ВЫСОКООКТАНОВЫЙ НЕЭТИЛИРОВАННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ БЕНЗИН Российский патент 2018 года по МПК C10L1/00 C10L1/04 C10L1/10 C10L1/16 C10L1/185 C10L1/223 

Для настоящего изобретения испрашивается приоритет на основании патентных заявок США №61/898290, поданной 31 октября 2013, и №61/991927, поданной 12 мая 2014 года.

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к высооктановому неэтилированному авиационному бензиновому топливу, в частности к высокооктановому неэтилированному авиационному бензину, имеющему низкое содержание кислорода.

Уровень техники

Авиабензин (авиационный бензин) представляет собой авиационное топливо, используемое в двигателях внутреннего сгорания с искровым зажиганием для приведения в движение воздушных судов. Авиабензин отличается от автобензина (автомобильного бензина), используемого повседневно в автомобилях и некоторых некоммерческих легких воздушных судах. В отличие от автобензина, который разрабатывался с 1970-х годов для использования трехступенчатых каталитических нейтрализаторов с целью уменьшения загрязнения, авиационный бензин содержит тетраэтилсвинец (ТЭС), бионеразлагаемое ядовитое вещество, используемое для предотвращения стука двигателя (детонации).

Авиационные бензиновые топлива в настоящее время содержат присадку тетраэтилсвинца (ТЭС) в количествах до 0,53 мл/л или 0,56 г/л, что является предельным содержанием, допускаемым наиболее распространенным стандартом для авиационного бензина с низким содержанием свинца 100 Low Lead (100LL). Свинец необходим для достижения высокого октанового числа, необходимого авиационным поршневым двигателям: стандарт ASTM D910 для 100LL требует минимального моторного октанового числа (MON), равного 99,6, в отличие от стандарта EN 228 для европейского автомобильного бензина, предусматривающего минимальное MON 85, или в отличие от американского автомобильного бензина, в котором для неэтилированного топлива требуется минимальный октановый индекс (R+M)/2, равный 87.

Авиационное топливо представляет собой область, в которой разработки должны выполняться с осторожностью и которая подвержена жесткому регулированию для применения в авиации. Так, например, авиационные топлива должны обладать точными физико-химическими характеристиками, определенными международными стандартами, такими как ASTM D910, разработанный Федеральным управлением гражданской авиации (FAA). Автомобильный бензин не является полностью подходящей заменой авиабензину во многих воздушных судах, поскольку многие высокопроизводительные и/или турбонагнетаемые авиационные двигатели требуют 100-октанового топлива (MON 99,6), и необходимы определенные модификации, чтобы можно было использовать более низкооктановое топливо. Автомобильный бензин может испаряться в топливных магистралях, что вызывает воздушную пробку (пузырь в магистрали) или кавитацию топливного насоса, недостаточную подачу топлива в двигатель. Воздушная пробка обычно появляется в топливных системах, в которых топливный насос с механическим приводом, установленный на двигателе, получает топливо из бака, установленного ниже насоса. Пониженное давление в магистрали может вызвать испарение более летучих компонентов автомобильного бензина, формируя пузырьки в топливной магистрали и прерывая поступление топлива.

Стандарт ASTM D910 не перечисляет все сорта бензина, пригодные для поршневых авиационных двигателей, но, скорее, определяет нижеуказанные конкретные сорта авиационного бензина для использования в гражданских целях: марка 80; марка 91; марка 100; и марка 100LL. Марка 100 и марка 100LL считаются высокооктановым авиационным бензином, отвечающим требованиям современных требовательных авиационных двигателей. В дополнение к MON, стандарт D910 для авиабензина определяет следующие характеристики: плотность; разгонка (температуры начала и конца кипения, испарение топлива, температуры испарения Т₁₀, Т₄₀, Т₉₀, Т₁₀+Т₅₀); объем выхода, остатка и потерь; давление пара; температура замерзания; содержание серы; полезная теплота сгорания; коррозия медной пластинки; стойкость к окислению (потенциальные смолы и осаждение свинца); изменение объема при взаимодействии с водой; и электрическая проводимость. Авиабензиновое топливо обычно испытывают для определения его характеристик с помощью следующих методов испытаний ASTM:

