о.е. (табл. 1). Октановые числа бензинов (за исключением ОЧИ = 100 в Б-2) отличаются на 0,3…1,3 о.е. от величины октанового числа, заявленного производителем топлива. В топливе Б-2 значение ОЧИ превосходит заявленный показатель АИ-95 на 5 о.е., что выше погрешности измерения ОЧ (± 2 о.е.). Таблица 1 Плотность (ρ), кислотность (К), температура конца кипения проб топлива (tкк) и остаток в колбе Бензин *ρ, кг/м-3 при 15°С ОЧИ, отн. ед. **Остаток в колбе, % ***tкк, 0С ****К, мг КОН на 100 мл бензина Б-1 738 96.7 1.9 175 2.6 Б-2 743 100.0 0.7 176 2.8 Б-3 754 96.2 1.5 206 1.1 Б-4 748 98.7 0.9 187 1.7 Б-5 754 97.7 1.0 201 1.2 Б-7 736 96.1 0.9 208 2.2 *- плотность при 15°С по нормам ГОСТ 32513-2013 составляет 720-780 кг·м-3; **- остаток в колбе, % (по объему) не более 2 (ГОСТ 32513-2013); ***- конец кипения , °С не выше 215°С (ГОСТ 32513-2013); ****- кислотность, мг КОН на 100 см3, не более 3 (ТУ 38.001.165-87). Следует отметить, что определение индикатором ОКТАН-ИМ октанового числа основано на измерении комплексной диэлектрической проницаемости бензина (εкомп) [9-14]. Этот метод (диэлькометрия) относится к косвенному однофакторному способу определения ОЧ. Математическая модель, описывающая связь октановых чисел с εкомп, не только нелинейная, но и содержит внутренние противоречия. К таким противоречиям относят большой вклад в εкомп диэлектрических проницаемостей аренов (имеющих более высокое, чем у иных углеводородов, значение ε) и существенную зависимость ОЧ от содержания в бензинах этих веществ [14]. Установлено, что диэлькометрия имеет максимальную чувствительность для бензинов с октановыми числами 88…93 о.е. Чувствительность метода для топлива, имеющего ОЧ выше 95, падает. Затруднения в распознавании указных марок связаны с присутствием в высооктановых бензинах изооктана, изопентана и бутанов, которые при высоком октановом числе компаунда имеют низкую диэлектрическую проницаемость [10]. В табл. 2 представлены величины сорбции паров топлива за время опыта 30 и 100 мин. Таблица 2 Величина адсорбции (Ад) паров бензина на активированном угле за время опыта 30 и 100 мин Бензин Ад, г/г сорбента 30 мин 100 мин Б-1 0,469 0,520 Б-2 0,450 0,598 Б-4 0,371 0,518 Б-5 0,339 0,560 Б-6 0,393 0,498 Б-7 0,397 0,512 Из сопоставления приведенных в табл. 2 данных следует, что величины адсорбции паров бензинов Б-1 за 30 мин и Б-2 за 100 мин эксперимента превосходят значения Ад для бензинов Б-4-7. Эти отличия также как и разница в параметрах tкк, К, остатка в колбе свидетельствуют об особенностях компонентного состава Б-1 и Б-2. Работа автомобильного адсорбера, как это отмечено ранее, проходит в режиме сорбция-десорбция [4]. Поэтому были проведены опыты по извлечению из АУ компонентов бензина, поглощенных при адсорбции паров топлива. Через установку (без барботера) компрессором прокачивали воздух с расходом 0,05 л·мин-1. В табл. 3 представлена масса сорбента с остававшимися (после продувки воздухом в течение 100 мин) в поровом пространстве АУ компонентами бензина. Эту массу, выраженную в г на г сорбента, целесообразно назвать удерживающей способностью (УC) [9]. Таблица 3 Удерживающая способность (УС) активированного угля Бензин Б-6 Б-4 Б-7 Б-5 Б-2 Б-1 УС, г/г сорбента 0,283 0,307 0,312 0,327 0,334 0,335 Из сопоставления данных (табл. 3) следует, что параметр УС, как в случае значений Ад, для проб Б-1 и Б-2 выше аналогичных величин, полученных