汽油润滑性研究II_汽油化学组成的特点

石油学报(石油加工)

　　　　　　A CTA PETROL E I S I N I CA (PETROL EUM PROCESS I N G SECT I ON ) 　　　　　　

2000年6月第16卷第3期文章编号:100128719(2000) 0320038210

汽油润滑性研究

II 1汽油化学组成的特点

韦淡平

(石油化工科学研究院, 北京100083)

摘要:化学组成是决定燃料润滑性的最重要的因素, , 是研究汽油润滑性的关键。但是, 。近百年来, 在汽车和汽油平行发展的过程中, 汽油组成不断改变, 。直到80年代末, 完整的燃料组成数据还是很难得到。, 用于今后发展汽油润滑的模型及解释汽油润滑性的测定结果、芳烃、含硫化合物、含氮化合物、含氧化合物、染料和添加关　键　词:; 汽油组成

中图分类号:T E 626121; TH 117　　文献标识码:A

前文中[1]讨论了欧洲汽油的润滑性, 总的来说汽油的润滑性不如柴油, 而且磨损变化范围较宽, 很可能是由汽油组成的特点以及不同汽油间在组成方面的差异引起的。详细了解汽油的组成, 包括烃与非烃杂质, 是揭示汽油的组成与润滑性关系的关键之一。

但是, 回顾一百年来汽车与汽油同步发展的历史, 汽油组成是一个非常复杂的变数。围绕着提高抗爆性、燃料经济性和环保适应性以及充分利用各自拥有的资源这个中心目标, 不同的国家和地区在不同的时期采用不同的原料和工艺来生产汽油, 导致汽油组成不断变化[2]。

80年代以前, 收集较为完整的有代表性的燃料油组成的数据是十分困难的。例如, 80年代初, 由于

难以分析柴油重组分, 无法得到柴油组成的完整资料, 研究柴油润滑时只能依靠原油组成的分析数据, 以及对炼油工艺对柴油杂质的影响的推测, 来选择模型化合物[3]。90年代以来, 大量的台架和行车试验已证实汽车和卡车的排气毒性与汽油和柴油的组成密切相关。同一族化合物(如芳烃或烯烃) , 其结构不同, 生物毒性和对大气的污染程度相差也很大[4](用该化合物在大气中的光化学反应活性表示) , 燃料的族组成分析巳无法满足监控燃料油中有毒组分对环境污染的需要, 于是全分析技术得到迅速发展和应用, 收集有代表性的汽油详细组成数据也成为可能。本研究在总结大量国外文献的基础上, 归纳了汽油的详细化学组成, 作为今后选择模型化合物, 研究汽油的组成与润滑性关系的参考。

1　汽油组成的特点

在3大类燃料中, 汽油最轻, 沸程最低, 其中烃和非烃的化学结构也比喷气燃料和柴油简单, 且非烃的数量较少, 这为汽油全分析创造了有利的条件。尽管如此, 从组成角度来看, 由烃、非烃、掺和剂和添加剂组成的汽油仍是一种非常复杂的混合物, 1996年从汽油中鉴别出多达970种化合物, 其中有相当多的同分异构体[5]。

　收稿日期:1999208203

第3期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　汽油润滑性研究　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　39

2　汽油中烃类的族组成

与喷气燃料和柴油类似, 汽油中也存在烷烃、烯烃和芳烃3类烃。汽油的族组成是与其质量密切相关的指标。汽油可采用不同的工艺生产, 包括原油蒸馏、裂化、重整、烷基化、异构化、烯烃聚合等。将其中所得的馏分油(R efinary stream s ) 进行调和, 得到最终的汽油产品。由裂化、重整、烷基化3种工艺生产的馏分油的族组成、沸点和辛烷值列于表1。

表1　3种不同工艺生产的汽油馏分的组成和性质

Table 1　The co m position and properties of three differen t co m ponen t stream s i processi ng

Component stream

A lkylati on Catalytic refo r m ing Θm g ・c m -[**************]16

RON

℃D istillati on characteristics

I BP 10%50%

90%

FBP

RV P kPa 11387

05016127

lefins 010011516

Saturates [1**********]

