Исследование молодого ученого Томского политехнического университета Евгении Франциной, посвященное молекулярному моделированию в углеводородах, приблизит научное сообщество к созданию идеального морозостойкого топлива. Проект недавно получил поддержку Российского научного фонда (РНФ). Подробности проекта — в материале журналистов РИА Томск.
Фото: rus-arc.ruСоздать «экстремальный дизель»
Работа носит название «Развитие теоретических представлений о межмолекулярном взаимодействии углеводородов в дизельных топливных композициях на основе молекулярного моделирования». Этот проект эксперты РНФ выделили из сотни других по вполне понятным причинам. В условиях новой стратегии экономического развития России стало больше уделяться внимания процессам глубокой переработки нефти, которые необходимы для получения углеводородных топлив высокого качества.
«Особую актуальность эта задача приобретает в связи с ростом потребностей в дизельном топливе зимних и арктических марок для использования в холодных климатических зонах. Это связано с тем, что большая часть территории нашей страны расположена в зонах холодного климата, а также с необходимостью освоения стратегических территорий Арктики», — рассказывает научный сотрудник отделения химической инженерии ТПУ Евгения Францина.
В рамках своего проекта Евгения выяснила, что сегодня в России существует дефицит марок дизельного топлива для использования в холодных климатических зонах. Примерно 90% от общего объема производства «дизеля» — это так называемые летние виды топлива. И только 9% приходится на зимние марки: температура их застывания равна 35-45 градусам мороза.
«Еще примерно 1% от общего объема — арктический "дизель", застывающий при минус 55 градусах. Это крайне малое количество. Поэтому организация производства низкозастывающих дизтоплив для Крайнего Севера и Арктики — очень актуальная задача»,
— комментирует автор проекта.
Научная проблема
«Экстремальное» дизельное топливо должно соответствовать целому ряду требований: это установленные правила эксплуатации в условиях низких температур, показатели воспламеняемости и теплотворной способности (температура застывания, энергоемкость и так далее).
«Все эти свойства определяются углеводородным составом смешиваемых фракций с межмолекулярным взаимодействием компонентов различной химической природы. Для создания более совершенного дизтоплива необходимо единое понимание межмолекулярного взаимодействия между компонентами дизельных топливных композиций. Но в науке сегодня такого описания не существует», — говорит Евгения Францина.
По словам молодого ученого, это связано со сложностью оценки межмолекулярного взаимодействия, а также с недостаточным развитием методов молекулярного моделирования, в частности квантово-химических способов расчета электронной структуры молекул.
Томский проект должен решить эту научную проблему. Его команде предстоит сформулировать теоретические представления о природе межмолекулярного взаимодействия в углеводородных системах. На их основе можно будет разработать подходы для определения оптимального углеводородного состава «экстремального дизеля».
Такое топливо будет обладать максимальной теплотворной способностью даже при очень сильном морозе, оставаясь при этом низковоспламеняемым.
Капризный состав
«Дизтопливо — это сложные химические системы, состоящие из углеводородов различных групп, добавленных модификаторов и присадок (они улучают эксплуатационные свойства), — рассказывает Евгения. — Группы углеводородов по-разному влияют на топливо. Так, н-парафины обладают высокими показателями по цетановому числу, поэтому улучшают показатель воспламеняемости. В то же время они ухудшают низкотемпературные свойства».
Еще пример. Изо-парафины обладают хорошими низкотемпературными свойствами, однако заметно ухудшают показатели воспламеняемости топлива. Полициклические ароматические углеводороды нормируются ГОСТом, и их содержание не должно превышать 8%, поскольку они оказывают негативное влияние на воспламеняемость топлива и окружающую среду.
«Поэтому очень важно определить оптимальный углеводородный состав дизельных топливных композиций для обеспечения максимальной теплотворной способности при сохранении требований по воспламеняемости и низкотемпературным свойствам», — говорит собеседница агентства.
Научная новация
Политехникам предстоит решить три научных задачи в проекте. Они оценят влияние различных групп углеводородов: парафинов, олефинов, нафтенов и ароматических углеводородов — на теплотворную способность дизельных топливных композиций. После этого ученые изучат влияние инициаторов горения — алкилнитратов. Затем оценят межмолекулярные силы, возникающие при взаимодействии углеводородов различной химической природы с присадками.
Для этого они применят квантово-химические методы расчетов молекулярных комплексов. Это, по словам Евгении Франциной, придаст исследованию определенную новизну наравне с самим фактом развития теоретических представлений о межмолекулярных взаимодействиях между компонентами дизельных топливных композиций и оценке их вклада в эксплуатационные свойства.
Добавим, недавно Российский научный фонд поддержал проекты вуза более чем на 150 миллионов рублей. Это 20 победителей двух грантовых конкурсов — на проведение исследований молодыми учеными или научными группами под руководством молодых ученых. Работы политехников посвящены самым разным вопросам. Это спектроскопия высокого разрешения молекулы NH3 в интересах проблем исследования атмосфер Земли и планет Солнечной системы. Это определение эффективных условий зажигания и сжигания композиционных топлив на основе промышленных отходов для улучшения экологических индикаторов работы энергетических объектов.