车用乙醇汽油中不同调合组分对蒸气压影响的研究

车用乙醇汽油中不同调合组分对蒸气压影响的研究

赵庸 王雯丹 赵博 李瑶 于冰

辽宁福爱尔油气检验有限公司 辽宁 沈阳 110000

摘要：针对汽油调合组分化学组成差异大，其与乙醇调合过程产品质量控制困难的现状，考察不同调合汽油组分及含量对车用乙醇汽油蒸气压的影响。添加变性燃料乙醇体积分数低于10%的乙醇汽油，其饱和蒸气压呈先升高后降低的趋势。

关键词：乙醇汽油；组分；饱和蒸气压；影响

1 引言

石油产品饱和蒸气压作为评价车用乙醇汽油调合组分的重要质量指标之一，它客观发映汽油在一定温度下由液态转化为气态的能力。但汽油的饱和蒸气压过高或过低，易导致汽车油路系统产生气阻或发动机启动困难，而乙醇的加入也会影响饱和蒸气压。在GB 22030-2017中规定每年的11月1日-4月30日饱和蒸气压控制在40~78kPa；5月1日-10月31日饱和蒸气压控制在35~58 kPa；根据GB 18351-2017中对饱和蒸气压的要求，每年的11月1日-4月30日饱和蒸气压控制在46~78kPa；5月1日-10月31日饱和蒸气压控制在40~65 kPa。

本课题探讨的是某炼厂生产的车用乙醇汽油调合组分与乙醇的混合溶液的非理想性，并选择4种不同工艺装置生产的典型汽油馏分通过添加0%~10%不同比例的乙醇研究其蒸气压变化规律及影响因素，车用乙醇汽油的生产及调合提供参考。

2.乙醇的主要性质与用途^〔1-4〕

2.1 乙醇的物理化学性质

乙醇又称酒精，是由C、H、O3种元素组成的有机化合物，乙醇分子由烃基（-C2H5）和官能团羟基（-OH）两部分构成。常温常压下，乙醇是无色透明的液体，具有特殊芳香味和刺激味，吸湿性强，可与水以任意比例混合并产生热量，混合后总体积缩小。纯乙醇的相对密度为0.79.沸点为78.3，乙醇易挥发、易燃烧。在乙醇分子中，由于氧原子的电负性大，使C-O键和O-H键具有较强的极性而容易断裂。

2.2 变性燃料乙醇

按照我国国家标准“变性燃料乙醇”（GB 18350-2013）和“车用乙醇汽油” （GB18351-2017）的规定，燃料乙醇是未加变性剂的、可作为燃料用的无水乙醇。变性燃料乙醇是以淀粉、糖质为原料，经发酵、蒸馏制得，脱水后，再添加变性剂改性的乙醇。

3.实验部分

3.1 试剂

乙醇为变性燃料乙醇，采自国投生物科技投资有限公司。

4种汽油馏分分别为重整汽油、加氢汽油、烷基化汽油与重石脑油，分别来自某炼化企业的原油催化重整、加氢裂化、烷基化等生产装置。

3.2 检测方法及仪器

因本次受样品量和实验设备条件的制约，故本实验采用SH/T 0794-2007《石油产品蒸气压的测定 微量法》测定，仪器设备选择英国希塔(STANHOPE-SETA)公司全自动微量蒸气压测定仪SETAVAP2型进行测定。

3.3 样品的制备

将变性燃料乙醇、4种调合后的汽油组分分别置于冰箱冷藏室中（0℃-1℃）中冷藏，其中汽油组分充装量为70%~80%。4种调合组分调节不同添加比例，分成A、B、C、D、E、F六组。取混合样品20ml，并按体积配制1%~10%样品，盖上瓶盖后混合均匀，将样品放入冰箱后冷藏备用，样品在试验前至少在该温度下存放2h。

4 结果与分析

4.1 测量结果

4.1.1 A组测量结果

改变基础油中重石脑油质量比，由4%增加至7%，烷基化组分质量比由14%降低至11%，将重整组分质量比固化为48%、加氢组分质量比固化为34%，将此组调和比例数据命名为A组，具体组分构成如表1所示。

表1 A组组分构成表

A组基础油配置完成后，在未加入变性燃料乙醇的情况下检测其蒸汽压、在加入体积比为5%的变性燃料乙醇后，检测结果如表2。

表2 A组饱和蒸汽压检测结果

由表2检测结果可得知，随着重石脑组分增加、烷基化组分减少，其蒸汽压呈降低趋势，当重石脑组分含量为7%、烷基化组分含量为11%时，研究法辛烷值为90.3，已趋近于GB 22030车用乙醇汽油调合组分油中对辛烷值限定下限，故在选取基础配比时，不考虑此组配比；在其余三组配比中，A2组蒸汽压、辛烷值感受性最好，故后续配比会尽量接近A2组配比。

以A2组配比为例，添加1%-10%不同比例的乙醇汽油，其饱和蒸气压的影响如图所示。

图1不同乙醇添加比例对汽油饱和蒸气压的影响

由图1可知，该基础组分汽油蒸气压为52.7kPa，将乙醇添加到汽油中后，乙醇汽油的饱和蒸气压逐渐升高，乙醇体积分数为逐步提高至1%时，乙醇汽油饱和蒸气压提升了5.7 kPa；往后每加入1%的乙醇，饱和蒸气压提升0.4 kPa -0.6 kPa；当乙醇体积分数为5%左右时，出现最大值60.6 kPa；当体积分数大于6%后，每当乙醇体积分数以1%增加时，乙醇汽油饱和蒸汽压反而下降，下降幅度0.4 kPa -0.6 kPa；当乙醇体积分数提升至7-10%时，乙醇汽油饱和蒸气压下降趋势渐缓并趋于平稳。