H C [1**********]930

[***********][***********][***********]从表1可见, , 包括烷基化和异构化; 烯烃来自裂化和聚合工

艺; 表2列出1990, 其中烷烃、烯烃和芳烃的含量大约为60%, 10%和30%[6]。1991年德国市场上汽油的烷烃、烯烃和芳烃的平均含量分别为4718%, 1316%和3816%[7]。1994年, M illo 等[8]称其用于抗爆试验的汽油的组成很接近当时欧洲无铅汽油, 其烷烃、烯烃

和芳烃的平均含量分别为65%, 413%和3017%。1996年, 本文作者对17种欧洲汽油进行了分析, 其中烷烃、烯烃和芳烃的平均含量分别为53%, 10%和36%。尽管文献中报道的数据有一定的差异, 但仍可以比较合理地推测90年代中期欧美汽油有代表性的烷烃、烯烃和芳烃组成分别为50%～65%, 5%～15%和30%～40%。

表2　1990年美国基础汽油的性质

Table 2　Character istics of 1990US base gasoli ne

Item W ho le year W inter grade O ctane num ber [1**********]

RV P

D istillati on

I BP 323133

A P I 1)

kPa

%Υ

FBP 209207213

Saturates [1**********]

A rom atics [1**********]

O lefins 1016111992

Benzene [1**********]

[1**********]74

8160

10%50%90%

484453

9893103

166167166

w (S )

Λg ・g -338338339

　　w (O 2) =0

1) Calculated acco rding to (RON +M ON ) 2

3　汽油中各种化合物的结构和组成

无论是从满足环保的要求还是从研究润滑性的角度, 仅知道汽油族组成显然是不够的, 还必须了解

汽油中的烃和非烃的结构和相对丰度。

311　烃类的结构和组成

31111　烷烃

[9]

O zeris 用气相色谱分析B atm an 原油生产的汽油, 观察到94个色谱峰, 代表150种烃, 所鉴别的70

种烷烃归纳于表3。从表3可以看出, 这种汽油的烷烃由C 5～C 12组成, 大多数具有链状结构, 只有少数～C 9具有环状结构。C 6

(石油加工) 　　　　　　　　　　　　　　　　　　第16卷4　　　　　　　　　　　　　　　　　　石油学报0

表3　由Bat man 原油生产的汽油的烷烃

Table 3　The paraff i n ic co m pounds i n a Bat man gasoli ne

Group C 5

Compound 22M ethylbutane

n 2N um ber of isom ers

[***********][1**********]111

℃t (Bo iling po int )

[***********]13～6313

[1**********]5～89159010～9119

[1**********]～1131511717～1181911914～1241513217～1401012615～1331613616～1381414215～14412

150814717～1571015818～1631816511～16718

1741017711～18112

1951918610～18816

[1**********]613

Τ(3718℃) mm 2・s -[***********][1**********]4～013925

[***********]～[1**********]9～014764

[***********]15828～[1**********]3～[1**********]1～[1**********]8～110733

-113067-016514～016582

08047---110130------115446

2, 32D i m ethylbutane

C 6

Cyclohexane M ethylpentane

n 2H exane

2, 2, 32T ri m ethylbutane D i m ethylpentane

C 7

M ethylhexane

n 2H ep tane

n 2O ctane

D i m ethylhexane

C 8

T ri m ethylpentane M ethylhep tane D i m D i m tane T ri m C 9

T ri m ethylcyclohexane

M ethyloctane

T ri m ethylhep tane

C 10

D i m ethyloctane M ethylnonane

n 2D ecane

D i m ethylnonane

C 11

H endecane M ethyldecane 2, 62D i m ethyldecane

C 12

52M ethylhendecane 22M ethylundecane

231112　烯烃

不同的烯烃对大气光化学反应活性不同, 对环保的危害程度也不同。但是, 直到90年代初, 由于C 6

及其以上的烯烃的不稳定性和异构体的数目太多, 结构复杂, 对烯烃的研究大部分仅限于C 2～C 5烯烃。1994年, R am nas 等[10]用色质联用技术分析了催化裂化20～140℃的石脑油组分, 总烯烃约为40%, 总