Моторное октановое число: ASTM D2700

Детонационная стойкость на бедной смеси: ASTM D2700

Показатель сортности (методом наддува): ASTM D909

Содержание тетраэтилсвинца: ASTM D5059 или ASTM D3341

Цвет: ASTM D2392

Плотность: ASTM D4052 или ASTM D1298

Разгонка: ASTM D86

Давление пара: ASTM D5191 или ASTM D323 или ASTM D5190

Температура замерзания: ASTM D2386

Сера: ASTM D2622 или ASTM D1266

Полезная теплота сгорания (NHC): ASTM D3338 или ASTM D4529 или ASTM D4809

Коррозия меди: ASTM D130

Стойкость к окислению - Потенциальные смолы: ASTM D873

Стойкость к окислению - Осаждение свинца: ASTM D873

Взаимодействие с водой - Изменение объема: ASTM D1094

Электрическая проводимость: ASTM D2624

Авиационные топлива должны иметь низкое давление пара, чтобы избежать проблем, связанных с испарением (воздушная пробка) при низких давлениях, встречающихся на высоте, и по очевидным соображениям безопасности. Но давление пара должно быть достаточно высоким, чтобы обеспечивать легкий запуск двигателя. Давление пара по Рейду (RVP) должно находиться в диапазоне от 38 кПа до 49 кПа. Конечная температура разгонки должна быть достаточно низкой, чтобы ограничить образование осадков и их вредные последствия (потери мощности, сниженное охлаждение). Эти топлива должны также обладать достаточной полезной теплотой сгорания (NHC) для обеспечения адекватной дальности полета воздушного судна. Кроме того, поскольку авиационные топлива используются в двигателях, обеспечивающих хорошую производительность и часто работающих под высокой нагрузкой, т.е. в условиях, близких к детонации, этот вид топлива должен иметь очень хорошую стойкость к самовоспламенению.

Кроме этого, для авиационного топлива определяют две характеристики, которые сопоставимы с октановыми числами: первая - MON или моторное октановое число, относящееся к работе на слегка обедненной смеси (крейсерская мощность), вторая -октановый индекс. Показатель сортности, или PN, относится к использованию существенно обогащенной смеси (взлет). С целью обеспечения высокооктановых характеристик на стадии производства авиационного топлива обычно добавляют органические соединения свинца, и, в частности, тетраэтилсвинец (ТЭС). Без добавления ТЭС MON обычно составляет около 91. Как отмечалось выше, по ASTM D910 100-октановое авиационное топливо требует минимального моторного октанового числа (MON), равного 99,6. Дистилляционный профиль композиции высокооктанового неэтилированного авиационного топлива должен иметь Т10 максимум 75°C, Т40 минимум 75°C, Т50 максимум 105°C, и Т90 максимум 135°C.

Как и в случае топлив для наземных транспортных средств, административные органы стремятся к понижению содержания свинца или даже запрету данной присадки, поскольку она является вредной для здоровья и окружающей среды. Таким образом, исключение свинца из состава авиационного топлива становится актуальной задачей.

Сущность изобретения

Было обнаружено, что трудно получить высокооктановое неэтилированное авиационное топливо, которое соответствовало бы большинству требований стандарта ASTM D910 для высокооктанового авиационного топлива. В дополнение к MON 99,6, также важно не оказывать негативного влияния на дальность полета воздушного судна, давление пара, температурный профиль и температуры замерзания, которые соответствуют требованиям к пуску авиационного двигателя и непрерывной работе на большой высоте.

В соответствии с некоторыми из этих аспектов, в одном варианте осуществления настоящее изобретение описывает композицию неэтилированного авиационного топлива, имеющую MON по меньшей мере 99,6, содержание серы менее 0,05% масс., содержание CHN по меньшей мере 97,2% масс., содержание кислорода менее 2,8% масс., Т10 не более 75°C, Т40 по меньшей мере 75°C, Т50 не более 105°C, Т90 не более 135°C, температуру конца кипения менее 210°C, скорректированную теплоту сгорания по меньшей мере 43,5 МДж/кг, давление пара в диапазоне 38-49 кПа, и содержащую смесь, состоящую из:

15-40 об. % толуола, имеющего MON по меньшей мере 107;

2-10 об. % толуидина;

30-55 об. % по меньшей мере одного алкилата или алкилатной смеси, имеющих диапазон температур начала кипения 32-60°C и диапазон температур конца кипения 105-140°C, имеющих Т40 менее 99°C, Т50 менее 100°C, Т90 менее 110°C, причем алкилат или алкилатная смесь содержит изопарафины с 4-9 атомами углерода, 3-20 об. % С5 изопарафинов, 3-15 об. % С7 изопарафинов и 60-90 об. % С8 изопарафинов, в расчете на алкилат или алкилатную смесь, и менее 1 об. % С10+ в расчете на алкилат или алкилатную смесь;

4-10 об. % разветвленного алкилацетата, имеющего алкильную группу с разветвленной цепью с 4-8 атомами углерода; и

по меньшей мере 8 об. % изопентана в количестве, достаточном для достижения давления пара в диапазоне 38-49 кПа;

при этом указанная топливная композиция содержит менее 1 об. % С8 ароматических соединений.

Признаки и преимущества настоящего изобретения будут ясны специалистам в данной области техники. Хотя специалистами в данной области а настоящее изобретение могут быть внесены многочисленные изменения, следует понимать, что такие изменения находятся в пределах сущности настоящего изобретения.

