Исследование физико-химических характеристик традиционных и перспективных видов топлив

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 23-29-00971

НазваниеИсследование физико-химических характеристик традиционных и перспективных видов топлив

Руководитель Зубрилин Иван Александрович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева" , Самарская обл

Конкурс №78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-404 - Проблемы создания энергетического оборудования

Ключевые слова суррогат, биотопливо, горение, сажеобразование, кривая дистилляции, спитры, эфиры

Код ГРНТИ55.42.03

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В настоящее время биотопливо становится более востребованным, из-за стремления сократить выбросы СО2 и перейти на возобновляемую энергетику. Из-за чего возникает потребность в новых расчетных методиках, позволяющих определять физико-химические свойства смесей ископаемых топлив с биокомпонентами (спирты, эфиры, масла). Ископаемые углеводороды и биокомпоненты представляют разные группы веществ, из-за чего классические методы определения свойств не применимы. Таким образом актуальность данной работы обусловлена потребностью в новых методиках определения физико-химических свойств перспективных топлив, для улучшения качества моделирования процессов в современных двигателях. Задача разработки универсальной методики определения свойств смесей углеводородного топлива с биокомпонентами очень сложна из-за большого количества структурных групп, входящих в состав этих веществ. В рамках данного проекта будут проведены экспериментальные исследования, дополняющие существующие, на их основе будет разработана методика, позволяющая достоверно рассчитать свойства смеси углеводородного топлива с теми биокомпонентами, которые планируется использовать в дальнейших исследованиях.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Цапенков К.Д., Литвиненко З.С., Зубрилин И.А., Штырлов А.Е., Сидорова Е.И. Исследование влияния добавок из биокомпонентов на пороговый индекс сажеобразования углеводородных топлив Перспективы развития двигателестроения: материалы международной научно-технической конференции имени Н.Д. Кузнецова, 2023, Том 1, 437-438 (год публикации - 2023)

2. Цапенков К.Д., Кураева Ю.Г., Сидорова Е.И., Штырлов А.Е., Зубрилин И.А. Влияние состава топлива на образование сажи в двигателях и энергоустановках Физика горения и взрыва (год публикации - 2024)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В ходе выполнения проекта были получены новые экспериментальные данные о свойствах смесей традиционных нефтяных топлив с различными биокомпонентами (спирты, альдегиды и кетоны). С применением этих данных, использующиеся для формирования суррогатов авиационных топлив расчетные методики определения их свойств (как для чистых компонентов, так и для их смесей) были дополнены следующими методиками: • методика расчетного определения плотности биокомпонентов и их смесей с нефтяными углеводородами, • методика расчетного определения индексов сажеобразования биокомпонентов и их смесей с нефтяными углеводородами, • методика расчетного определения кривой дистилляции смесей биокомпонентов с нефтяными углеводородами. Также полученные экспериментальные данные помогли выявить закономерности в изменении свойств авиационных топлив при добавлении к ним биокомпонентов. При изменении плотности таких смесей закон аддитивности сохраняется. Для корректного определения кривой дистилляции смесей авиационных топлив с биокомпонентами необходимо применять коэффициента активности, так как нефтяные углеводороды и биокомпоненты представляют разные группы веществ. Изменение индексов сажеобразования при добавлении биокомпонентов к нефтяным топливам происходит без сохранения принципов аддитивности. Этот эффект усиливается с увеличением доли биокомпонента в смеси, но для смесей с небольшим содержанием биокомпоеннта (до 30-50 %, в зависимости от вещества) закон аддитивности можно считать применимым. Полученные закономерности будут полезны при разработке математических моделей топлив (суррогатов) и рецептур перспективных авиационных топлив. Существующий в Самарском университете алгоритм формирования суррогатов авиационных топлив был дополнен новыми расчетными методиками, с помощью которых можно определять свойства смесей нефтяных углеводородов с кислородосодержащими биокомпонентами. Также был разработан суррогат синтетического топлива, полученного путем каталитической гидрообработки пальмового масла, его состав в объемных долях и свойства (в скобках указаны отклонения от референтного топлива): • н-гептан (CAS# 142-82-5) – 34,00% • н-гексаденкан (CAS# 544-76-3) – 32,20% • изоцетан (CAS# 4390-04-9) – 33,80% • Плотность при 20 °C 785,2 кг/м3 (0,06%); • Вязкость при 40 °C 1,573 мПа∙с (0,16%); • Коэффициент поверхностного натяжения при 20 °C 23,28 мН/м (5,61%); • Средняя молекулярная масса 157 г/моль (0,00%); • Соотношение H/C 2,18 (0,51%); • Цетановое число 55,73 (0,30%); • Низшая теплота сгорания 45,08 МДж/кг (3,47%); • Пороговый индекс сажеобразования 5,26 (3,82%). https://ssau.ru/news/22977-samarskie-uchenye-pristupili-k-masshtabnym-ispytaniyam-biotoplivnykh-dobavok-dlya-gazoturbinnykh-dvigateley

