Высокооктановый неэтилированный авиационный бензин
Изобретение раскрывает композицию неэтилированного авиационного топлива, которая имеет МОЧ, по меньшей мере 99,6, содержание серы меньше чем 0,05 % масс., содержание CHN, по меньшей мере 98 масс. %, содержание кислорода меньше чем 2 масс. %, уточненную теплоту сгорания, по меньшей мере 43,5 МДж/кг, давление насыщенного пара в диапазоне от 38 до 49 кПа, температуру замерзания ниже чем -58°С. Технический результат заключается в получении высокооктановой композиции авиационного топлива, с улучшенными характеристиками, которое отвечает стандарту для авиационных топлив ASTM D910. 15 з.п. ф-лы, 11 пр., 2 табл.
В этом изобретении затребован приоритет по заявкам США №61/898,305, зарегистрированной 31 октября 2013, и №61/991,945, зарегистрированной 12 мая 2014 г.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к высокооктановому неэтилированному авиационному бензиновому топливу, более конкретно к высокооктановому неэтилированному авиационному бензину, имеющему высокое содержание ароматических соединений.
Уровень техники
Авиабензин (авиационный бензин) представляет собой авиационное топливо, применяемое в двигателях внутреннего сгорания с искровым зажиганием, чтобы приводить в движение летательный аппарат. Авиабензин отличается от автобензина (моторный бензин), который является повседневным бензином, применяемым в автомобилях и некоторых некоммерческих легких летательных аппаратах. В отличие от автобензина, состав которого был документирован в 1970-х годах, чтобы обеспечить применение трифункциональных каталитических нейтрализаторов для уменьшения загрязнений, авиабензин содержит тетраэтилсвинец (ТЭС), не поддающееся биологическому разложению токсичное соединение, используемое для предотвращения стука в двигателе (детонации).
В настоящее время авиационное бензиновое топливо содержит добавку тетраэтилсвинца (ТЭС) в количестве до 0,53 мл/л или 0,56 г/л, что является допустимым пределом для наиболее широко применяемой спецификации авиационного бензина 100 с малым содержанием свинца (100LL). Свинец требуется для удовлетворения требований высокооктанового топлива для авиационных поршневых двигателей: по техническим условиям 100LL ASTM D910 требуется минимальное моторное октановое число моторное октановое число (МОЧ) 99,6, в отличие технических условий EN 228 для европейского моторного бензина, для которого поставлено условием минимальное МОЧ 85, или от моторного бензина США, для которого требуется минимальное октановое число (R+M)/2 неэтилированного топлива равное 87.
Авиационное топливо представляет собой продукт, который был тщательно разработан и подвергнут строгому регулированию для применения в авиации. Таким образом, авиационное топливо должно точно соответствовать физико-химическим характеристикам, указанным в международных стандартах, таких как ASTM D910 определенным организацией Federal Aviation Administration (FAA). Автомобильный бензин не может служить полной заменой авиабензину для многих летательных аппаратов, поскольку для многих двигателей высокой мощности и/или авиационных двигателей с турбонаддувом требуется топливо с октановым числом 100 (МОЧ 99,6), причем для использования низкооктанового топлива требуется модифицировать двигатель. Автомобильный бензин может испаряться в топливных трубопроводах, с образованием паровых пробок (пузыри в трубах) или происходит кавитация топливного насоса, и в двигатель поступает недостаточно топлива. Обычно паровые пробки возникают в системе подачи топлива, когда топливный насос с механическим приводом смонтирован в трубопроводе подачи топлива из бака, расположенного ниже насоса. Пониженное давление в трубопроводе может вызвать быстрое испарение более летучих компонентов в автомобильном бензине, с образованием пузырей в топливном трубопроводе и прерыванием потока топлива.