Подробное описание изобретения

Авторы настоящего изобретения обнаружили, что высокооктановое неэтилированное авиационное топливо с низким содержанием кислорода, имеющее содержание кислорода менее 2,8% масс., в расчете на неэтилированную авиационную топливную смесь, соответствующую большей части требований, предъявляемых стандартом ASTM D910 для 100-октанового авиационного топлива, может быть получено с использованием смеси, содержащей от примерно 15 об. % до примерно 40 об. % толуола с высоким MON, от примерно 2 об. % до примерно 10 об. % толуидина; от примерно 30 об. % до примерно 55 об. % по меньшей мере одного алкилата или алкилатной смеси, которая имеет определенный состав и свойства, и по меньшей мере 8 об. % изопентана и от примерно 4 об. % до примерно 10 об. % разветвленного алкилацетата, имеющего алкильную группу с разветвленной цепью с 4-8 атомами углерода. Высокооктановое неэтилированное авиационное топливо по изобретению имеет MON по меньшей мере 99,6.

Кроме того, композиция неэтилированного авиационного топлива содержит менее 1 об. %, предпочтительно менее 0,5 об. % С8 ароматических соединений. Было обнаружено, что С 8-ароматические соединения, такие как ксилол, могут иметь проблемы совместимости материалов, особенно в более старых воздушных судах. Кроме того, было обнаружено, что неэтилированное авиационное топливо, содержащее С8 ароматические соединения, как правило, представляет известные трудности в вопросе приведения температурного профиля в соответствие со стандартом D910. В одном варианте осуществления неэтилированное авиационное топливо содержит менее 0,2 об. % спиртов. В другом варианте осуществления неэтилированное авиационное топливо не содержит нециклических простых эфиров. В другом варианте осуществления неэтилированное авиационное топливо не содержит спиртов с температурой кипения ниже 80°C. Кроме того, композиция неэтилированного авиационного топлива имеет содержание бензола 0-5 об. %, предпочтительно менее 1 об. %.

Кроме того, в некоторых вариантах осуществления изменение объема неэтилированного авиационного топлива при испытании на взаимодействие с водой находится в пределах +/-2 мл согласно ASTM D1094.

Высокооктановое неэтилированное топливо не содержит свинца и предпочтительно не содержит никаких других металлических эквивалентов свинца, повышающих октановое число. Термин «неэтилированное» понимается как содержащее менее 0,01 г/л свинца. Высокооктановое неэтилированное авиационное топливо будет иметь содержание серы менее 0,05% мае. В некоторых вариантах осуществления предпочтительно иметь содержание золы менее 0,0132 г/л (0,05 г/галлон) (ASTM D-482).

Согласно действующему стандарту ASTM D910 NHC должно быть близко к 43,5 МДж/кг или выше этого значения. Значение полезной теплоты сгорания базируется на существующем авиационном топливе низкой плотности и не позволяет точно определять дальность полета для более плотного авиационного топлива. Было обнаружено, что для неэтилированного авиационного бензина, обладающего высокой плотностью, теплота сгорания может быть скорректирована для более высокой плотности топлива, чтобы точнее прогнозировать дальность полета воздушного судна.

В настоящее время существует три одобренных ASTM метода испытаний для определения теплоты сгорания по стандарту ASTM D910. Только метод ASTM D4809 приводит к фактическому определению данной величины с помощью сжигания топлива. Другие методы (ASTM D4529 и ASTM D3338) представляют собой расчеты с использованием значений других физических характеристик. Все эти методы считаются эквивалентными в стандарте ASTM D910.

В настоящее время полезная теплота сгорания для авиационных топлив (или удельная энергия) выражается гравиметрически в МДж/кг. Существующий этилированный авиационный бензин имеет относительно низкую плотность по сравнению со многими альтернативными неэтилированными композициями. Топлива более высокой плотности имеют более низкое массовое энергосодержание, но более высокое объемное энергосодержание (МДж/л).

Более высокое объемное энергосодержание позволяет хранить большее количество энергии в фиксированном объеме. Пространство в воздушных судах авиации общего назначения может быть ограничено и, следовательно, те воздушные суда, которые имеют ограниченную емкость топливного бака, или предпочитают летать с полными топливными баками, могут достигать большей дальности полета. Однако, чем более плотным является топливо, тем больше повышается масса заправленного топлива. Это может привести к потенциальному сведению на нет нетопливной полезной грузоподъемности воздушного судна. Хотя взаимосвязь этих переменных сложна, в данном варианте осуществления были разработаны композиции для наилучшего соответствия требованиям к авиационному бензину. Поскольку частично плотность влияет на дальность полета воздушного судна, было обнаружено, что более точно дальность полета воздушного судна, обычно определяемую с помощью теплоты сгорания, можно спрогнозировать с помощью корректировки плотности авиабензина, используя следующее уравнение:

НОС^*=(HOC_v/плотность)+(% увеличения дальности/% увеличения полезной грузоподъемности + 1)

где НОС^* является скорректированной теплотой сгорания (МДж/кг), HOC_v является удельной энергией в единице объема (МДж/л), полученной из фактического определения теплоты сгорания, плотность является плотностью топлива (г/л), % увеличения дальности является увеличением дальности полета воздушного судна в процентах относительно 100LL (HOC_LL), вычисленным с помощью HOC_v и HOC_LL для фиксированного объема топлива, и % увеличения полезной грузоподъемности является соответствующим увеличением полезной грузоподъемности за счет массы топлива, выраженным в процентах.