4.1.2 B、C、D、E、F组样品测量

B、C、D、E、F组样品具体构成如表3所示。

表3 B、C、D、E、F组组分构成表

其余各组基础油配置完成后，分别检测未加入变性燃料乙醇及加入5%变性燃料乙醇后的饱和蒸汽压。其结果如表4所示。

表4 各组蒸汽压检测结果

由表4可得知，组分油蒸气压最高的为A1基础油，最低为B1；E5汽油蒸气压最高值为F2，最低为C2；感受性最好的为B1，最差的为B2。

当重石脑组分增加时（A、D、E组），组分油蒸气压呈下降趋势，同时乙醇感受性呈升高趋势；同时可确定重石脑组分为低辛烷值组分，调和组分汽油时应控制总体含量。

烷基化组分增加时，乙醇感受性呈降低趋势；同时可确定烷基化组分为高辛烷值组分，增加含量可有效控制乙醇汽油蒸气压。加氢组分增加时，组分汽油蒸气压呈升高趋势，为控制蒸气压结果，应控制加氢组分整体含量。重整组分增加时，乙醇感受性呈升高趋势，但趋势不明显。

4.2 汽油中烃类与乙醇的混合特性

乙醇与汽油中烃类组分结构差异较大，能与弱极性的芳烃、烯烃和非极性的烷烃、环烷烃等组分混合形成非理想溶液，混合溶液的蒸气压性质变化与其超额吉布斯自由能（G^E）-活度相关。^〔6〕

根据相关文献记载，烃-乙醇溶液的G^E /R大于0（R为通用气体常数），且随乙醇的摩尔分数的增加呈先变大后变小的趋势。表明了不同的烃-乙醇混合溶液的蒸气压大于理想溶液（各组分分子大小形状及作用力彼此相似。即认为溶质与溶剂混合成为溶液时，既不放热，也不吸热，溶液体积恰为溶质和溶剂的体积之和，符合拉乌尔定律的溶液）的蒸气压。^〔7〕

由文献可知^〔8〕，汽油中大多数饱和烃（正构烷烃、异构烷烃、环烷烃）、芳烃均能与乙醇形成最低共沸物，其共沸物的蒸气压大于纯属组分的蒸气压，即烃-乙醇共沸物的蒸气压也大于烃类、乙醇纯组分的蒸气压。

4.3 温度对汽油饱和蒸气压的影响

石油产品饱和蒸气压是随温度而变化的，一般来说，温度升高能加速分子间运动趋势，所以温度升高，蒸气压也增大，此外蒸汽压也和燃料的组分有关，不同组分有不同的蒸气压，不同组分对温度的敏感程度也存在差异。温度升高，分子运动加剧，因而单位时间内从液面逸出的分子数增多，蒸气压增大，反之，温度降低时，则蒸气压减少。由表2可知，由于乙醇汽油混合燃料组分多，成分复杂，乙醇分子和汽油各组分分子在温度40℃~60℃间，达到共沸点后，相互作用相互影响相对更加活跃，所以这段温度蒸气压增速较大。当超过70度后，汽油中易挥发物质大多已经逸出，蒸气压增幅会变缓。

5 结论

1. 受炼厂加工原料及生产工艺的影响，不同汽油馏分组成差异显著。重石脑油成分较复杂，其组分大多集中在C₆~C₁₀之间，其环烷烃、正构烷烃、异构烷烃总含量高；重整汽油中芳烃含量高，其次是异构烷烃、正构烷烃；加氢裂化的异构烷烃、环烷烃含量较高；烷基化汽油中异构烷烃含量最高，烯烃、芳烃含量极低。而不同的汽油馏分是影响乙醇汽油蒸气压非理想性变化的主要原因。不同的汽油馏分中各种烃类含量有很大差异，这可能与汽油馏分中的特征组分与乙醇分子间氢键产生相互作用有关。

2. 加入5%~6%比例乙醇汽油的饱和蒸气压升高，蒸发性有所改善。一方面，燃料能免较好的蒸发形成混合气，使发动机的启动性、加速性和稳定性等均优于车用汽油。另一方面，乙醇的引入，使得汽油发动机产生气阻的可能性增大，但在5%~6%比例乙醇含量范围内，由于蒸发性的提高幅度不大，对气阻影响不大。

3. 由于温度会对乙醇汽油饱和蒸气压造成很大的影响，所以，在乙醇汽油蒸气压实验中要控制好样品温度和环境温度，并做好样品取得和保存工作，蒸气压值在测量时才不会过高。

参考文献：

1. 孙清，《燃料乙醇及其发展概况》，沈阳农业大学工程学院

〔2〕 费华伟，王利宁，赫春燕等，《中国燃料乙醇发展现状及对石油行业的影响》

〔3〕 娄岩，《中国乙醇汽油和燃料乙醇市场供需现状》，国际石油经济

〔4〕 门秀杰，孙海萍，雷强等，《我国推广乙醇汽油的进展影响及应对建议》

〔5〕 张守浩、刘晓冰、李小贤、薛鸿鑫、赵冲、郭武，《汽油蒸气压检测能力验证实践与经验总结》，青岛赛时检验有限公司

〔6〕 李静萍、韩小茜，《吉布斯自由能概念辨析》，兰州交通大学化学与生物工程学院

〔7〕 兰雪、夏力等，《超额吉布斯自由能-状态方程模型的研究进展》，青岛科技大学炼油化工高新技术研究所

〔8〕 刘菊荣、黄风林等，《乙醇汽油（E10）蒸发性能的研究及其控制措施》

12