烯烃的85%为20～110℃的C 5～C 7烯烃, 大部分是直链的, Α烯占多数, 环烯约占25%, 双烯只占5%

左右(见表4, 5) 。

共轭二烯促进燃料喷射器喷嘴上积炭的生成。1989年, Sw arin [11]用极谱法测定汽油中的共轭二烯, 总含量在0112%～112%。某些已鉴别的共轭二烯归纳于表6。1995年, A lem any 和B row n [12]鉴定C 5～C 6

石脑油馏分中的双烯, 含量多的是1, 32戊二烯(24%) 、甲基环丙烯(22%) 和甲基1, 32戊二烯(11%) 。31113　芳烃

汽油中芳烃的光化学反应活性大, 对大气的污染严重。1995年, D ieh l 等[13]用气相色谱傅立叶红外光谱精确地测定了汽油中的芳烃, 表明汽油中98%的芳烃为单环芳烃, 其中84%为C 7～C 9的烷基苯。此外, 汽油中还存在少量的双环芳烃(

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表4　催化裂化石脑油的烃组成

Table 4　Hydrocarbon co m position of a FCC naphtha

H ydrocarbon type

Paraffin

Sub 2type A lkane Cyclo 2alkane A lkene

O lefin

Cyclo 2alkenes A lkadienes Cyclo 2alkadienes

016

Υ(C 4)

011

Υ(C 5)

[1**********]17

Υ(C 6)

[1**********]12

Υ(C 7) 1)

[1**********]4

Υ(C 7～C 10) 1)

615(C 8～C 10) 315(C 8～C 9) 213(C 8～C 9) 215(C 8～C 9)

110(C 7～C 9) 110(C 7～C 9) 1014(8～10)

ΥTo tal

[***********]013157

013011

0140121

　　1) E sti m ated value ;

2) Cyclopentene ;

3) Cyclohexene and m ethylcyclopentene ;

4) D i m ethylcyclopentene , ethylcyclopentene and m 　alkenes i n a FCC naphtha

Group C 5

M Pentene D i m ethylbutene M ethylpentene

C 6

H exene E thylbutene M ethylcyclopentene D i m ethylpentene M ethylhexene E thyl m ethylbutene

C 7

H ep tene E thylpentene D i m ethyl cyclopentene E thylcyclopentene M ethylcyclohexene

N um ber of isom ers

[**************]11

41～7354～6864～696565～7682～9784～978694～9894～9692～106106110

013473(1) 1)

013465～013639(3) 1) 013423～013673(3) 1)

013448----014318～014486(3) 1)

----

℃t (Bo iling po int )

20～3930～37

Τ(3718℃) mm 2・s ---

　　1) T he num ber of isom ers w h ich visco sity data are available and summ arized in the range listed 1

表6　汽油中的双烯

Table 6　The dienes i n gasoli ne

Group C 5

Conjugated dienes Structure 1, 32Pentadiene M ethylbutadienes

H exadienes

C 6

2, 32D i m ethyl 21, 32butadiene 3221, 32C 7C 8C 10C 11

2, 42D i m ethyl 21, 32perntadiene

O ctadienes

2, 52D i m ethyl 22, 42hexadiene

N um ber of isom ers

12211121

5, 72D i m ethyl 21, 62octadiene

1, 92D ecadiene

M ethylhexadienes O ctadienes

222

M ethylpentadienes

H exadienes

Iso lated dienes

Structure 1, 42Pentadiene

N um ber of isom ers

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表7　调和汽油的芳烃组成

Table 7　The aro matic co m ponen ts i n a full range gasoli ne (GC F I -I R m ethod )

Group C 6C 7

Compound Benzene To luene E thyl benzene

C 8

m 2Xylene p 2Xylene o 2Xylene i 2P ropylbenzene n 2P ropylbenzene

%Υ

[***********][***********][***********][***********][***********]712

℃t (Bo iling po int )

[***********]52～154159

RON [***********]

M ON 10010098

100

12E thyl 232m ethyl 2benzene

C 9

12E thyl 242m ethyl 2benzene 1, 3, 52T tri m ethyl 2benzene 1, 2, 42T ri m ethyl 2benzene 1, 2, 32T ri m ethyl 2benzene