Скорректированная теплота сгорания должна составлять по меньшей мере 43,5 МДж/кг, и давление пара должно быть в диапазоне 38-49 кПа. Композиция высокооктанового неэтилированного топлива, кроме того, будет иметь температуру замерзания -58°C или менее. Кроме того, температура конца кипения композиции высокооктанового неэтилированного топлива должна быть меньше 210°C, предпочтительно не более 200°C, в соответствии с измерением при выходе более чем 98,5% в соответствии с ASTM D-86. Если уровень выхода низкий, температура конца кипения композиции не может быть эффективно измерена (т.е. более высококипящий остаток все еще будет оставаться, и не будет измерен). Композиция высокооктанового неэтилированного авиационного топлива по изобретению имеет содержание углерода, водорода и азота (содержание CHN) по меньшей мере 97,2% масс., предпочтительно по меньшей мере 97,5% масс.; и менее 2,8% масс., предпочтительно 2,5% масс. кислорода. Соответственно, неэтилированное авиационное топливо имеет содержание ароматических соединений, измеряемое в соответствии с ASTM D5134, от более чем 15% масс. до примерно 35% масс.

Было обнаружено, что высокооктановое неэтилированное авиационное топливо с низким содержанием кислорода по изобретению не только соответствует значению MON для 100-октанового авиационного топлива, но также соответствует температуре замерзания и температурному профилю Т10 не более 75°C, Т40 по меньшей мере 75°C, Т50 не более 105°C, и Т90 не более 135°C, а также требованиям по давлению пара, скорректированной теплоте сгорания и температуре замерзания. В дополнение к MON важно соответствие требованиям по давлению пара, температурному профилю и минимальной скорректированной теплоте сгорания для пуска и плавной работы авиационных двигателей самолета на большой высоте. Предпочтительно, содержание потенциальных смол составляет менее 6 мг/100 мл.

Добиться соответствия жестким требованиям, предъявляемым к неэтилированному высокооктановому авиационному топливу, достаточно трудно. Например, в публикации патентной заявки US 2008/0244963 описано не содержащее свинца авиационное топливо с MON более 100, при этом основные компоненты топлива представлены авиабензином, и второстепенный компонент состоит по меньшей мере из двух соединений из группы сложных эфиров по меньшей мере одной моно- или поликарбоновой кислоты и по меньшей мере одного моно- или полиола, ангидридов по меньшей мере одной моно- или поликарбоновой кислоты. На эти оксигенаты суммарно должно приходится по меньшей мере 15% об./об., обычно 30% об./об., чтобы композиция соответствовала требованиям по значению MON. Тем не менее, данные топлива, при этом, не соответствуют требованиям по многим другим характеристикам, таким как теплота сгорания (измеренная или скорректированная), включая даже, зачастую, MON. В качестве другого примера, в патенте US №8313540 описано биогенное реактивное топливо для газотурбинных двигателей, содержащее мезитилен и по меньшей мере один алкан с MON более 100. Однако, при этом данные топлива также не соответствуют требованиям по многим другим характеристикам, таким как теплота сгорания (измеренная или скорректированная), температурный профиль и давление пара.

Толуол

Небольшие количества толуола естественным образом присутствуют в сырой нефти и обычно образуются в процессах получения бензина с помощью каталитического риформера, в установке этиленового крекинга или при получении кокса из угля. Конечное отделение, с помощью перегонки или с помощью сольвентной экстракции, осуществляется одним из многих доступных способов экстракции ароматических соединений БТК (бензол, толуол и изомеры ксилола). Толуол, используемый в настоящем изобретении, должен быть сортом толуола, который имеет MON по меньшей мере, 107, и содержит менее 1 об. % С8 ароматических соединений. Кроме того, толуоловый компонент предпочтительно имеет содержание бензола 0-5 об. %, предпочтительно менее 1 об. %.

Например, авиационный риформат является, как правило, углеводородной фракцией, содержащей по меньшей мере 70% по массе, оптимально по меньшей мере 85% по массе, толуола и содержащей также С8 ароматические соединения (15-50% по массе этилбензола, ксилолов) и С9 ароматические соединения (5-25% по массе пропилбензола, метилбензолов и триметилбензолов). Такой риформат имеет типичное значение MON в диапазоне 102-106 и, как было обнаружено, не подходит для использования в настоящем изобретении.

Толуол предпочтительно присутствует в смеси в количестве от примерно 15 об. %, предпочтительно по меньшей мере примерно 18 об. %, наиболее предпочтительно по меньшей мере примерно 20 об. %, до не более чем примерно 40 об. %, предпочтительно до не более чем примерно 35 об. %, более предпочтительно до не более чем примерно 30 об. %, в расчете на композицию неэтилированного авиационного топлива.

