АВИАЦИОННОЕ СКОНДЕНСИРОВАННОЕ ТОПЛИВО (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2016 года по МПК C10G7/00 C10L1/04 

Изобретение относится к альтернативным газомоторным топливам, преимущественно авиационным, используемым в газотурбинных, жидкостных и поршневых двигателях вертолетов и самолетов, а также в ракетно-космической технике.

Известно сконденсированное авиационное топливо для газотурбинных двигателей на основе смеси парафиновых углеводородов общей формулы C_nH_2n+2-H-деканов и H-додеканов в количестве не менее 45 масс. ароматических углеводородов общей формулы C_nH_2n-6 в количестве 12-16 масс. олефиновых углеводородов общей формулы C_nH_2n остальное (Патент США №3985638, кл. 208-15, 1976).

Недостатком получаемого топлива является высокая температура застывания (от -29 до -45°C), затрудняющая его использование в районах Крайнего Севера, значительная склонность к дымлению, увеличивающему содержание токсичных веществ в отработавших продуктах сгорания, довольно сложная технология получения, а также ограниченные ресурсы для получения этого топлива.

Известно авиационное сконденсированное топливо (АСКТ) для газотурбинных двигателей на основе смеси парафиновых углеводородов общей формулы C_nH_2n+2, содержащей в качестве парафиновых углеводородов парафиновую фракцию C₃-C₈ при следующем соотношении компонентов, масс. пропан C₃H₈ - 6-10, н-бутан C₄H₁₀ - 13-22, изобутан C₄H₁₀ - 34-48, н-пентан C₅H₁₂ - 10-12, изопентан C₅H₁₂ - 10-15, гексаны C₆H₁₄ - 5-11, гептаны C₇H₁₆ - 0,8-5,0, октаны C₈H_{18+высшие} - 0,4-2,1 (Патент РФ 2044032).

Однако при всех своих преимуществах АСКТ обладает некоторыми недостатками, ограничивающими возможность его широкого применения, особенно в разных вариантах использования. В частности, в силу того что АСКТ практически не содержит полярных гетероатомных примесей, оно имеет несколько худшие по сравнению с авиакеросинами, например с ТС-1, противоизносные и противоокислительные свойства. Это затрудняет непосредственное использование АСКТ на летательных аппаратах и в авиадвигателях, рассчитанных для работы на традиционных топливах (авиакеросине и авиабензине), без доработки их топливных систем. Кроме того, из-за повышенного давления насыщенных паров при плюсовых температурах АСКТ невозможно даже в зимних условиях (температуры на земле до +5°C в некоторых районах Сибири и Севера бывают до 10 месяцев в году) размещать в обычных топливных баках с открытым дренажем, используемых на летательных аппаратах для традиционных топлив с высотой полета, не превышающей 7 км (вертолеты, малая, легкомоторная и региональная авиация, средние магистральные самолеты и т.п.). Поэтому для хранения АСКТ на борту летательного аппарата необходимо использовать топливные баки с закрытым дренажем, рассчитанные на повышенное давление. К недостаткам АСКТ можно также отнести его меньшую плотность по сравнению с традиционными топливами и относительно небольшой хладоресурс, более высокие показатели которых могут потребоваться от топлива при некоторых условиях применения в авиационной и ракетно-космической технике.

Известно авиационное сконденсированное топливо, содержащее, % масс.: C₃H₈ - 0,1-12,0, ΣC₄H₁₀ - 24,0-72,0, ΣC₅H₁₂ - 4,0-36,0, ΣC₆H₁₄ - 0,3-14,0, ΣC₇H₁₆ - 0,1-9,0, ΣC₈H₁₈ - 0,01-3,0, ΣC₉H₂₀-C₁₂H₂₆ - остальное до 100% (Патент РФ №2458101).

Это топливо обладает практически теми же недостатками, которые присущи АСКТ (Патент РФ 2044032), так как они имеют одну и ту же сырьевую базу и близкий композиционный состав.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение ассортимента авиационного сконденсированного топлива, получаемого из углеводородного сырья, повышение разновариантности и эффективности его использования в существующих и в перспективных поршневых, газотурбинных и жидкостных двигателях, рассчитанных для работы на традиционных топливах (авиабензине, авиакеросине и др.).

Этот результат достигается тем, что по первому варианту АВИАЦИОННОЕ СКОНДЕНСИРОВАННОЕ ТОПЛИВО включает смесь парафиновых углеводородов, при следующем содержании компонентов, % масс.: ΣC₄H₁₀ - 25,0-82,0; ΣC₅H₁₂ - 4,0-41,0; ΣC₆H₁₄ - 0,1-16,0; ΣC₇H₁₆ - 0,1-11,0; ΣC₈H₁₈ - 0,01-5,0; ΣC₉H₂₀-С₁₂Н₂₆ - остальное до 100%, а также противоизносные и антиокислительные присадки, при этом суммарное содержание противоизносных и антиокислительных присадок составляет не более 0,01% масс, ароматических и нафтеновых углеводородов составляет не более 6,0% масс, а давление насыщенных паров смеси составляет, МПа (абс) при 20°C - не более 0,1; по второму варианту авиационное сконденсированное топливо включает смесь парафиновых углеводородов при следующем содержании компонентов, % масс: СН₄ - 0,1-99; С₂Н₆ - 0,1-99; С₃Н₈ - 0,1-99; $${\displaystyle \sum C_4}{H}_{10}$$ - 0,1-99; $${\displaystyle \sum C_5}{H}_{12}$$ - 0,1-99, а также противоизносные и антиокислительные присадки, при этом суммарное содержание противоизносных и антиокислительных присадок составляет не более 0,01% масс, ароматических и нафтеновых углеводородов составляет не более 6,0% масс, а давление насыщенных паров смеси составляет, МПа (абс.) при -162°C - не более 0,1, а при -82,6°C - не более 4,64.