Indan

1, 22D iethyl 22C 10

Butylbenzene

169175～176176183

100100

183

1, 2, 4, 52T etram ethyl 2benzene 1, 2, 3, 52T etram ethyl 2benzene 1, 2, 3, 42T etram ethyl 2benzene

12M ethyl naph thalene 22218240～243241～242

C 11

O ther C 10+To tal

312　非烃的结构和组成31211　含硫化合物

多年前已发现含硫化合物会增加汽油机汽化器的沉积物的生成。无论从减少排放或是延长催化转换

器寿命的角度来说, 降低硫含量都是环保法规的首选目标。1996年, 美国加州的环保汽油CaR FG 2的硫

[14]

含量已降到40Λg g 。1994年, M artin 等在研究裂化汽油中极性杂质生成积炭的倾向时, 鉴定出汽油中的芳香硫化物为噻吩, 单、双、三甲基噻吩, 苯并噻吩和甲基苯并噻吩, 未发现硫醇和二硫醚(见表8) 。

31212　含氮化合物

分析了3种汽油中的极性组分, 包括天然杂质和添加剂, 认为天然含氮化合物主要是

烷基吡啶, 包括甲基吡啶、乙基吡啶、二甲基吡啶和甲基乙基吡啶, 此外还有异喹啉、甲基异喹啉(见表9) 。当代环保汽油的含氮量通常很低, 约为10～20Λg g 左右。31213　含氧化合物

Youngless 等

[14][15]

甲基苯酚和双甲基苯酚。M atin 等鉴定出裂化汽油中的酚类为苯酚、Youngless 等鉴定出汽油中

的含氧化合物为烷基酚、羧酸和醇(见表10) 。

[15]

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表8　催化裂化汽油中的含硫化合物

Table 8　The sulphur -con t a i n i ng co m pounds i n a FCC gasoli ne

Sulphur compounds

T h i ophene M ethylth i ophenes E thylth i ophenes D i m ethylth i ophenes T ri m ethylth i ophenes Benzo th i ophenes M ethylbenzo th i ophenes D i m ethylbenzo th i ophenes T ri m ethylbenzo th i ophenes

88%[***********]938138193

[***********]11-2414174125　　FCC gaso line refinery stream w as subject to acid 2base extracti and dried and then passed th rough a ch ro 2

m atograph ic co lum n 1T he m aterial retained on the co lum n w benzene 1H exane fracti on w as obtained by eluting w ith hexane and the percentages amounted to w n 1w h ich amounted to 0157%of the fuel , w as obtained by elut 2ing w ith benzene 1

w (Sulfur ) Λg ・g -1:In benzene fracti on , 2200

表9　3种商品汽油中的含氮化合物

Table 9　N itrogen -con t a i n i ng co m pounds i n three co mm erc i al gasoli nes

T ype

Group C 6

A niline

C 7C 9C 6

Compound A niline 22M ethyl 2aniline N 2ethyl 222m ethyl 2aniline

22M ethyl 2pyridine 2, 62D i m ethyl 2pyridine 22E thyl 2pyridine

C 7

2, 32D i m ethyl 2pyridine 2, 52D i m ethyl 2pyridine

Pyridine

3, 52D i m ethyl 2pyridine 2, 3, 52T ri m ethyl 2pyridine 2, 4, 62T ri m ethyl 2pyridine

C 8

2, 3, 62T ri m ethyl 2pyridine 32E thyl 242m ethyl 2pyridine 32E thyl 252m ethyl 2pyridine 52E thyl 222m ethyl 2pyridine

Isoquino line

C 910

Isoquino line 178242251

01770141

171～172

[**************]2

[**************]6

0104

℃t (Bo iling po int )

184196203～205128～129143～145149162～163157169～170

[1**********]4

[***********]26

5165

　　1) D etected by GC M S

(石油加工) 　　　　　　　　　　　　　　　　　　第16卷4　　　　　　　　　　　　　　　　　　石油学报4

表10　3种商品汽油中的含氧化合物

Table 10　The oxygen -con t a i n i ng co m pounds i n three conven tional gasoli nes