Толуидин

Существуют три изомера толуидина (C₇H₉N): о-толуидин, м-толуидин и п-толуидин. Толуидин может быть получен в результате восстановления п-нитротолуола. Толуидин предлагается компанией Aldrich Chemical на коммерческой основе. Чистые мета- и пара-изомеры желательны для использования в высокооктановом неэтилированном авиабензине, также предпочтительны сочетания с анилином, как например, присутствующие в анилиновом масле для красного красителя. Толуидин предпочтительно присутствует в смеси в количестве от примерно 2 об. %, предпочтительно по меньшей мере примерно 3 об. %, наиболее предпочтительно по меньшей мере примерно 4 об. %, до не более чем примерно 10 об. %, предпочтительно до не более чем примерно 7 об. %, более предпочтительно до не более чем примерно 6 об. %, в расчете на композицию неэтилированного авиационного топлива. Ароматический аминовый компонент, включающий толуидин, может присутствовать в топливной композиции в количестве от примерно 2 об. % до примерно 10 об. % ароматического аминового компонента. Ароматический аминовый компонент содержит по меньшей мере от примерно 2 об. % толуидина в расчете на топливную композицию толуидина. Остальная часть ароматического аминового компонента может быть другими ароматическими аминами, такими как анилин.

Алкилат и алкилатная смесь

Термин «алкилат» обычно относится к парафину с разветвленной цепью. Парафин с разветвленной цепью обычно получают в результате реакции изопарафина с олефином. Доступны разные сорта изопарафинов с разветвленной цепью и их смесей. Сорт определяется диапазоном числа атомов углерода на молекулу, средней молекулярной массой молекул и диапазоном температур кипения алкилата. Было обнаружено, что определенная фракция алкилатного потока и его смесь с изопарафинами, такими как изооктан, желательна для получения или обеспечения высокооктанового неэтилированного авиационного топлива по изобретению. Этот алкилат или алкилатная смесь могут быть получены с помощью дистилляции или отбора фракции стандартных алкилатов, доступных в промышленности. Они необязательно смешиваются с изооктаном. Алкилат или алкилатная смесь должны иметь диапазон температур начала кипения от примерно 32°C до примерно 60°C и диапазон температур конца кипения от примерно 105°C до примерно 140°C, предпочтительно до примерно 135°C, более предпочтительно до примерно 130°C, наиболее предпочтительно до примерно 125°C, имеющие Т40 менее 99°C, предпочтительно не более 98°C, Т50 менее 100°C, Т90 менее 110°C, причем алкилат или алкилатная смесь содержат изопарафины с 4-9 атомами углерода, примерно 3-20 об. % С5 изопарафинов в расчете на алкилат или алкилатную смесь, примерно 3-15 об. % С7 изопарафинов в расчете на алкилат или алкилатную смесь, и примерно 60-90 об. % С8 изопарафинов в расчете на алкилат или алкилатную смесь, и менее 1 об. % С10+, предпочтительно менее 0,1 об. % в расчете на алкилат или алкилатную смесь. Алкилат или алкилатная смесь предпочтительно присутствуют в смеси в количестве от примерно 30 об. %, предпочтительно по меньшей мере от примерно 39 об. %, наиболее предпочтительно по меньшей мере от примерно 42 об. %, до не более чем примерно 55 об. %, предпочтительно до не более чем примерно 49 об. %, более предпочтительно до не более чем примерно 47 об. %, в расчете на композицию неэтилированного авиационного топлива.

Изопентан

Изопентан присутствует в количестве по меньшей мере 8 об. %, в количестве, достаточном для достижения давления пара в диапазоне 38-49 кПа. Алкилат или алкилатная смесь также содержат С5 изопарафины, так что это количество обычно будет варьироваться от 5 об. % до 25 об. % в зависимости от содержания С5 в алкилате или алкилатной смеси. Изопентан должен присутствовать в количестве, необходимом для достижения давления пара в диапазоне 38-49 кПа, для соответствия авиационному стандарту. Общее содержание изопентана в смеси обычно находится в диапазоне от 14 об. % до 26 об. %, предпочтительно в диапазоне от 12 об. % до 18 об. %, в расчете на композицию неэтилированного авиационного топлива.

