CC BY
0
JA UNIVERSUM:
№2(131)_¿Л ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ_Февраль. 2025 г.
DOI: 10.32743/UniTech.2025.131.2.19254
КИНЕТИКА СИНТЕЗА ОКТАНОПОВЫШАЮЩИХ ОКСИГЕНАТОВ ИИЭ-07:03
И АНАЛИЗ ИХ ИК-СПЕКТРОВ
Жовлиев Сарвар Мустафо угли
свободный соискатель,
ООО Ташкентский научно-исследовательский институт химической технологии,
Узбекистан, г. Ташкент E-mail:jovliyev19sarvar96@gmail. com
Файзиев Жахонгир Бахромович
д-р филос. (PhD), ст. научн. сотр., ООО Ташкентский научно-исследовательский институт химической технологии,
Узбекистан, г. Ташкент
Джалилов Абдулахат Турапович
д-р хим. наук, проф., академик, ООО Ташкентский научно-исследовательский институт химической технологии,
Узбекистан, г. Ташкент
KINETICS OF THE SYNTHESIS OF OXYGENATES THAT INCREASE THE OXYGENATES OF IEEE-07:03 AND THEIR IR SPECTRUM ANALYSIS
Sarvar Jovliev
Free applicant, Tashkent Scientific Research Institute of Chemical Technology LLC, Uzbekistan, Tashkent
Jakhongir Fayziev
Doctor of Philosophy (PhD), Senior researcher, Tashkent Scientific Research Institute of Chemical Technology LLC,
Uzbekistan, Tashkent
Abdulahat Djalilov
Doctor of Chemical Sciences, Professor, Academician, Tashkent Scientific Research Institute of Chemical Technology LLC,
Uzbekistan, Tashkent
АННОТАЦИЯ
Данная работа посвящена изучению кинетики синтеза октаноповышающих оксигенатов ИИЭ-07:03, их характеристик и применения. Рассмотрены ключевые параметры реакции, включая концентрацию реагентов, температуру (100-150°C) и время реакции (1-5 часов), которые определяют эффективность синтеза. Исследования показывают, что оптимальные условия синтеза обеспечивают высокий выход продукта и его стабильность. Проведен анализ ИК-спектров полученных оксигенатов, подтверждающий наличие характеристических связей, таких как C-O-C и C-H, которые указывают на успешное образование эфирных и спиртовых групп. Выявлены остаточные пики, свидетельствующие о минимальном количестве побочных продуктов. Полученные данные могут быть использованы для разработки промышленных технологий синтеза оксигенатов, повышающих октановое число топлива. Это имеет важное значение для улучшения экологических и энергетических характеристик моторных видов топлива. Исследование способствует дальнейшему развитию эффективных катализаторов и методов контроля процесса.
ABSTRACT
This work is devoted to the study of the kinetics of the synthesis of octane-increasing oxygenates IAE-07:03, their characteristics and applications. The key parameters of the reaction, including reagent concentration, temperature (100-150°C), and reaction time (1-5 hours), which determine the effectiveness of the synthesis, were considered. Studies show
Библиографическое описание: Жовлиев С.М., Файзиев Ж.Б., Джалилов А.Т. КИНЕТИКА СИНТЕЗА ОКТАНОПО-ВЫШАЮЩИХ ОКСИГЕНАТОВ ИИЭ-07:03 И АНАЛИЗ ИХ ИК-СПЕКТРОВ // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2025. 2(131). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/19254
Л A UNIVERSUM:
№2(13П_ЛД ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ_Февраль. 2025 г.
that optimal synthesis conditions ensure a high yield of the product and its stability. The IR spectra of the obtained oxygenates were analyzed, confirming the presence of characteristic bonds such as C-O-C and C-H, indicating the successful formation of ether and alcohol groups. Residual peaks were identified, indicating minimal byproducts. The obtained data can be used to develop industrial technologies for the synthesis of oxygenates that increase the octane number of fuel. This is important for improving the environmental and energy characteristics of motor fuels. The research contributes to the further development of effective catalysts and methods for controlling the process.
Ключевые слова: октаноповышающие, оксигенат, изоамил-изобутилового эфира, ИК-спектр, эфирная группа, изобутиловый спирт, катализатор, изоамиловый спирт, радикал, активная фаза, диапазон, деформационное колебание.