Учитывая, что все вышеуказанные варианты авиационного сконденсированного топлива должны работать на тех же двигателях и храниться в тех же условиях, что и традиционные авиатоплива - керосин или бензин - они должны обладать близкими к ним противоизносными и антиокислительными свойствами. Обычно для улучшения этих свойств в традиционные авиатоплива добавляют соответствующие присадки - антиокислительные, например, «Агидол-1» (2,6-ди-трет-бутил-4-метилфенол) по ТУ 385901237-90, ее зарубежный аналог «Ионол» или другие, и противоизносные, например, «К» (дистиллированные нафтеновые кислоты) по ГОСТ 13302-77), ее зарубежный аналог Хайтек-580 или другие. Эффективность таких присадок достаточно высока. Их используют в различных композициях практически для всех, особенно, гидроочищенных реактивных топливах.

В качестве примера можно привести результаты испытаний на натурном стенде ВНИИ НП гидроочищенного авиатоплива типа ТС-1, чистого и с противоизносной присадкой «К». Износ сфер плунжеров топливных насосов в миллиметрах при одном и том же времени наработки составлял: без добавления присадки - 4,56, при добавлении присадки в топливо в количестве 0,003% - 1,15. Аналогично и с антиокислительными присадками. Возрастание кислотности (кислотного числа К) того же топлива без использования присадок после 12 месяцев хранения при температуре 45-50°C составляет 500-700% по сравнению с топливом с добавленными антиокислителями в оптимальной (0,003-0,004%) концентрации. (В.М.Капустин. «Нефтяные и альтернативные топлива с присадками и добавками». Москва. «КолосС». 2008 г. Стр. 145 и 151).

Специальных исследований влияния вышеуказанных присадок на характеристики АСКТ, в силу отсутствия его производства, до сих пор не проводилось. Однако можно предположить, учитывая сырьевое родство АСКТ и традиционных топлив, что эти присадки также влияют на эксплуатационные свойства и сжиженных газов. Это было подтверждено в ходе лабораторных испытаний топлива-имитатора АСКТ - сжиженного изопентана (2-метилбутан), являющемся одним из основных компонентов АСКТ и наиболее близкого к нему по эксплуатационным показателям (таблица 1) - с противоизносной и антиокислительной присадками в концентрации 0,003% масс, каждая. Они показали, что эксплуатационные характеристики изопентана близки к нормам, установленным для топлива ТС-1.

Термоокислительная стабильность АСКТ должна быть выше, чем у авиакеросина, поскольку АСКТ - это парафиновое топливо, которое не содержит не термостабильных гетероатомных соединений. Поэтому для длительного его хранения и сохранения качества не потребуется введение в него большей концентрации антиокислительной присадки, чем для авиакеросина. С другой стороны, вследствие более низкой вязкости, АСКТ имеет худшие противоизносные свойства. Поэтому для их улучшения могут потребоваться более высокие концентрации противоизносных присадок, чем для авиакеросина. Точные их величины можно установить только в процессе лабораторных, стендовых (на представительном натурном двигателе) и летных испытаний опытно-промышленной партии АСКТ. Таким образом общий анализ показывает, что суммарное содержание противоизносных и антиокислительных присадок в АСКТ будет соответствовать присадкам в традиционные авиатоплива и вряд ли превысит 0,01% АСКТ масс, (как и для авиакеросина).

Пример осуществления изобретения.

В авиационное сконденсированное топливо, полученное с использованием одного из известных способов, которые могут быть реализованы на всех газоперерабатывающих заводах, установках комплексной переработки газа и малогабаритных мобильных промысловых установках подготовки газа, добавляется антиокислительная присадка, например, «Агидол-1», ее зарубежный аналог «Ионол» или другие, и противоизносная присадка, например, «К», ее зарубежный аналог Хайтек-580 или другие.

В качестве известного способа получения авиационного сконденсированного топлива подготовки и фракционирования может быть использован, например, способ, включающий компримирование углеводородного сырья до 35 кгс/см² и охлаждение дросселированием, внешним или внутренним холодильным циклом до минус 10^…30°C, выделение сконденсированных углеводородов. При этом в зависимости от условий компримирования и охлаждения (давления и температуры), а также отгонки ее легкой части C₁-С₃ известными способами выделяют жидкую углеводородную смесь заданного состава, представляющую собой авиационное сконденсированное топливо.