Сорастворитель

Неэтилированное авиационное топливо может содержать в качестве сорастворителя разветвленный алкилацетат, имеющий алкильную группу с разветвленной цепью с 4-8 атомами углерода. Подходящим сорастворителем может быть, например, третбутилацетат, изобутилацетат, этилгексилацетат, изоамилацетат и третбутиламилацетат, или их смеси. Неэтилированные авиационные топлива, содержащие ароматические амины, как правило, более полярны по своей природе, чем традиционные топлива на основе авиационного бензина. В результате, они имеют плохую растворимость в топливах при низких температурах, что может значительно повысить температуру замерзания топлив. Рассмотрим, например, топливо на основе авиационного бензина, содержащее 10% об./об. изопентана, 70% об./об. легкого алкилата и 20% об./об. толуола. Данная смесь имеет MON около 90-93 и температуру замерзания (ASTM D2386) менее -76°C. Добавление 6% мас./мас. (приблизительно 4% об./об.) ароматического амина (анилина) повышает MON до 96,4. При этом, однако, температура замерзания полученной смеси (снова измеренная по ASTM D2386) повышается до -12,4°C. Актуальные стандартные технические требования, предъявляемые к авиационному бензину в соответствии с ASTM D910, предусматривают максимальную температуру замерзания -58°C. Таким образом, простая замена ТЭС относительно большим количеством альтернативного ароматического соединения, повышающего октановое число, не является эффективным решением для неэтилированного авиационного бензинового топлива. Обнаружено, что алкилацетаты с разветвленной цепью, содержащие алкильную группу с 4-8 атомами углерода, значительно понижают температуру замерзания неэтилированного авиационного топлива до уровня, соответствующего стандарту ASTM D910 для авиационного топлива.

Разветвленный алкилацетат присутствует в количестве от примерно 4 об. %, предпочтительно от примерно 8 об. % до примерно 10 об. %, в расчете на композицию неэтилированного авиационного топлива. Предпочтительно, изменение объема авиационного топлива при взаимодействии с водой находится в пределах +/-2 мл. Изменение объема этанола при взаимодействии с водой велико, что делает этанол неподходящим для авиационного бензина.

Смешивание

Для получения высокооктанового неэтилированного авиационного бензина смешивание может осуществляться в любом порядке, при условии, что компоненты в достаточной степени перемешиваются. Предпочтительно смешивать полярные компоненты в толуоле, добавляя затем неполярные компоненты для доведения смеси до 100%. Например, ароматический амин и сорастворитель смешивают в толуоле, после чего следует добавление изопентана и алкилатного компонента (алкилата или алкилатной смеси).

Для того, чтобы соответствовать другим требованиям, неэтилированное авиационное топливо по изобретению может содержать одну или несколько присадок, которые специалист в данной области может выбрать из стандартных присадок, применяемых в авиационном топливе. Здесь следует упомянуть (однако без какого-либо ограничения) такие присадки, как антиоксиданты, антиобледенительные вещества, антистатические присадки, ингибиторы коррозии, красители и их смеси.

В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения описывается способ эксплуатации двигателя воздушного судна и/или воздушного судна, приводимого в действие с помощью такого двигателя; где указанный способ включает введение в зону сгорания двигателя композиции высооктанового неэтилированного авиационного бензинового топлива, описанной в настоящем документе. Двигатель воздушного судна является соответствующим поршневым двигателем с искровым зажиганием. Поршневой двигатель воздушного судна может быть, например, рядного, роторного, V-образного, радиального или горизонтально-оппозитного типа.

Хотя настоящее изобретение допускает различные модификации и альтернативные формы, конкретные варианты его осуществления будут проиллюстрированы с помощью примеров, подробно описанных в настоящем документе. Следует понимать, что прилагаемое подробное описание не предназначено для ограничения изобретения конкретным описанным вариантом, а наоборот, изобретение будет охватывать все модификации, эквиваленты и альтернативы, соответствующие сущности и объему настоящего изобретения, как определено прилагаемой формулой изобретения. Настоящее изобретение будет проиллюстрировано с помощью следующего иллюстративного варианта осуществления, который представлен только для иллюстрации и не должен пониматься как каким-либо образом ограничивающий заявленное изобретение.

Иллюстративный вариант осуществления

Методы испытаний

Следующие методы испытаний использовали для количественного определения параметров авиационных топлив.

Моторное октановое число: ASTM D2700

Содержание тетраэтилсвинца: ASTM D5059

Плотность: ASTM D4052

Разгонка: ASTM D86

Давление пара: ASTM D323

Температура замерзания: ASTMD2386

Сера: ASTM D2622

Полезная теплота сгорания (NHC): ASTM D3338

Коррозия меди: ASTM D130

Стойкость к окислению - Потенциальные смолы: ASTM D873

Стойкость к окислению - Осаждение свинца: ASTM D873

Взаимодействие с водой - Изменение объема: ASTM D1094

Подробный анализ углеводородов: ASTM 5134

Примеры 1-4

Композиции авиационного топлива по изобретению смешивали следующим образом. Толуол, имеющий MON 107 (от VP Racing Fuels Inc.), смешивали с толуидином (от Chemsol) при перемешивании.

Изооктан (от Univar NV) и узкую фракцию алкилата, имеющую характеристики, показанные в таблице ниже (от Shell Nederland BV Chemie), добавляли в смесь в произвольном порядке. Затем добавляли третбутилацетат (от Univar NV) с последующим добавлением изопентана (от Matheson Tri-Gas, Inc.) для доведения смеси до 100%.