для бензинов Б-4-7. Следовательно, активированный уголь обладает более высокой адсорбционной и удерживающей способностью по отношению к компонентам бензина Б-1 и Б-2. Это может быть обусловлено размерами молекул органических соединений, входящих в состав бензина. Известно, что на активированном угле большие органические молекулы адсорбируются легче, чем молекулы малого размера [9-11] . Причем фиксация полярных молекул менее предпочтительна, чем адсорбция неполярных органических веществ. Для подтверждения связи адсорбционной и удерживающей способности активированного угля с размерами и полярностью молекул, входящих в состав бензина, были проведены эксперименты с этанолом, изопропиловым спиртом (втор-пропанол), изооктаном, н-гептаном и метил-трет-бутиловым эфиром (МТБЭ). Целесообразность постановки таких опытов диктовалась также и тем, что регенерация угольного фильтра с использованием только нагревания является недостаточной для полной активации угля. Такая активация может искажать результаты опытов. Поэтому и были поставлены опыты с указанными веществами. Следует отметить, что регенерацию адсорбентов, содержащих углеводороды, помимо воздействия на материал тепла, проводят водяным паром [8]. Расчет радиуса молекул проводили по уравнениям: R = [(n2-1) M]/[(n2+2)·ρ] ; R = NA Vмол ; Vмол = (4/3) π r 3, где n - показатель преломления света, отн. ед.; М - молярная масса, г·моль-1; ρ - плотность г/см-3; NA - число Авогадро; Vмол - объем сферы, м3; r - радиус молекулы, м. Представленные в табл. 4 данные свидетельствуют о связи размера молекул с адсорбционной способностью АУ. Более высокое значение Ад при поглощении АУ паров алканов, имеющих μ=0, наблюдается для изооктана, молярная масса которого больше массы н-гептана. Аналогичная закономерность характерна и для полярных молекул. Молекулы МТБЭ, дипольный момент которых ниже значений μ спиртов, а молярная масса больше М этанола и втор-пропанола, поглощаются активированным углем лучше. Эти закономерности согласуются с приведенными в литературе сведениями [15-17]. Например, степень адсорбции одноатомных спиртов и эфиров возрастает с увеличением молярной массы органического соединения [17]. Таблица 4 Радиус (r) молекул, дипольный момент (μ), молярная масса (М), величина адсорбции (Ад) этанола, изопропилового спирта, н-гептана и изооктана Параметр Этанол Изопропиловый спирт МТБЭ Н-гептан Изооктан r·10-10, м 1,8 2,1 2,2 2,4 2,7 М, , г·моль-1 46,1 60,1 88,2 100,2 114,2 Ад паров на АУ за 60 мин в г на г сорбента 0,388 0,434 - 0,417 0,525 Ад паров на АУ за 30 мин в г на г сорбента 0,287 0,356 0,507 0,270 0,484 μ, D 1,63 1,66 1,36 0 0 Заключение Обобщая представленные данные, следует сделать вывод, что особенности состава бензинов Б-1 и Б-2 являются отражением повышенного содержания в топливе (по сравнению с Б-4-7) органических соединений с большей молекулярной массой. Такими веществами могут быть ароматические углеводороды и ряды соединений, содержащих полярные заместители [12, 17]. Подтверждает этот вывод значение ОЧИ бензина Б-2 (ОЧИ = 100 о.е.) и данные, свидетельствующие, что степень адсорбции на активированном угле уменьшается в ряду: ароматические углеводороды, парафины (алканы) с нормальной цепью, циклопарафины (циклоны), парафины с разветвленной цепью. Возрастание ОЧИ с ростом εкомп обычно связывают с повышенным содержанием в топливе ароматических углеводородов и МТБЭ [12].

