До середины XX века использование присадок в дизельном топливе было минимальным или вовсе отсутствовало. Дизельные двигатели отличались универсальностью и надежностью, а топливо для них получали из смеси компонентов прямой перегонки нефти при атмосферном давлении. Однако по мере изменения спроса на нефтепродукты и усиления требований к качеству топлива процессы переработки нефти усложнялись, что привело к более активному применению присадок.
Присадки, в отличие от химических реагентов, добавляются в незначительных количествах — менее 1% по массе (то есть менее 10 г на 1 кг топлива). При таком низком содержании они практически не влияют на физические характеристики топлива, такие как плотность, вязкость и летучесть. Однако их использование позволяет улучшить эксплуатационные свойства топлива, в том числе низкотемпературные характеристики, которые необходимы в условиях Северных широт.
Эксплуатация дизельной автотехники в России сопряжена с рядом уникальных вызовов, связанных как с суровыми климатическими условиями большей площади (примерно 2/3) страны, так и с особенностями российского автопарка. Согласно данным аналитического агентства «Автостат», на 1 января 2024 года в России насчитывалось 46,36 млн легковых автомобилей, из которых более 70% — машины старше 10 лет., а в грузовом транспорте этот показатель еще выше. Старение автопарка приводит к увеличению числа транспортных средств с повышенным износом двигателей и топливных систем, что делает их более чувствительными к качеству используемого топлива.
Некачественное дизельное топливо может вызывать множество проблем, включая образование отложений в топливной системе, снижение мощности двигателя и увеличение расхода топлива.
Сегодня мы поговорим о химических «антифризах», которые меняют поведение дизельного топлива при низких температурах.
Что такое депрессорно-диспергирующие присадки? Углубляемся в механизмы
Депрессорно-диспергирующие присадки — это сложные композиции, состоящие из компонентов различного химического состава и функционального назначения, которые «перепрограммируют» поведение парафинов в дизельном топливе при низких температурах.
Эти добавки решают две ключевые задачи:
1. Обеспечение депрессорного эффекта - снижают температуру фильтруемости и застывания дизельного топлива, не давая ему превратиться в «желе».
2. Диспергирующее действие — предотвращают слипание (объединение) кристаллизующихся из топлив при отрицательных температурах н-парафинов в крупные агрегаты и образование осадка. Благодаря этому даже в мороз топливо сохраняет текучесть, а фильтры и топливная система остаются чистыми.
Чтобы понять, как они работают, заглянем в молекулярный мир.
1. Депрессорный эффект: почему топливо не превращается в «желе»?
Парафины — естественные компоненты дизеля. При охлаждении они кристаллизуются, постепенно осаждаются, агломерируются и взаимодействуют друг с другом, образуя трёхмерную сетчатую структуру, которая буквально «цементирует» топливо.
Как присадки ломают этот сценарий? Депрессоры не предотвращают образование кристаллов воска, их задача - не позволить этим парафинам стать большими. Сделать так, чтобы они, хоть и кристаллизовались, но остались достаточно маленькими, проходящими через фильтр, не забивая его.
Депрессоры — это обычно беззольные полимерные по структуре соединения, состоящие из углеводородных сегментов цепи, которые обеспечивают взаимодействие присадки с парафином в топливе, и полярного сегмента, который отвечает за изменение морфологии кристаллов воска, необходимое для ингибирования агрегации кристаллов. В результате большого количества исследований по поиску депрессорных присадок на практике нашли применение такие продукты как сополимеры этилена и винилацетата, алкилметакрилатов с винилацетатом, полиалкилметакрилаты, сополимеры малеинового ангидрида и различных олефинов и многие другие.
Существуют две распространённые и в то же время конкурирующие теории о механизме действия депрессорных присадок на дизельное топливо, однако обе основаны на взаимодействии молекулы депрессора и кристалла парафина. Согласно первой из них, молекулы депрессорных присадок (например, сополимеры этилена и винилацетата) адсорбируются на поверхности образующихся кристаллов н-парафина своей полярной частью. Неполярная часть («хвост») направлена в среду и препятствует сближению кристаллов и их объединению в упорядоченную структуру. Вторая теория предполагает совместную кристаллизацию н-парафина и депрессора. Неполярная часть молекулы полимера депрессорной присадки встраивается в структуру кристалла н-парафина, а полярная часть обращена к раствору, что препятствует дальнейшему сближению и укрупнению кристаллов. Можно предположить, что в зависимости от структуры активного вещества депрессора будет преобладать первый или второй механизм, а также нельзя исключать возможность смешанного типа взаимодействия депрессора с кристаллами н-парафина.
В результате в топливе, обработанном депрессорной присадкой вместо крупных пластинчатых форм образуются небольшие игольчатые кристаллы, которые не создают сплошной каркас и имеют меньшую тенденцию засорять топливные фильтры. Макроскопически этот эффект проявляется в улучшении условий течения топлива и замедлении образования парафина. Кристаллы могут проходить через фильтры с достаточно большим размером пор, а те, которые задерживаются на фильтре, образуют более проницаемый слой и растворяются быстрее по мере нагревания топлива.