Пример 1

Изопентан - 18 об. %

Узкая фракция алкилата - 32 об. %

Толуол с высоким MON - 35 об. %

м-толуидин - 6 об. %

Третбутилацетат - 9 об. %

Пример 2

Изопентан - 18 об. %

Узкая фракция алкилата - 36 об. %

Толуол с высоким MON - 30 об. %

м-толуидин - 6 об. %

Третбутилацетат - 10 об. %

Пример 3

Изопентан - 18 об. %

Узкая фракция алкилата - 41 об. %

Толуол с высоким MON - 25 об. %

м-толуидин - 6 об. %

Третбутилацетат - 10 об. %

Пример 4

Изопентан - 18 об. %

Узкая фракция алкилата - 23 об. %

Изооктан - 20 об. %

Толуол с высоким MON - 25 об. %

м-толуидин - 5 об. %

Изобутилацетат - 9 об. %

Характеристики алкилатной смеси

Характеристики алкилатной смеси, содержащей 1/2 узкой фракции алкилата (имеющей указанные выше характеристики) и 1/2 изооктана, показаны в таблице 2 ниже.

Сравнительные примеры A-I

Сравнительные примеры А и В

Приводятся характеристики высокооктанового неэтилированного авиационного бензина, использующего большие количества оксигенированных веществ, в соответствии с описанием в публикации патентной заявки US 2008/0244963 смеси Х4 и смеси Х7. Риформат содержал 14 об. % бензола, 39 об. % толуола и 47 об. % ксилола.

Как видно из приведенных результатов, добиться соответствия множеству критериев, установленных в ASTM D-910, достаточно трудно. Такой подход к разработке высокооктанового неэтилированного авиационного бензина обычно приводит к недопустимому падению значения теплоты сгорания (>10% ниже требования стандарта ASTM D910) и температуры конца кипения. Даже после корректировки значений с учетом более высокой плотности этих топлив скорректированная теплота сгорания остается слишком низкой.

Сравнительные примеры С и D

Высокооктановый неэтилированный авиационный бензин, использующий большие количества мезитилена, описанный как Swift 702 в патенте US №8313540, приводится в качестве сравнительного примера С. Высокооктановый неэтилированный бензин, описанный в примере 5 публикациях патентных заявок US 20080134571 и US 20120080000, приводится в качестве сравнительного примера D.

Сравнительный пример С Об.% Сравнительный пример D Об.% Изопентан 17 Изооктан 3,5 Мезитилен 83 Алкилат 45,5 толуол 23 Ксилолы 21 м-толуидин 7

Характеристика Сравнительный пример С Сравнительный пример D MON 105 102 RVP, кПа 35,16 18,20 Температура замерзания, °С -20,5 <-65,5 Содержание свинца, г/галлон
(г/л) <0,01
(<0,026) <0,01
(<0,026) Плотность, г/мл 0,830 0,792 Полезная теплота сгорания, МДж/кг 41,27 42,22 Скорректированная полезная теплота сгорания, МДж/кг 42,87 43,88 T10, °С 74,2 100,5 T40, °С 161,3 107,8 T50, °С 161,3 110,1 T90, °С 161,3 145,2 ТКК, °С 166,8 197,8

Как можно видеть из приведенных данных, температура замерзания является слишком высокой для сравнительного примера C, и RVP является слишком низким для сравнительного примера D.

Сравнительные примеры E-I

Ниже представлены другие сравнительные примеры, где были изменены некоторые компоненты. Как можно видеть из выше- и нижеприведенных примеров, изменение в составе привело к по меньшей мере одному из нижеперечисленного: слишком низкий MON, слишком высокий или слишком низкий RVP, слишком высокая температура замерзания, или слишком низкая теплота сгорания.

Сравнительный пример Е Об.% Сравнительный пример F Об.% Изопентан 10 Изопентан 15 Авиационный алкилат 60 Изооктан 60 м-ксилол 30 толуол 25

Характеристика Сравнительный пример Е Сравнительный пример F MON 93,6 95,4 RVP, кПа 40 36,2 Температура замерзания, °С <-80 <-80 Содержание свинца, г/галлон <0,01 <0,01