About the authors

V. A Khodyakov

Peoples' Friendship University of Russia


Ph.D.

V. A Rachkova

Peoples' Friendship University of Russia


V. V Bernatskiy

Moscow Polytechnic University

Email: vladislav_bern@mail.ru

Ph.D.

S. V Khlopkov

Peoples' Friendship University of Russia


R. Kh Abu-Nidzhim

Peoples' Friendship University of Russia


Ph.D.

References

  1. Звонов В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания. М.: Машиностроение, 1973. 200 с.
  2. Кинле Х., Бадер Э. Активные угли и их промышленное применение. Л.: Химия, 1984. 216 с.
  3. Ходасевич А.Г., Ходасевич Т.И. Справочник по устройству и ремонту электронных приборов автомобилей. Часть 5. Электронные системы зажигания. Контроллеры систем управления смесеобразованием, зажиганием, двигателем. М.: АНТЕЛКОМ, 2004. 208 с.
  4. Тамамьян А.Н., Зимин Н.А., Лейф В.Э., Хазанов А.А., Митрофанов В.А., Сухова В.А., Мухин В.М. Адсорбер улавливания паров бензина в топливной системе автомобилей: патент на изобретение № 2171391, Российская Федерация. Опубликовано 27.07.2001.
  5. Симдянов А. Ф. Адсорбер улавливания паров бензина в топливной системе автомобилей: патент на изобретение № 2563947, Российская Федерация. Опубликовано 27.07.2001.
  6. Колобродов В.Г., Карнацевич Л.В, Хажмурадов М.А. Адсорбция паров воды цеолитами в динамическом режиме // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (12). 2002. № 1. С. 56-61.
  7. Сергунин А.С, Симаненков С.И, Гатапова Н.Ц. Иследование динамики адсорбции и десорбции паров воды активным оксидом алюминия и цеолитом NaX // Вестник ТГТУ. 2002. Том 18. № 3. С. 664-671.
  8. Уханов С.Е., Старкова Н.Н., Галата С.С., Хмелевская К.А. Изучение влияния режима сушки адсорбентов после их регенерации на адсорбцию паров углеводородных компонентов кислого газа // Вестник ПГТУ. Химическая технология и биотехнология. 2009. № 9. С 184-192.
  9. Скворцов Б.В., Силов Е.А. Исследование корреляционных зависимостей между октановым числом и электродинамическими параметрами углеводородных продуктов // Известия Самарского центра Российской академии наук. 2009. Т. 11. № 5. С. 64-71.
  10. Скворцов Б.В., Силов Е.А., Солнцева А.В. Определение взаимосвязи показателей детонационной стойкости с электродинамическими параметрами углеводородных топлив на основе статистического моделирования компонентного состава // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. 2010. № 1(21). С. 166-173.
  11. Руднев В.А., Бойченко А.П., Карножицкий П.В. «TOP-DOWN» подход для оценки неопределенности измерений диэлектрической проницаемости неводных растворителей и их многокомпонентных смесей // Вестник харьковского национального университета. Химия. 2010. Т. 19(42). № 932. С. 160-169.
  12. Николаев В.Ф. Экспресс-методы тестирования композиционных продуктов нефтепромысловой химии и моторных топлив: монография. Казань: Изд-во КНИТУ, 2012. 124 с.
  13. Мачулин Л В. Проблемы экспресс-определения октанового числа и пути его решения // Нефтепереработка и нефтехимия. 2013. № 9. С.13-18.
  14. Мачулин Л.В. Сравнительная характеристика прямых и косвенных методов определения октанового числа // Газовая промышленность. 2014. № 9. С. 100-105.
  15. Стратус В. Промышленная очистка газов. М.: Химия, 1981. 616 с.
  16. Беккер Х., Домшке Г., Фангхенель Э., Фишер М. Органикум: В 2-х т. Т. 1. М.: Мир, 1992. 487 с.
  17. Кейл Б. Лабораторная техника органической химии. М.: Мир, 1966. 752 c.

Statistics

Views

Abstract - 26

PDF (Russian) - 5

Cited-By


Article Metrics

Metrics Loading ...

Copyright (c) 2017 Khodyakov V.A., Rachkova V.A., Bernatskiy V.V., Khlopkov S.V., Abu-Nidzhim R.K.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies