Развитие теоретических представлений о межмолекулярных взаимодействиях углеводородов в дизельных топливных композициях на основе молекулярного моделирования

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 18-79-00095

НазваниеРазвитие теоретических представлений о межмолекулярных взаимодействиях углеводородов в дизельных топливных композициях на основе молекулярного моделирования

Руководитель Францина Евгения Владимировна, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" , Томская обл

Конкурс №29 - Конкурс 2018 года по мероприятию «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-401 - Энергетические системы на органическом топливе

Ключевые слова Нефтепереработка, дизельное топливо, теплотворная способность, воспламеняемость, низкотемпературные свойства, межмолекулярные взаимодействия, углеводороды, квантово-химические методы

Код ГРНТИ61.01.77

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Дизельные топлива - это сложные химические системы, состоящие из углеводородов различных гомологических групп, а также добавленных модификаторов и присадок для улучшения эксплуатационных свойств. При этом они должны удовлетворять требованиям к эксплуатации в условиях низких температур, воспламеняемости и, по возможности, обладать максимальной теплотворной способностью. К таким свойствам относятся: температура застывания, температура помутнения, предельная температура фильтруемости, цетановое число, а также теплота сгорания на единицу объема (энергоемкость). Указанные эксплуатационные свойства дизельных топлив фактически определяются углеводородным составом смешиваемых фракций, но при этом имеют неаддитивную природу, что связано с межмолекулярным взаимодействием компонентов различной химической природы. Однако в настоящее временя в науке не существует однозначного понимания и описания межмолекулярных взаимодействий между компонентами дизельных топливных композиций, что связано во многом со сложностью их оценки, ограничениями, накладываемыми экспериментальными методами исследования и недостаточным развитием методов молекулярного моделирования, в частности квантово-химических методов расчета электронной структуры молекул. По этой причине проблема вклада межмолекулярных взаимодействий, возникающих между компонентами дизельных топливных композиций, в формирование их эксплуатационных свойств, является актуальной. Кроме того, различные группы углеводородов, входящих в состав дизельных топлив по-разному влияют на их эксплуатационные свойства. Так н-парафины обладают высокими показателями по цетановому числу, поэтому улучшают показатель воспламеняемости. В то же время их присутствие в составе дизельных топлив ухудшает низкотемпературные свойства. Изо-парафины, наоборот, обладают лучшими низкотемпературными свойствами по сравнению с н-парафинами с тем же числом углеродных атомов, однако, заметно ухудшают показатели воспламеняемости топлива. Полициклические ароматические углеводороды (би- и трициклы) нормируются ГОСТом и их содержание не должно превышать 8 % масс. (для топлив 5 класса), поскольку они оказывают негативное влияние на воспламеняемость топлива и окружающую среду. Поэтому задача, связанная с определением оптимального углеводородного состава дизельных топливных композиций для обеспечения максимальной теплотворной способности при сохранении требований по воспламеняемости и низкотемпературным свойствам, остается актуальной. Данное исследование направлено на решение научной проблемы, связанной с оценкой вклада межмолекулярных взаимодействий, возникающих между компонентами дизельных топливных композиций, в формирование их эксплуатационных свойств, что будет способствовать развитию теоретических представлений о природе межмолекулярных взаимодействий в углеводородных системах, на основе которых станет возможным разработка подходов к определению оптимального углеводородного состава дизельных топливных композиций для обеспечения максимальной теплотворной способности при сохранении требований по воспламеняемости и низкотемпературным свойствам. Для решения научной проблемы в данном исследовании предполагается решение 3 основных научных задач, связанных с: 1. Оценкой влияния различных групп углеводородов (парафинов, олефинов, нафтенов и ароматических углеводородов) на теплотворную способность дизельных топливных композиций на основе квантово-химических расчетов энтальпий окисления. 2. Изучением влияния инициаторов горения (алкилнитратов) на различные группы углеводородов дизельных топливных композиций. 3. Оценкой межмолекулярных сил, возникающих при взаимодействии углеводородов различной химической природы с депрессорными и диспергирующими присадками с использованием квантово-химических методов расчетов молекулярных комплексов «углеводород-депрессор» и «углеводород-диспергатор». Научная новизна исследования заключится, с одной стороны, в развитии теоретических представлений о межмолекулярных взаимодействиях между компонентами дизельных топливных композиций и оценке их вклада в их эксплуатационные свойства – теплотворную способность, воспламеняемость и низкотемпературные свойства. А с другой - в используемых подходах к решению проблемы оценки межмолекулярных взаимодействий, а именно: использовании методов молекулярного моделирования, в частности квантово-химических расчетов для их описания. Научная значимость решения данной проблемы будет способствовать развитию теоретических представлений о природе межмолекулярных взаимодействий в углеводородных системах, на основе которых станет возможным разработка подходов к определению оптимального углеводородного состава дизельных топливных композиций для обеспечения максимальной теплотворной способности при сохранении требований по воспламеняемости и низкотемпературным свойствам.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. М.В. Майлин, Е.В. Францина, А.А. Сычева РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ РАСЧЕТА ЦЕТАНОВОГО ЧИСЛА ДИЗЕЛЬНЫХ ФРАКЦИЙ НА ОСНОВЕ ИХ УГЛЕВОДОРОДНОГО СОСТАВА И МЕЖМОЛЕКУЛЯРНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ КОМПОНЕНТОВ СМЕСИ Технологии нефти и газа (планируется к подаче в журнал в июне 2019 года) (год публикации - 2019)