Keywords: octane enhancers, oxygenate, isoamyl-isobutyl ether, IR spectrum, ether group, isobutyl alcohol, catalyst, isoamyl alcohol, radical, active phase, range, deformation vibration.
Введение. Использование добавок является одним из наиболее эффективных и экономичных способов повышения устойчивости бензинов к детонации [10].
Добавки, повышающие октановое число бензина, можно разделить на три типа: металлооргани-ческие добавки, добавки на основе ароматических аминов, добавки на основе соединений, содержащих кислород [6].
Ранее, для производства высокооктанового бензина, добавки, содержащие металл, стали неотъемлемой частью его изготовления. Например: тетраэтилсвинец (C2H5)4Pb, пентакарбонил железа Fe(CO)5, диклопентадиенил железа Fe(C5H5)2, ме-тилциклопентадиенилтрикарбонил марганца
CH3C5H4Mn(CO)3, циклопентадиенилтрикарбонил марганца C5H5Mn(CO)3 и другие [3].
Беззольные антидетонационные средства, в отличие от соединений, содержащих металл, лишены некоторых недостатков: они не отравляют катализатор и не способствуют увеличению отложений в клапанах и камерах сгорания. Эти преимущества побудили исследователей к разработке неметалло-вых добавок [12].
Органические соединения, содержащие азот, считаются эффективными топливными добавками. Многие научные работы посвящены использованию аминоспиртов, амидов, аминов и эфиров в качестве добавок. Среди азотсодержащих добавок широко применяются ароматические амины [2].
Многие современные октаноповышающие добавки содержат в качестве активного вещества N-метиланилин. Однако недостатками ароматических аминов проявляют склонность к образованию смол и ускорение износа деталей двигателя. Поэтому их концентрация в бензиновом топливе ограничена до 1,0-1,3 % [7].
Они превосходят кислородсодержащие соединения, однако несколько уступают некоторым ме-таллоорганическим добавкам. Например, октановое число анилина, простейшего ароматического амина, составляет 320 по исследовательскому методу (RON). Добавление 1 % анилина к бензину увеличивает октановое число на 3 пункта. Однако при низких температурах анилин выпадает в осадок, поэтому его применение ограничено [11].
Механизм действия антидетонационных добавок заключается в предотвращении взрывного разложения и распада первичных продуктов окисления углеводородов бензина, происходящих перед началом нормального горения топливно-воздушной смеси. Однако современные знания достаточны для объяснения практических фактов [5; 14].
В последние годы в ряде стран мира приоритет среди добавок к бензину получили оксигенаты -кислородсодержащие вещества (спирты, простые и сложные эфиры) [8]. Использование оксигенатов в качестве компонентов моторного топлива, позволяет улучшить экологическую эффективность и химические свойства бензинов [1].
Оксигенаты обладают рядом преимуществ по сравнению с другими антидетонаторами: возможность получения из возобновляемого сырья, высокая устойчивость к детонации, низкая токсичность топлива и продуктов его сгорания при использовании ок-сигенатов [13].
В настоящее время в России общий объем окси-генатов, используемых в составе бензина, составляет около 1,4 % от общего объема бензинового фонда, в США - более 10 %, а в Европе около 7 % [9].
Согласно ГОСТ 32513-2013 «Моторное топливо. Бензины неэтилированные, соответствующие европейскому стандарту EN 228-2004» для экологических классов К3, К4, К5 массовая доля кислорода в бензинах марок АИ-80, АИ-92, АИ-95 и АИ-98 не должна превышать 2,7 %. Объемная доля оксигенатов: метанол - 1,0 %; этанол - 5,0 %; изопропило-вый спирт - 10,0 %; трет-бутиловый спирт - 7,0 %; изобутиловый спирт - 10,0 %; эфиры (С5 и выше) -15,0 %; другие оксигенаты - до 10,0 % [4].
Материалы и методы. В данном исследовании изучалось влияние различных условий, включая концентрацию, температуру и время, на выход продукта при синтезе эфира из изобутилового и изоами-лового спиртов в соотношении 70:30. Были проанализированы параметры и оптимальные условия для достижения максимального выхода.