Стандарт ASTM D910 не включает все бензины, подходящие для поршневых авиационных двигателей, а скорее определяет следующие конкретные типы авиационного бензина для гражданской авиации: сорт 80; сорт 91; сорт 100; и сорт 100LL. Сорт 100 и сорт 100LL считаются высокооктановыми авиационными бензинами, которые удовлетворяют требованиям современных авиационных двигателей. Кроме МОЧ, в стандарте D910 на авиабензин имеются требования к следующим показателям: плотность; дистилляция, степень извлечения, остаток и объем потерь; давление насыщенного пара; температура замерзания; содержание серы; истинная теплота сгорания; коррозия медной пластинки; стойкость к окислению (потенциальные смолы и выпадение свинца в осадок); изменение объема при взаимодействии с водой; и электропроводность. Обычно свойства авиабензинов определяют с использованием следующих тестов ASTM:
Моторное октановое число: ASTM D2700
Оценка сортности авиационного топлива на бедной смеси: ASTM D2700
Октановое число (Работа с наддувом): ASTM D909
Содержание тетраэтилсвинца: ASTM D5059 или ASTM D3341
Цвет: ASTM D2392
Плотность: ASTM D4052 или ASTM D1298
Дистилляция: ASTM D86
Давление насыщенного пара: ASTM D5191 или ASTM D323 или ASTM D5190
Температура замерзания: ASTM D2386
Сера: ASTM D2622 или ASTM D1266
Истинная теплота сгорания (ИТС): ASTM D3338, или ASTM D4529, или ASTM D4809
Коррозия меди: ASTM D130
Стойкость к окислению - Потенциальные смолы: ASTM D873
Стойкость к окислению - Выпадение свинца в осадок: ASTM D873
Взаимодействие с водой - Изменение объема: ASTM D1094
Электропроводность: ASTM D2624
Авиационное топливо должно иметь низкое давление насыщенного пара для того, чтобы устранить проблемы испарения (паровые пробки) при низком давлении, имеющемся на большой высоте, и по причинам очевидной безопасности. Однако давление насыщенного пара должно быть достаточным для обеспечения легкого запуска двигателя. Давление насыщенного пара по Рейду (RVP) должно быть в диапазоне от 38 кПа до 49 кПа. Точка конца кипения должен быть достаточно низкой, чтобы ограничить образование осадка его опасные последствия (потери мощности, нарушение охлаждения). Кроме того, указанное топливо должно обладать достаточной истинной теплотой сгорания (ИТС), чтобы обеспечить соответствующую дальность полета летательного аппарата. Более того, поскольку авиационное топливо применяется в двигателях, которые обеспечивают хорошие характеристики и часто эксплуатируются с большой нагрузкой, то есть, то есть, в условиях, близких к детонации, предполагается, что этот тип топлива обладает весьма высокой стойкостью к самовоспламенению.
Кроме того, для авиационного топлива определяются две характеристики, которые сопоставляются с октановым числом: одна представляет собой МОЧ или моторное октановое число, относящееся к эксплуатации с немного бедной рабочей смесью (крейсерская мощность), другая - октановое число или 04 относится к эксплуатации с определенно более богатой смесью (отбор мощности). С целью обеспечения выполнения требований высокого октанового числа, на стадии производства авиационного топлива, обычно добавляют органическое соединение свинца, и более конкретно тетраэтилсвинец (ТЭС). Без добавления ТЭС обычно значение МОЧ составляет около 91. Как указано выше, в стандарте ASTM D910 для авиационного топлива с октановым числом 100 требуется минимальное моторное октановое число (МОЧ) 99,6. Согласно современному стандарту D910, в дистилляционном профиле высокооктанового неэтилированного авиационного топлива температура выкипания 10% (Т10) составляет максимум 75°C, температура Т40 - минимум 75°C, Т50 - максимум 105°C, и Т90 - максимум 135°C.
Как и в случае топлив для наземного транспорта, администрация стремится снизить содержание свинца, или даже запретить эту добавку, вследствие того, что она вредна для здоровья и окружающей среды. Таким образом, исключение свинца из композиции авиационного топлива становится целью.
Краткое изложение изобретения
Было установлено, что трудно получить высокооктановое неэтилированное авиационное топливо, которое соответствует большинству технических условий ASTM D910 на высокооктановое авиационное топливо. Кроме показателя МОЧ 99,6, также важно не оказывать отрицательное действие на дальность полета летательного аппарата, давление насыщенного пара, и температуру замерзания, которые удовлетворяют требованиям пуска двигателя летательного аппарата и непрерывной эксплуатации на большой высоте.