2. Е.В. Францина, А.А. Гринко, Н.И. Кривцова, М.В. Майлин, А.А. Сычева IDENTIFICATION OF HYDROCARBON COMPOSITIONS OF DIESEL FRACTIONS AND ASSESSMENT OF THEIR EFFECT ON FUEL OPERATIONAL CHARACTERISTICS PETROLEUM SCIENCE AND TECHNOLOGY (принята к опубликованию в мае 2019 года) (год публикации - 2019)

3. Е.В. Францина, М.В. Майлин, А.А. Сычева DETERMINATION OF COMBUSTION HEAT OF DIESEL FUEL COMPOSITIONS USING THE METHODS OF QUANTUM CHEMISTRY Petroleum and Coal (принята к опубликованию в апреле 2019 года) (год публикации - 2019)

4. А.А. Бердникова, В.В. Машнич, Е.В. Францина Исследование взаимодействия углеводородов, содержащихся в дизельных фракциях, методом квантово-химических расчетов сборник трудов конференции «Химия и химическая технология в XXI веке» (сборник трудов в подготовке) (год публикации - 2019)

5. А.А. Сычева, М.В. Майлин, Е.В. Францина Оценка стабильности радикалов, образующихся при сгорании углеводородов различного строения, в условиях дизельного двигателя на основе молекулярного моделирования сборник трудов конференции «Химия и химическая технология в XXI веке» (сборник трудов в подготовке) (год публикации - 2019)

6. А.А. Сычева, М.В. Майлин, Е.В. Францина Оценка теплоты сгорания углеводородов в условиях двигателя, входящих в состав дизельных фракций, с использованием квантово-химических методов расчета сборник трудов XIIl Международного Западно-Сибирского Нефтегазового Конгресса (сборник трудов в подготовке) (год публикации - 2019)

7. А.А. Бердникова, В.В. Машнич, Е.В. Францина Исследование состава дизельных фракций методами хроматографии и ик-спектроскопии сборник трудов конференции XXIII Международный научный симпозиум имени академика М. А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (сборник трудов в подготовке) (год публикации - 2019)

8. А.А. Сычева, М.В. Майлин, Е.В. Францина Исследование влияния состава и структуры углеводородов, входящих в состав дизельных фракций, на энтальпию их образования сборник трудов конференции XXIII Международный научный симпозиум имени академика М. А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (сборник трудов в подготовке) (год публикации - 2019)

9. Майлин М.В., Францина Е.В., Гринько А.А. Development of a mathematical model for calculating the cetane number of diesel fractions based on their hydrocarbon composition and intermolecular interactions of mixture components Combustion Science and Technology (год публикации - 2019)
10.1080/00102202.2019.1684909