Для эксперимента использовались следующие реагенты: изоамиловый спирт (70 %), изобутиловый спирт (30 %) и в качестве катализатора 10 % H2SO4. Температура реакции варьировалась в диапазоне 100-150°С, а время реакции составляло от 1 до 5 часов. Отделение воды проводилось с использованием аппарата Дина-Старка.
1. Влияние концентрации. В таблице 1 приведены показатели зависимости между концентрацией и выходом продукта.
Таблица 1.
Зависимость выхода продукта от концентрации реагентов
Концентрация (%) Выход (%)
70:30 85,4
60:40 75,2
50:50 68,9
С увеличением концентрации наблюдалось повышение процента выхода продукта.
Влияние концентрации на выход
80 -
78
И 76
>=с
70:30 60:40 50:50
Концентрация(%)
Рисунок 1. Влияние концентрации на выход продукта
График демонстрирует зависимость выхода продукта от концентрации реагентов. Ниже приводится подробный анализ: выход продукта постепенно снижается с уменьшением концентрации смеси. Это указывает на то, что более высокая концентрация (например, 70:30) способствует большей эффективности реакции. Максимальный выход (около 80 %) достигается при соотношении концентрации реагентов 70:30. Это подтверждает, что более высокая доля одного из компонентов благоприятствует синтезу. При снижении концентрации до 60:40 и 50:50 наблюдается снижение выхода продукта до 75 % и
Зависимость выхода
68 % соответственно. Уменьшение концентрации приводит к снижению эффективности реакции, так как молекулы сталкиваются реже, а побочные процессы могут усиливаться. Для достижения максимального выхода целесообразно поддерживать соотношение реагентов на уровне 70:30. Это позволит оптимизировать процесс с точки зрения сырьевых затрат и времени реакции.
2. Влияние температуры. В таблице 2 приведены данные зависимости между температурой и выходом продукта.
Таблица 2.
кта от температуры
Температура Выход (%)
100.0 60.5
125.0 75.3
150.0 85.4
С увеличением температуры наблюдалось повышение процента выхода продукта.
Влияние температуры на выход
85
80
75
сг о
X .0
со
70
65
60
1 i i i i
100 110 120 130 140 150
Температура (°С)
Рисунок 2. Влияние температуры на выход продукта
График демонстрирует зависимость выхода продукта от температуры реакции. Ниже представлен подробный анализ: с увеличением температуры выхода продукта наблюдается линейное возрастание. Это указывает на то, что повышение температуры положительно влияет на эффективность реакции.
Низкотемпературная зона (100 °С): при температуре 100 °С выход продукта составляет около 60 %. На данном этапе кинетика реакции замедлена, поскольку молекулярная энергия недостаточна для эффективных столкновений реагентов.
Среднетемпературная зона (125 °С): при температуре 125 °С выход продукта увеличивается до 75 %, что указывает на рост скорости реакции из-за увеличения энергии частиц и уменьшения активаци-онного барьера.
Высокотемпературная зона (150 °С): максимальный выход (около 85 %) достигается при температуре
150 °С. Это оптимальная температура для данной реакции, при которой обеспечивается максимальное количество эффективных столкновений молекул.
Температура оказывает значительное влияние на кинетику реакции. Повышение температуры ускоряет процесс за счёт увеличения скорости взаимодействия молекул. Однако, при слишком высоких температурах возможно разложение некоторых продуктов, что может повлиять на выход. Для получения максимального выхода продукта целесообразно проводить реакцию при температуре 150 °С. Это обеспечивает высокую эффективность процесса и минимизирует энергетические затраты на повторные стадии.
3. Влияние времени. В таблице 3 приведена зависимость между временем и выходом продукта:
Таблица 3.
Зависимость выхода продукта от времени
Время ч Выход (%)
1.0 50.2
3.0 75.1
5.0 85.4
С увеличением времени реакции, выход продукта возрастает.
85
80
75
— 70 о
3 65 со
60 55 50
Влияние времени на выход
У /
1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
Время (часы)
4.0
4.5
5.0
Рисунок 3. Влияние времени на выход продукта
График демонстрирует зависимость выхода продукта от времени реакции. Представленный анализ подтверждает важность времени как одного из ключевых параметров для достижения максимального выхода продукта. Ниже приведён подробный разбор: с увеличением времени реакции выход продукта возрастает. Это указывает на то, что реакция протекает постепенно, и её эффективность повышается с увеличением времени взаимодействия реагентов.