В соответствии с определенными аспектами, в одном варианте осуществления настоящее изобретение предоставляет композицию неэтилированного авиационного топлива, которая имеет МОЧ, по меньшей мере 99,6, содержание серы меньше чем 0,05 масс. %, содержание CHN, по меньшей мере 98 масс. %, содержание кислорода меньше чем 2 масс. %, уточненная теплота сгорания, по меньшей мере 43,5 МДж/кг, давление насыщенного пара в диапазоне от 38 до 49 кПа, включающую смесь состава:
от 35 об. % до 55 об. % толуола, имеющего МОЧ, по меньшей мере 107;
от 4 об. % до 10 об. % компонента ароматического амина, где указанный компонент ароматического амина содержит, по меньшей мере, 2 об. % толуидина в расчете на топливную композицию;
от 15 об. % до 40 об. %, по меньшей мере, одного алкилата или смеси алкилатов (продуктов алкилирования), имеющей температуру начала кипения в диапазоне от 32°C до 60°C и температуру конца кипения в диапазоне от 105°C до 140°C, имеющей Т40 меньше чем 99°C, Т50 меньше чем 100°C, Т90 меньше чем 110°C, причем алкилат или смесь алкилатов, содержит изопарафины, имеющие от 4 до 9 атомов углерода, 3-20 об. % С5 изопарафинов, 2-15 об. % С7 изопарафинов, и 60-90 об. % С8 изопарафинов, в расчете на алкилат или смесь алкилатов, и меньше чем 1 об. % углеводородов С10+, в расчете на алкилат или смеси алкилатов; и
по меньшей мере, 14 об. % изопентана в количестве, достаточном для достижения давления насыщенного пара в диапазоне от 38 до 49 кПа;
где объединенное количество толуола и компонента ароматического амина в топливной композиции составляет, по меньшей мере 40 об. %; и
где композиция топлива содержит меньше чем 1 об. % ароматических углеводородов С8.
В некоторых вариантах осуществления, неэтилированное авиационное топливо может содержать приблизительно от 0 об. % до 10 об. % сорастворителя.
Признаки и преимущества изобретения будут очевидными для специалистов в этой области техники. Хотя специалисты в этой области техники могут осуществить многочисленные изменения, такие изменения входят в замысел изобретения.
Подробное описание изобретения
Авторы изобретения обнаружили, что высокооктановое неэтилированное авиационное топливо, имеющее содержание ароматических углеводородов, измеренное по стандарту ASTM D5134 приблизительно от 35 масс. % до 55 масс. % и содержание кислорода меньше чем 2 масс. %, в расчете на смесь неэтилированного авиационного топлива, которое соответствует большинству технических условий ASTM D910 на авиационное топливо с ОЧ 100, может быть получено из смеси, содержащей приблизительно от 35 об. % до 55 об. % толуола с высоким значением МОЧ, приблизительно от 4 об. % до 10 об. %, предпочтительно приблизительно от 5 об. % до 10 об. %, компонента ароматического амина, причем компонент ароматического амина содержит, по меньшей мере, приблизительно 2 об. % толуидина в расчете на смесь, приблизительно от 15 об. % до 40 об. %, по меньшей мере, одного алкилата или смеси алкилатов, которая имеет определенный состав и характеристики, и по меньшей мере, приблизительно 14 об. % изопентана. Объединенное количество толуола и компонента ароматического амина в смеси, составляет, по меньшей мере 40 об. %. В некоторых вариантах осуществления, неэтилированное авиационное топливо может содержать приблизительно от 0 об. % до 10 об. % сорастворителя. Указанный сорастворитель может быть спиртом, содержащим от 4 до 8 атомов углерода, предпочтительно спиртом, содержащим 4 атома углерода (если он присутствует). В варианте изобретения, этанол отсутствует в высокооктановом неэтилированной авиационной топливной композиции. В некоторых вариантах осуществления, указанным сорастворителем может быть разветвленный алкилацетат, имеющий алкильные группы с разветвленной цепью, содержащей от 4 до 8 атомов углерода. Высокооктановое неэтилированное авиационное топливо изобретения имеет величину МОЧ больше чем 99,6.
Кроме того, композиция неэтилированного авиационного топлива содержит меньше чем 1 об. %, предпочтительно меньше чем 0,5 об. % ароматических углеводородов С8. Было обнаружено, что ароматические углеводороды С8, такие как ксилолы, могут иметь проблемы совместимости с материалами, особенно в устарелых летательных аппаратах. Кроме того, было обнаружено, что для неэтилированного авиационного топлива, содержащего ароматические углеводороды С8, имеется склонность к затруднениям, относительно соответствия определенного температурного профиля техническим условиям D910. В одном варианте осуществления неэтилированное авиационное топливо содержит меньше чем 0,2 об. % простых эфиров. В другом варианте осуществления неэтилированное авиационное топливо не содержит нециклических простых эфиров. В другом варианте осуществления неэтилированное авиационное топливо не содержит спиртов, кипящих ниже, чем 80°C. Более того, композиция неэтилированного авиационного топлива имеет содержание бензола между 0% и 5 об. %, предпочтительно меньше чем 1 об. %.