При получении авиационного сконденсированного топлива одним из известных способов, включающем выделение из углеводородного сырья путем подготовки и фракционирования смеси парафиновых углеводородов общей формулы C_nH_2n+2, новым является то, что при этом выделяют смесь парафиновых и олефиновых углеводородов, включающую фракцию С₄-С₁₂, при следующем соотношении компонентов, % масс:

причем суммарное содержание олефиновых углеводородов C_nH_2n в смеси - не более 10% масс, а давление насыщенных паров смеси составляет, МПа (абс) при 20°C - не более 0.1;

При получении авиационного сконденсированного топлива одним из известных способов, включающем выделение из углеводородного сырья путем подготовки и фракционирования смеси парафиновых углеводородов общей формулы C_nH_2n, новым является то, что при этом выделяют смесь парафиновых углеводородов, включающую фракцию С₁-С₅, причем, в зависимости от необходимых условий «плотность-хладоресурс-минимальная температура», в композиции допускается наличие метана (СН₄), этана (C₂H₆), пропана (С₃Н₈), бутана (С₄Н₁₀) и пентана (С₅Н₁₂) до 99% каждого.

Таким образом, в результате реализации изобретения будет обеспечено расширение ассортимента авиационного топлива, получаемого из углеводородного сырья, повышение разновариантности и эффективности его использования в существующих и в перспективных поршневых, газотурбинных и жидкостных двигателях, рассчитанных для работы на традиционных топливах (авиабензине, авиакеросине и др.), приближение его эксплуатационных свойств к уровню традиционных авиатоплив, обеспечение возможности размещения его в зимних условиях при температуре не превышающей +5°C (такие температуры в некоторых районах Сибири и Севера бывают до 10 месяцев в году) в обычных топливных баках летательных аппаратов с высотой полета, не превышающей 7 км (вертолеты, малая и легкомоторная авиация, средние магистральные самолеты и т.п.), а также увеличение плотности АСКТ и повышение его хладоресурса.

Изобретение описывает авиационное сконденсированное топливо, включающее смесь парафиновых углеводородов, при следующем содержании компонентов, % масс.: ΣC₄H₁₀ - 25,0-82,0; ΣC₅H₁₂ - 4,0-41,0; ΣC₆H₁₄ - 0,1-16,0; ΣC₇H₁₆ - 0,1-11,0; ΣC₈H₁₈ - 0,01-5,0; ΣC₉H₂₀-C₁₂H₂₆ - остальное до 100%, а также включающее противоизносные и антиокислительные присадки, при этом суммарное содержание противоизносных и антиокислительных присадок составляет не более 0,01% масс., ароматических и нафтеновых углеводородов составляет не более 6,0% масс., а давление насыщенных паров смеси составляет, МПа (абс.), при 20°C - не более 0,1. Также раскрывается авиационное сконденсированное топливо, включающее смесь парафиновых углеводородов при следующем содержании компонентов, % масс.: CH₄ - 0,1-99; C₂H₆ - 0,1-99; C₃H₈ - 0,1-99; ΣC₄H₁₀ - 0,1-99; ΣC₅H₁₂ - 0,1-99, а также включающее противоизносные и антиокислительные присадки, при этом суммарное содержание противоизносных и антиокислительных присадок составляет не более 0,01% масс., ароматических и нафтеновых углеводородов составляет не более 6,0% масс., а давление насыщенных паров смеси составляет, МПа (абс.), при -162°С - не более 0,1, а при -82,6°C - не более 4,64. Технический результат заключается в расширении ассортимента авиационного сконденсированного топлива, увеличении плотности топлива и повышении его хладоресурса. 2 н.п. ф-лы, 1 пр.

1. Авиационное сконденсированное топливо, включающее смесь парафиновых углеводородов, при следующем содержании компонентов, % масс.: ΣC₄H₁₀ - 25,0-82,0; ΣC₅H₁₂ - 4,0-41,0; ΣC₆H₁₄ - 0,1-16,0; ΣC₇H₁₆ - 0,1-11,0; ΣC₈H₁₈ - 0,01-5,0; ΣC₉H₂₀-C₁₂H₂₆ - остальное до 100%, а также включающее противоизносные и антиокислительные присадки, при этом суммарное содержание противоизносных и антиокислительных присадок составляет не более 0,01% масс., ароматических и нафтеновых углеводородов составляет не более 6,0% масс., а давление насыщенных паров смеси составляет, МПа (абс.), при 20°C - не более 0,1.

2. Авиационное сконденсированное топливо, включающее смесь парафиновых углеводородов при следующем содержании компонентов, % масс.: CH₄ - 0,1-99; C₂H₆ - 0,1-99; C₃H₈ - 0,1-99; ΣC₄H₁₀ - 0,1-99; ΣC₅H₁₂ - 0,1-99, а также включающее противоизносные и антиокислительные присадки, при этом суммарное содержание противоизносных и антиокислительных присадок составляет не более 0,01% масс., ароматических и нафтеновых углеводородов составляет не более 6,0% масс., а давление насыщенных паров смеси составляет, МПа (абс.), при -162°С - не более 0,1, а при -82,6°C - не более 4,64.