Начальный этап (1 час): через 1 час выход продукта составляет около 50 %. На данном этапе реакция только начинается, и большая часть реагентов ещё не вступила в полное взаимодействие.
Средний этап (3 часа): через 3 часа выход продукта увеличивается до 75 %. Это свидетельствует о том, что реакция вступает в активную фазу, где большая часть реагентов активно взаимодействует друг с другом.
Оптимальный этап (5 часов): максимальный выход (около 85 %) достигается через 5 часов. Это указывает на завершение основного этапа реакции,
когда большая часть реагентов превращается в целевой продукт.
Увеличение времени реакции, позволяет большему количеству молекул вступить во взаимодействие. Однако излишне длительное время может привести к нежелательным побочным реакциям или разложению продукта.
Оптимальным временем для реакции является 5 часов, так как при этом достигается максимальный выход продукта. Увеличение времени сверх этого может не привести к существенному росту выхода и экономически нецелесообразно.
Результаты и обсуждение. Согласно результатам исследования, для получения максимального выхода изоамил-изобутилового эфира при соотношении спиртов 70:30 оптимальными условиями являются температура 150°С и время реакции 5 часов, при которых достигается выход продукта 85,4 %.
-1 1.12 - -1
1
1
1
\ ч 1
\ 1Ё о» § г- \ 1
\ Ч 3 \ { 1
г
г
150
•хл : 1£0
500 спп-1
Рисунок 4. ИК (инфракрасного) спектра изоамил-изобутилового эфира (ИИЭ-07:03)
Для анализа ИК (инфракрасного) спектра изо-амил-изобутилового эфира приведены диапазоны, их соответствующие химические группы и свойства данного соединения:
3331.07 см-1: такого рода диапазон может указывать на широкую вибрацию гидроксильной группы (OH-). Если данный пик присутствует, это может свидетельствовать о неполной реакции этерифика-ции или наличии небольшого количества остатков спиртов.
2958.80 см-1 и 2877.79 см^: соответствует асимметричным и симметричным деформациям связей C-H. Это подтверждает наличие углеводородных цепей (алканов), которые возникают благодаря радикалам изоамиловой и изобутиловой группы.
1641.42 см-1: диапазон, характерный для связей С=С или С=0. Однако в эфирах он проявляется с низкой интенсивностью. Этот пик может быть связан с небольшим количеством воды или побочных продуктов реакции.
1465.90 см-1: деформационные колебания связей ^Н. Указывает на наличие углеродно-водородных связей в длинноцепочечных органических молекулах.
1047.35 см-1: диапазон, характерный для связей C-O-C. Это подтверждает основную эфирную связь в изоамил-изобутиловом эфире.
678.94 см-1 и 596.07 см^: такие низкочастотные диапазоны обычно указывают на наличие углеродных цепей с высокой молекулярной массой или циклических структур.
513.43 см-1: диапазон, соответствующий низкочастотным деформациям углерод-углеродных связей. Подобное характерно для углеродно-цепочечных эфиров.
Подтверждение наличия эфирной связи:
Пик на 1047.35 см-1 ясно указывает на присутствие связи СЮ-С, что подтверждает синтез изо-амил-изобутилового эфира.
Остатки спиртов: пик на 3331.07 см-1 может свидетельствовать о том, что реакция была выполнена не полностью или что в образце присутствуют остаточные спирты.
Углеродные структуры: пики на 2958.80 см-1 и 2877.79 см-1 подтверждают, что эфир состоит из изоамиловых и изобутиловых радикалов.
Согласно действующим стандартам Европейского Союза и требованиям к бензиновому топливу во всем мире, существует ограничение на максимальное содержание кислорода, которое не должно превышать 2,7 % по массе. Количество кислорода в используемых оксигенатах, а также их плотности представлены в таблице 4. Расчет концентрации кислорода в бензине, проведенный по приведенной ниже формуле, показал, что концентрация кислорода 2,7 % (по массе) соответствует объемной доле оксигенатов в бензине на уровне 10 %. Это значение было определено с использованием следующих формул:
Где: C(o)=Cl•Pl•(O)%/100 + С2Р2 (0)%/100 +
0п^РП^(О)%/100
C(O) — концентрация кислорода в бензине, % по массе;
О — концентрация оксигената в бензине, % по массе;
P1 — плотность оксигената.