10. Майлин М.В. Разработка математической модели прироста цетанового числа в зависимости от углеводородного состава с применением квантово-химических расчетов Материалы XX Всероссийской конференции молодых учёных по математическому моделированию и информационным технологиям (28 ноября-1 октября), Новосибирск: ИВТ СО РАН, 2019. - С. 29 (год публикации - 2019)

11. Машнич В.В., Францина Е.В., Майлин М.В. Квантово-химические расчеты межмолекулярных взаимодействий углеводородов дизельных топлив с депрессорной присадкой сборник трудов XXIV Международного симпозиума имени академика М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (6-10 апреля 2020) (принята в печать) (год публикации - 2020)

12. Павлова А.А., Мамец А.С., Машнич В.В. Сравнение низкотемпературных свойств дизельных и газойлевых фракций сборник трудов XXIV Международного симпозиума имени академика М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (6-10 апреля 2020) (принята в печать) (год публикации - 2020)

13. Майлин М.В., Францина Е.В, Машнич В.В. Разработка модели прогнозирования низкотемпературных свойств дизельных топлив на основе их углеводородного состава и эффекта введенной присадки сборник трудов XXIV Международного симпозиума имени академика М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (6-10 апреля 2020) (принята в печать) (год публикации - 2020)

14. Машнич В.В., Павлова А.А., Францина Е.В., Майлин М.В. Экспериментальные исследования влияния концентрации депрессорной присадки на изменение низкотемпературных свойств дизельных фракций сборник трудов Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Химия. Экология. Урбанистика» (18-19 апреля 2020) (принята в печать) (год публикации - 2020)

15. Францина Е.В., Гринько А.А., Майлин М.В., Луценко А.С., Бабий Е.И. Low-temperature properties of diesel fractions as a function of their hydrocarbon composition and effect of injected additive Petroleum Science and Technology (подана в издательство) (год публикации - 2020)

16. Францина Е.В., Гринько А.А., Майлин М.В., Бердникова А.А., Машнич В.С. The use of chromatography-mass spectrometry in the study of the hydrocarbon composition of diesel fuels Abstracts of IV Scientific-Technological Symposium CATALYTIC HYDROPROCESSING IN OIL REFINING (21-25 сентября 2020) (принята в печать) (год публикации - 2020)

17. Бердникова А.А., Майлин М.В., Францина Е.В. Влияние углеводородного состава на воспламеняемость дизельных топлив с учетом межмолекулярных взаимодействий сборник трудов XXIV Международного симпозиума имени академика М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (6-10 апреля 2020) (принята в печать) (год публикации - 2020)

18. Бердникова А., Майлин М.В., Францина Е.В. Квантово-химические расчеты межмолекулярных взаимодействий углеводородов дизельного топлива с цетаноповышающей присадкой сборник трудов Всероссийской научно-практической конференции с международным участием "Химия. Экология. Урбанистика" (18-19 апреля 2020) (принята в печать) (год публикации - 2020)

19. Бердникова А., Майлин М.В., Францина Е.В. Модель расчета прироста цетанового числа дизельных фракций при введении промотора воспламенения с учетом межмолекулярных взаимодействий Материалы XXI Международная научно-практическая конференция имени профессора Л.П. Кулёва "Химия и химическая технология в XXI веке" (21-24 сентября 2020) (принята в печать) (год публикации - 2020)

20. Бердникова А., Майлин М.В., Францина Е.В. The effect of hydrocarbon composition on the flammability of diesel fuels with taking into account intermolecular interactions Материалы XXI Международной научно-практической конференции имени профессора Л.П. Кулёва "Химия и химическая технология в XXI веке" (21-24 сентября 2020) (принята в печать) (год публикации - 2020)

21. Майлин М.В., Францина Е.В. Влияние синергетических и антагонистических эффектов на воспламеняемость дизельных фракций при введении цетаноповышающей присадки Материалы XXI Международной научно-практической конференции имени профессора Л.П. Кулёва "Химия и химическая технология в XXI веке" (21-24 сентября 2020) (принята в печать) (год публикации - 2020)

Публикации