Публикации

1. Цапенков К.Д., Кураева Ю.Г., Сидорова Е.И., Штырлов А.Е., Ястребов В.В., Зубрилин И.А. Валидация расчетной методики определения кривой дистилляции для смесевых углеводородных топлив, включающих биокомпоненты Тепловые процессы в технике (год публикации - 2025)

2. Цапенков К.Д., Кураева Ю.Г., Сидорова Е.И. Зубрилин И.А. Определение высоты некоптящего пламени при горении смесей нефтяных углеводородов со спиртами, кетонами и альдегидами Неравновесные процессы : 11-й Международный симпозиум по неравновесным процессам, плазме, горению и атмосферным явлениям, НЕРАВНОВЕСНЫЕ ПРОЦЕССЫ 11-й Международный симпозиум по неравновесным процессам, плазме, горению и атмосферным явлениям, Страницы: 103-105 (год публикации - 2024)
10.30826/NEPCAP11A-25

3. Цапенков К.Д., Кураева Ю.Г., Сидорова Е.И., Штырлов А.Е., Кузнецов А.Ю., Зубрилин И.А. Расчет кривых дистилляции смесей углеводородов и кислородсодержащих компонентов с применением коэффициентов активности Физико-химическая кинетика в газовой динамике (год публикации - 2025)

4. Цапенков К.Д., Кураева Ю.Г., Сидорова Е.И., Штырлов А.Е., Зубрилин И.А. Экспериментальное исследование высоты некоптящего пламени при горении смесей нефтяных углеводородов с изомерами пропанола Химическое и нефтегазовое машиностроение (Chemical and Petroleum Engineering) (год публикации - 2025)

5. Цапенков К.Д., Кураева Ю.Г., Сидорова Е.И., Штырлов А.Е., Зубрилин И.А. Обзор и валидация расчетных методик определения давления насыщенных паров чистых нефтяных углеводородов и биокомпонентов Физико-химическая кинетика в газовой динамике (год публикации - 2025)

6. Цапенков К.Д., Кураева Ю.Г., Сидорова Е.И., Штырлов А.Е., Зубрилин И.А. Валидация расчетной методики определения индекса сажеобразования по методу вклада структурных групп для смесей нефтяных углеводородов с биокомпонентами Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение (год публикации - 2025)

7. Штырлов А.Е., Цапенков К.Д., Сидорова Е.И. Апробация методик расчёта давления насыщенных паров при построении кривых дистилляции композитных топлив Сборник тезисов работ международной молодежной научной конференции L Гагаринские чтения 2024., Сборник тезисов работ международной молодежной научной конференции L Гагаринские чтения 2024, Страницы: 98 (год публикации - 2024)

8. Зубрилин И.А., Кураева Ю.Г., Чигищев В.Д., Цапенков К.Д. Разработка суррогата смеси керосина со спиртами, кетонами и альдегидами с учетом свойств фракций Неравновесные процессы : 11-й Международный симпозиум по неравновесным процессам, плазме, горению и атмосферным явлениям, НЕРАВНОВЕСНЫЕ ПРОЦЕССЫ 11-й Международный симпозиум по неравновесным процессам, плазме, горению и атмосферным явлениям, Страницы: 37-40 (год публикации - 2024)
10.30826/NEPCAP11A-10

Возможность практического использования результатов
Результаты проекта могут быть использованы при проектировании авиационных двигателей, работающих на перспективных топливах, а также при разработке рецептур таких топлив.