Таблица 4.
Плотность оксигенатов
№ Оксигенаты Количество кислорода, %, масса Плотность оксигенатов г/см3
1 Триасетин 44 1,15
2 Диизоамилфталат 21 1,02
3 Изоамилацетат 24,6 0,876
4 Спирт изопропиловый 26,7 0,785
5 Спирт метиловый 50 0,791
Таблица 5.
Изменение октанового числа бензина АИ-80 при добавлении изоамил-изобутилового эфира (ИИЭ-07:03)
Наименование образца Количество добавки % Октановое число исследовательским методом Количество добавки % Октановое число исследовательским методом
ИИЭ-07:03 0,1 % 3,7 ед 0,9 % 7,7 ед
ИИЭ-07:03 0,2 % 4,2 ед 1,0 % 8,2 ед
ИИЭ-07:03 0,3 % 4,7 ед 1,1 % 8,7 ед
ИИЭ-07:03 0,4 % 5,2 ед 1,2 % 9,2 ед
ИИЭ-07:03 0,5 % 5,7 ед 1,3 % 9,7 ед
ИИЭ-07:03 0,6 % 6,2 ед 1,4 % 10,2 ед
ИИЭ-07:03 0,7 % 6,7 ед 1,5 % 10,7 ед
ИИЭ-07:03 0,8 % 7,2 ед 1,6 % 11,2 ед
Данные таблицы 5 демонстрируют влияние добавки оксигената ИИЭ-07:03 на октановое число бензина, измеренное исследовательским методом. В зависимости от увеличения концентрации добавки, октановое число значительно повышается, что подтверждает эффективность использования ИИЭ-07:03 как октаноповышающей добавки.
Низкая концентрация: при минимальном содержании добавки (0,1 %) увеличение октанового числа составляет 3,7 единиц.
Рост с увеличением концентрации: с увеличением доли добавки до 0,9 % октановое число возрастает до 7,7 единиц, а при 1,5 % достигает 10,7 единиц.
Максимальная эффективность: при концентрации 1,6 % наблюдается пиковое значение октанового числа - 11,2 единицы.
Добавка ИИЭ-07:03 демонстрирует высокую эффективность в повышении октанового числа бензина. При этом увеличение концентрации добавки выше 1,6 % нецелесообразно, так как возможное дальнейшее повышение октанового числа становится менее значительным, а экономические и технические затраты могут возрасти. Данные могут быть использованы для разработки оптимальных рецептур автомобильных топлив.
Влияние добавки ИИЭ-07:03 на октановое число
• Октановое число
jy !
0.2
0.4
0.6 0.8 1.0 Количество добавки {%)
1.2
1.4
1.6
Рисунок 5. Влияние добавки ИИЭ-07:03 на октановое число бензина
График демонстрирует влияние добавки ИИЭ-07:03 на октановое число бензина. Приведённый анализ показывает положительную корреляцию между количеством добавки и увеличением октанового числа.
С увеличением концентрации добавки от 0,1 % до 1,6 % октановое число возрастает линейно, что свидетельствует о высокой эффективности добавки ИИЭ-07:03.
Начальная концентрация (0,1-0,5 %): На данном этапе наблюдается постепенное увеличение октанового числа от 3,7 до 5,7 единиц, что подтверждает положительное воздействие небольших концентраций добавки.
Умеренные концентрации (0,6-1,0 %): При увеличении концентрации до 1,0 % октановое число достигает 8,2 единиц, что является существенным приростом.
Высокая концентрация (1,1-1,6 %): При концентрации добавки 1,6 % октановое число достигает максимального значения - 11,2 единиц. Это демонстрирует, что добавка ИИЭ-07:03 обладает высокой антидетонационной способностью.
Использование добавки ИИЭ-07:03 позволяет эффективно повысить октановое число бензина, что способствует улучшению качества топлива. Полученные результаты могут быть использованы для оптимизации состава моторных топлив.
февраль, 2025 г.