2. Диспергирующее действие: почему кристаллы не слипаются?
В настоящее время эффект, обеспечиваемый применением депрессоров в топливах, не всегда удовлетворяет потребителя, зачастую даже самые эффективные продукты решают далеко не все проблемы.
Присадки для улучшения текучести значительно уменьшают размер кристаллов воска, которые образуются ниже температуры помутнения топлива, но обеспечивают только подвижность топлив и прокачиваемость через холодные фильтры, и не всегда обеспечивают стабильность топлива при длительном холодном хранении или стоянке.
Какими бы мелкими и легкими ни были бы кристаллы парафинов, но силу тяжести не обманешь – со временем рано или поздно они все равно могут осесть на дно топливного бака стоящего на морозе автомобиля, оставляя прозрачную верхнюю фазу и нижнюю фазу, насыщенную тонкодисперстным осадком парафинов. Этот нижний слой все еще может вызывать проблемы с засорением фильтра, поскольку топливо обычно забирается со дна бака. Проблема устойчивости при пониженных температурах может возникать не только непосредственно у владельцев автомобилей, но и при транспортировке, хранении и прокачивании дизельного топлива на нефтебазах и АЗС.
Здесь вступает в «игру» вторая часть низкотемпературных присадок — диспергирующая.
Для обеспечения седиментационной устойчивости к расслоению при низких температурах в топливо вводят специальные добавки - диспергаторы. Диспергаторы - присадки для предотвращения осаждения парафинов, всегда используемые в сочетании с присадками для улучшения текучести, еще больше замедляют рост кристаллов и сохраняют кристаллы достаточно маленькими, чтобы они оседали гораздо медленнее и оставались диспергированными в топливе в течение гораздо более длительного периода времени.
Считается, что важны два различных механизма действия диспергаторов:
1. Диспергаторы в сочетании с депрессорами ограничивают величину кристаллов н-парафинов ниже уровня, при котором броуновское движение препятствует (не позволяет) им опуститься на дно сосуда . В необработанном топливе размеры кристаллов находятся в диапазоне мм, они могут быть уменьшены до примерно 10-20 мкм с помощью депрессорных присадок, а диспергаторы дополнительно уменьшает размеры кристаллов до примерно 1-5 мкм.
2. Однако уменьшение размера кристаллов недостаточно для объяснения всех изменений скорости осаждения, которые обычно наблюдаются. Считается, что основной механизм заключается в стабилизации суспензии парафинов за счет создания молекулами диспергаторов на поверхности кристаллов заряженного полярного слоя и возникновения сил, способствующих электростатическому отталкиванию отдельных кристаллов друг от друга и прекращению их роста. Как следствие – кристаллы, покрытые защитным слоем молекул диспергатора, словно «плёнкой», меньше склонны к агрегации, равномерно распределяются по всему объему и остаются взвешенными в топливе, а не скапливаются на дне бака, а фильтры остаются чистыми даже в экстремальные холода.
Диспергаторы сами по себе практически не влияют на низкотемпературные показатели дизельных топлив, а служат для повышения стабильности топлива к выпадению парафинов при холодном хранении.
Надежная работа транспортного средства примерно до 15 -20 °C ниже температуры помутнения топлива может быть достигнута только при совместном использовании диспергаторов и депрессорных присадок.
Механизм диспергирования парафинов
Молекулы депрессора адсорбируются на поверхности кристаллов парафинов, препятствуя их росту, а молекулы диспергатора, адсорбируясь на поверхности кристаллов парафинов с адсорбционным слоем из молекул депрессора, стабилизируют дисперсную систему, препятствуя укрупнению кристаллов парафинов.
Тандем совместного использования депрессора и диспергатора даёт отличный синергетический эффект и усиливает действие друг друга. При правильном подборе присадок, а также их соотношения в композиции, стабильность ДТ при длительном хранении может быть существенно увеличена.
Испытания на реальных автомобилях показали, что улучшения в низкотемпературной работоспособности транспортного средства на 3–5 °C могут быть достигнуты при использовании диспергаторов в сочетании с депрессорами, даже если нет измеримого влияния на ПТФ (предельная температура фильтрования).
Таким образом, для придания дизельным топливам устойчивых низкотемпературных свойств и расширения диапазона температур, в котором можно эксплуатировать технику без проблем, применяют депрессоры в сочетании с диспергаторами.
Получение желаемого результата от введения депрессорно-диспергирующих присадок требует определенной подготовки топлива, подбора продуктов, присадок, соответствующих его составу, специфицируемому уровню низкотемпературных параметров и обеспечению требований по седиментационной устойчивости топлива при холодном хранении, соблюдения необходимого температурного режима их введения.
Как регулируют эффективность присадок и почему их необходимо добавлять только на нефтеперерабатывающих заводах? Узнаете в следующей статье....
*Подписывайтесь на канал, чтобы узнавать больше о том, как устроено современное топливо и автомобильные технологии. Берегите свои двигатели! * 🧪🚛