Изобретение раскрывает композицию неэтилированного авиационного топлива, которая имеет MON по меньшей мере 99,6, содержание серы менее 0,05 мас.%, содержание CHN по меньшей мере 97,2 мас.%, содержание кислорода менее 2,8 мас.%, T10 не более 75°C, T40 по меньшей мере 75°C, T50 не более 105°C, T90 не более 135°C, температуру конца кипения менее 210°C, скорректированную теплоту сгорания по меньшей мере 43,5 МДж/кг, давление пара в диапазоне 38-49 кПа, и содержащая: 15-40 об.% толуола, имеющего MON по меньшей мере 107; 2-10 об.% толуидина; 30-55 об.% по меньшей мере одного алкилата или алкилатной смеси, имеющих диапазон температур начала кипения 32-60°С и диапазон температур конца кипения 105-140°С, имеющих T40 менее 99°C, T50 менее 100°С, T90 менее 110°C, причем алкилат или алкилатная смесь содержат изопарафины с 4-9 атомами углерода, 3-20 об.% С5 изопарафинов, 3-15 об.% C7 изопарафинов и 60-90 об.% С8 изопарафинов, в расчете на алкилат или алкилатную смесь, и менее 1 об.% С10+ в расчете на алкилат или алкилатную смесь; 4-10 об.% разветвленного алкилацетата, имеющего алкильную группу с разветвленной цепью с 4-8 атомами углерода; и 8-26 об.% изопентана в количестве, достаточном для достижения давления пара в диапазоне 38-49 кПа; при этом топливная композиция содержит менее 1 об.% C8 ароматических соединений. Технический результат заключается в получении высокооктановой композиции авиационного топлива, имеющей низкое содержание кислорода и отвечающее требованиям ASTM D910 для авиационного топлива. 11 з.п. ф-лы, 13 пр.

1. Композиция неэтилированного авиационного топлива, имеющая MON по меньшей мере 99,6, содержание серы менее 0,05 мас.%, содержание CHN по меньшей мере 97,2 мас.%, содержание кислорода менее 2,8 мас.%, T10 не более 75°C, T40 по меньшей мере 75°C, T50 не более 105°C, T90 не более 135°C, температуру конца кипения менее 210°C, скорректированную теплоту сгорания по меньшей мере 43,5 МДж/кг, давление пара в диапазоне 38-49 кПа, и содержащая:

15-40 об.% толуола, имеющего MON по меньшей мере 107;

2-10 об.% толуидина;

30-55 об.% по меньшей мере одного алкилата или алкилатной смеси, имеющих диапазон температур начала кипения 32-60°С и диапазон температур конца кипения 105-140°С, имеющих T40 менее 99°C, T50 менее 100°С, T90 менее 110°C, причем алкилат или алкилатная смесь содержат изопарафины с 4-9 атомами углерода, 3-20 об.% С5 изопарафинов, 3-15 об.% C7 изопарафинов и 60-90 об.% С8 изопарафинов, в расчете на алкилат или алкилатную смесь, и менее 1 об.% С10+ в расчете на алкилат или алкилатную смесь;

4-10 об.% разветвленного алкилацетата, имеющего алкильную группу с разветвленной цепью с 4-8 атомами углерода; и

8-26 об.% изопентана в количестве, достаточном для достижения давления пара в диапазоне 38-49 кПа;

при этом топливная композиция содержит менее 1 об.% C8 ароматических соединений; и

где скорректированная теплота сгорания может быть вычислена с использованием следующего уравнения:

HOC^* = (HOC_v/плотность)+(% увеличения дальности/% увеличения полезной грузоподъемности + 1),

где HOC^* является скорректированной теплотой сгорания (МДж/кг), HOC_v является удельной энергией в единице объема (МДж/л), полученной из фактического определения теплоты сгорания, плотность является плотностью топлива (г/л), % увеличения дальности является увеличением дальности полета воздушного судна в процентах относительно 100LL (HOC_LL), вычисленным с помощью HOC_v и HOC_LL для фиксированного объема топлива, и % увеличения полезной грузоподъемности является соответствующим увеличением полезной грузоподъемности за счет массы топлива, выраженным в процентах.

2. Композиция неэтилированного авиационного топлива по п. 1, в которой общее содержание изопентана составляет 14-26 об.%.

3. Композиция неэтилированного авиационного топлива по п. 1 или 2, имеющая содержание потенциальных смол менее 6 мг/100 мл.

4. Композиция неэтилированного авиационного топлива по п. 1 или 2, в которой присутствует менее 0,2 об.% алканолов и простых эфиров.

5. Композиция неэтилированного авиационного топлива по п. 1 или 2, дополнительно содержащая присадку к авиационному топливу.

6. Композиция неэтилированного авиационного топлива по п. 1 или 2, в которой температура замерзания составляет менее -58°C.

7. Композиция неэтилированного авиационного топлива по п. 1 или 2, в которой отсутствуют спирты с прямой цепью и нециклические простые эфиры.

8. Композиция неэтилированного авиационного топлива по п. 1 или 2, в которой температура конца кипения составляет не более 200°C.

9. Композиция неэтилированного авиационного топлива по п. 1 или 2, в которой алкилат или алкилатная смесь имеют содержание C10+ менее 0,1 об.% в расчете на алкилат или алкилатную смесь.

10. Композиция неэтилированного авиационного топлива по п. 1 или 2, дополнительно содержащая анилин.

11. Композиция неэтилированного авиационного топлива по п. 1 или 2, характеризующаяся изменением объема при взаимодействии с водой в пределах +/- 2мл согласно ASTM D1094.

12. Композиция неэтилированного авиационного топлива по п. 1 или 2, в которой разветвленный алкилацетат выбран из группы, состоящей из третбутилацетата, изобутилацетата, этилгексилацетата, изоамилацетата, третбутиламилацетата и их смесей.