Заключение. Проведенное исследование кинетики синтеза октаноповышающих оксигенатов ИИЭ-07:03 и анализ их ИК-спектров подтверждают высокую эффективность данного соединения в качестве антидетонационной добавки. Было установлено, что оптимальные условия синтеза обеспечивают стабильное образование эфирной группы, что подтверждается характерными полосами поглощения в ИК-спектрах (СЮ^ и C-H связи). Результаты исследования показали линейную зависимость между концентрацией добавки ИИЭ-07:03 и увеличением октанового числа. Максимальный эффект достигнут при концентрации 1,6 %, где октановое число составило 11,2 единицы. Это демонстрирует высокий потенциал использования данного оксигената для улучшения характеристик моторного топлива. Данные исследования могут быть использованы для оптимизации процесса синтеза оксигенатов, а также для разработки новых топливных композиций, соответствующих современным экологическим стандартам. Применение ИИЭ-07:03 способствует повышению энергоэффективности и снижению токсичности продуктов сгорания, что имеет важное значение для промышленного использования.
Список литературы:
1. Ахметов А.Ф., Красильникова Ю.В., Ганцев А.В. Производство топлив с улучшенными экологическими свойствами // Башкирский химический журнал. - 2009. - Т. 16. - №. 2. - С. 160-164.
2. Бабкин К.Д. Влияние метил-трет-бутилового (МТБЕ) и метилтрет-амилового (МТАЭ) эфиров на свойства рефор-мулированных бензинов: дисс. ... канд. техн. наук. - М.: РГУ нефти и газа им. ИМ Губкина, 2020. - 117 с.
3. Бутлеров А. Избранные работы по органической химии. - Стрелбйтскйй Мультимедиа Публишинг, 2018. - 688 с.
4. Гильмутдинов А.Т., Игорь Геннадиевич Лапшин, Ирина Раисовна Тафтиева И.Р., Шавалиева Э.Р. Анализ качества бензинов вторичных процессов с помощью инфракрасного спектра при добавлении кислородсодержащих соединений // Нефтегазовое дело. - 2019. - № 5. - С. 114-130.
5. Гришин Д.Ф. Депрессорные, противоизносные и антиокислительные присадки к гидроочищенным дизельным топливам с низким и ультранизким содержанием серы (Обзор) // Нефтехимия. - 2017. - Т. 57. - №. 5. - С. 489-502.
6. Гуреев А.А., Азев В.С. Автомобильные бензины, свойства и применения. - Москва: Нефть и газ, 1996. - 444 c.
7. Данилов А.М. Присадки к топливам. Разработка и применение в 2001-2005 гг // Химия и технология топлив и масел. - 2007. - №. 2. - С. 47-56.
8. Ершов М.А., Емельянов В.Е., Викторовна Г.Е. Хабибуллин. Некоторые пути улучшения экологических характеристик автомобильного бензина в России // Экологический вестник России. - 2016. - №. 1. - С. 18-20.
9. Капустин В.М. Технология производства автомобилььных бензинов. - М.: Химия, 2015. - 256 с
10. Турсунов Б.Ж., Алланазаров Г.О. Перспективные технологии производства по улучшению качества бензина // Теория и практика современной науки. - 2019. - № 3 (45). - С. 305-308.
11. Умиров Н.Н., Баратовна Х..З. Эффекты изопропилового спирта и мочевины на основе кислорода, удерживающий органического антидетонатор на сжигании двигателья и выхлопных газов с прямым приводом бензинового топлива // Universum: технические науки. - 2021. - № 4-4 (85). - С. 50-53.
12. Химическая технология топлива и высокоэнергетических веществ. - Москва, 2020. - 117 с.
13. Царев А.В., Карпов С.А. Повышение экологических и эксплуатационных характеристик автомобильных бензинов введением оксигенатов // Химическая технология. - 2007. - Т. 8. - №. 7. - С. 324-328.
14. Шараф Фарук Абдулхамид Мохаммед. Антидетонационные добавки на основе синергетических смесей оксигенатов к бензиновым топливам : автореферат дис. ... канд. техн. наук : 02.00.13; [Место защиты: Казан. нац. исслед. технол. ун-т]. - Казань, 2018. -114 с.а