T ype Group 6

Compound 22M ethyl 2pheno l 32M ethyl 2pheno l 2, 52D i m ethyl 2pheno l 2, 62D i m ethyl 2pheno l 3, 52D i m ethyl 2pheno l

C 7

A lkyl 2pheno l

3, 42D i m ethyl 2pheno l 32E thyl 2pheno l 2, 3, 52T ri m ethyl 2pheno l 22E thyl 252m ethyl 2pheno l 32E thyl 252m ethyl 2pheno l

42P ropyl 2pheno l 32(1, 12) 42(1C 10

1, 2D ) pheno l 221i m ethylethyl ) 262m ethylpheno l 42(1, 12D i m ethylethyl ) 222m ethylpheno l

A cid

C 3C 43C 4

A cetic acid 22M ethylp ropano ic acid

1, 222E thoxyethano l

2, 222()

12Pentano l

C 5

A lcoho l

C 6

32Pentano l

22P ropoxyethano l 22(22M ethoxyethoxy ) 2ethano l

22Putoxyethano l 22(22E thoxyethyl ) 2ethano l 42H ydroxy 222m ethyl 222pentano l 12(22Butoxyethoxy ) ethano l

[**************]6～138114～115116～117

0106

0109

232

℃t (Bo iling po int )

[***********]227195～[***********][**************]

[***********][***********][**************]

[***********][***********][**************]5

[***********][***********][***********]1833184

31634115

C 810

～231

196211

　　1) D etected by GC M S

313　汽油掺和剂和添加剂31311　汽油掺和剂

按新环保法规规定, 新配方汽油要加含氧掺和剂, 以使燃烧更完全和提高辛烷值, 一般加入量为10%～15%。据报道, 有的国家和地区在汽油中的加入量高达20%[13]。最重要的含氧掺合剂是甲基叔丁基醚,

此外还有甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、异丁醇、叔丁醇等。31312　汽油添加剂

自20年代以来, 就使用添加剂来改善汽油性能和解决特定的问题[16], 其中有抗爆剂、抗氧剂、抗腐剂、金属钝化剂、破乳剂、抗静电剂、染料、泄漏示踪剂以及减少管线输送燃料阻力的添加剂等。添加剂使用的剂量很少, 大多数是几到几百Λg g 。这些添加剂的类型、功用、结构特征和典型含量列于表11。

4　汽油的化学组成

为了深入研究汽油润滑性, 应有一个较为完整的汽油组成的图表。但是, 正如上面所述, 汽油中的组分达千种, 列出汽油中检测到的每一种化合物, 会令人眼花潦乱。比较切合实际的是通过适当合并(如

第3期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　汽油润滑性研究　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　45

将一些同分异构的化合物合并) , 得到一个详细程度介于族组成和化合物组成之间的汽油组成。有代表性的汽油组成归纳于表12。从表12可以看出, 汽油中的天然杂质含量很低, 不含多环芳烃, 硫、氮化合物

[17]

多在几十到几百Λg g 。80年代, 柴油大多含有百分之几的三环芳烃和千分之几的硫。

表11　汽油添加剂及其用途

Table 11　Gasoli ne additives and the ir usage

A dditive type O xidati on inh ibito r Co rro si on inh ibito r M etal deactivato r Carburetto r Injecto r

D epo sit contro ler Carrier o il

A ntiknock agents

Functi on

Inh ibit oxidati on and gum fo r m ati on

Inh ibit co rro si on of iron

Inh ibit oxidati on and gum fo r m ati on catalysed P revent and remove depo sits in r R emove and p sits th r , m anifo ld

Increase octane num ber

Chem ical structure A rom atic am ines and Carboxylic acids , am ine carboxylates

Po lybutene am ines , po lyether am ines

Do sage Λg ・g -20～40

～50

2～1520～120

100～600200～1000

40～180～151～3

L ead alkyl

Calcium o leate, ch rom ium

naphenate , ch rom ium A zo , diazo o r anth raquinone type ～C 10range A lcoho l in the C 8

A nti 2static additives

D yes T racers

P i peline drag 2Identificati on

Environm ental monito ring

～14

1～31～3

表12　现代商品汽油的典型的组成

Table 12　The represen t ative co m position of m odern co mm erc i al gasoli ne

Component

Chem ical structure

t (Bo iling

T yp ical content

～C 6C 4

Paraffins

) 0～80

80～15020～8382～110

-1

(510～615) ×105

～C 9C 7～1210

～C 6A lkene C 5

(015～115) ×105

O lefins

A lkene C 7

～C 10A lkene C 8

Conjugated dienes

Benzene

80111～114152～183218～243

10～300

128～178242251

10～20(310～410) ×105

A rom atics

～C 8A lkylbenzene C 7

～C 10A lkylbenzene C 9

N aph thalenes

T h i ophene , Benzo th i ophene , Sulph ide

Sulphur i m purities N itrogen i m purities

～C 8Pyridines C 6

～109

～C 10A lkylpheno l C 7

～C 10) A lcoho ls (C 5

～C 8) A lkoxyalcoho l (C 4

O xygen i m purities

(石油加工) 　　　　　　　　　　　　　　　　　　第16卷4　　　　　　　　　　　　　　　　　　石油学报6

续表12

Component

Chem ical structure

M TBE M ethano l

O xygenate

E thano l Isop ropyl Carburetto r D epo sit contro l Carrier o il

A dditives

A ntiknock agents A nti 2D yes T racers P i peline drag 2, Am ines and am ine carboxylates

Po lybutene am ines , L o leate , ch rom ium naphenate , A zo, diazo o r anth raquinone type ～C 10range A lcoho ls in the C 8

t (Bo iling

T yp ical content

) 55～56

657882108

-1

(110～115) ×105

2040

～50

2～15

20～120100～600200～1000(410～18) ×105

151～3

～14

1～31～3

5　结　论

3大类燃料中, 汽油是化学结构和组成最简单的一类燃料, 但仍是包含上千种不同化合物的混合物。

汽油的最主要成分是C 5～C 12的烷烃、单烯烃和单环芳烃, 这3种成分的总和约占不加掺和剂的汽油的

98%。此外, 还有二烯烃、双环芳烃等活性组分, 以及含硫、氮、氧等非烃化合物。

参考文献:

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作者简介:

韦淡平(1944-) , , 博士, 目前从事金属加工用油的研制和添加剂摩擦化学的研究。

STUDY ON THE L UBR I C IT Y OF GAS OL INE FUEL S

. The Che m ica l Co m position of Ga sol i ne Fuels II

W E I D an 2p ing

(R esea rch Institu te of P etroleum P rocessing , B eij ing 100083, Ch ina )

Abstract :Chem ical com po siti on has been recogn ized to be the m o st i m po rtan t facto r in deter m in ing the lub ricity of fuels 1Investigati on of w hat k ind of m o lecu lar species , including hydrocarbon s and i m p u rities are p resen t in gaso lines is thu s a crucial p rob lem in studying gaso line lub ricity 1How ever , gaso line com 2po siti on , to a great ex ten t , dep ends on the sou rce of feedstock and its p roducti on m ethod 1In a cen tu ry of p arallel evo lu ti on of car and gaso line , the com po siti on of gaso line has been varying over ti m e and from coun try to coun try 1Even un til late in the 1980s , com p lete info r m ati on concern ing fuel com po siti on w as still difficu lt to acqu ire 1In th is investigati on , an attem p t w as m ade to co llect and summ arize som e sys 2tem atic com po siti on data in a fo r m as com p lete as po ssib le , fo r u se in bo th the developm en t of m odel fu 2els fo r testing and to in terp ret fuel lub ricity m easu rem en t 1T hese data have given m o re details on indi 2vidual com po siti on of gaso lines , including structu res and con ten ts of paraffin s , o lefin s , arom atics , oxy 2genates , su lp hu r i m p u rities , n itrogen i m pu rities , oxygen 2con tain ing i m p u rities , dyes , and additives , etc 1Key words :gaso line ; group com po siti on ; individual com po siti on

汽油润滑性研究II_汽油化学组成的特点

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