Кроме того, в некоторых вариантах осуществления изменение объема неэтилированного авиационного топлива, при испытании взаимодействия с водой, находится в диапазоне ±2 мл, как указано в стандарте ASTM D1094.
Высокооктановое неэтилированное топливо не будет содержать свинец и предпочтительно не содержит никаких других металлсодержащих повышающих ОЧ добавок, эквивалентных свинцу. Термин "неэтилированное" топливо следует понимать как содержащее меньше чем 0,01 г/л свинца. Высокооктановое неэтилированное авиационное топливо может иметь содержание серы меньше чем 0,05 масс. %. В некоторых вариантах осуществления предпочтительно, чтобы топливо имело содержание золы меньше чем 0,0132 г/л (0,05 г/галлон) (ASTM D-482).
Согласно современному стандарту ASTM D910, величина ИТС должна быть близка к 43,5 МДж/кг или выше. Величина истинной теплоты сгорания рассчитывается по текущей низкой плотности авиационного топлива и не является точной мерой дальности полета для авиационного топлива повышенной плотности. Было обнаружено, что для неэтилированного авиационного бензина, который обладает высокой плотностью, теплоту сгорания можно пересчитать для более высокой плотности топлива, с целью более точного прогноза дальности полета летательного аппарата.
В настоящее время существуют три апробированных ASTM метода испытания для определения теплоты сгорания в рамках стандарта ASTM D910. Только метод ASTM D4809 приводит к фактическому определению указанной величины путем сжигания топлива. Другие методы (ASTM D4529 и ASTM D3338) являются расчетными с использованием величин других физических характеристик. Все указанные методы считаются эквивалентными в рамках стандарта ASTM D910.
В настоящее время величина истинной теплоты сгорания авиационного топлива (или удельная энергия) выражается гравиметрически в единицах МДж/кг. Современные этилированные авиационные бензины имеют относительно низкую плотность по сравнению со многими альтернативными рецептурами неэтилированного топлива. Топливо с повышенной плотностью обладает меньшим гравиметрическим содержанием энергии, но более высоким объемным содержанием энергии (МДж/л).
Повышенное объемное содержание энергии позволяет запасать больше энергии в заданном объеме. В обычных авиационных летательных аппаратах пространство является ограниченным, и следовательно может быть ограничена емкость топливных баков, или при предпочтительном полете с полными баками может быть достигнута большая дальность полета. Однако, чем больше плотность топлива, тем больше возрастает масса взятого топлива. Это могло бы привести к потенциальному смещению полезной нагрузки летательного аппарата без топлива. Хотя между этими переменными существует сложная связь, рецептуры в указанном варианте осуществления предназначаются для наилучшего удовлетворения требований к авиационному бензину. Поскольку частично плотность влияет на дальность полета летательного аппарата, было обнаружено, что дальность полета летательного аппарата, которая обычно измеряется с использованием теплоты сгорания, можно прогнозировать более точно путем регулирования плотности авиабензина, используя следующее уравнение:
УТС*=(УТСv/плотность)+(% увеличения дальности/% увеличения полезной нагрузки +1)
где УТС* представляет собой уточненную теплоту сгорания (МДж/кг), УТСv означает объемную плотность энергии (МДж/л), полученную путем измерения фактической теплоты сгорания, плотность означает плотность топлива (г/л), % увеличения дальности означает увеличение дальности полета летательного аппарата в процентах, по сравнению с теплотой УТСLL. (для 100 LL), рассчитанной с использованием теплоты УТСv и УТСLL для заданного объема топлива, и % увеличения полезной нагрузки представляет собой соответствующее увеличение полезной грузоподъемности в процентах, за счет массы топлива.
Уточненная теплота сгорания топлива может быть равной, по меньшей мере 43,5 МДж/кг, и давление насыщенного пара находится в диапазоне от 38 до 49 кПа. Кроме того, композиция высокооктанового неэтилированного топлива будет иметь температуру замерзания -58°C или ниже. В отличие от автомобильного топлива, для авиационного топлива, из-за высоты, на которой происходит полет самолета, важно, чтобы в топливе не возникали проблемы замерзания в воздухе. Было обнаружено, что для неэтилированного топлива, содержащего ароматические амины, такие как в сравнительных примерах D и Н в разделе Примеры, трудно выполнить требования к температуре замерзания авиационного топлива.
Кроме того, температура конца кипения композиции высокооктанового неэтилированного топлива должна быть ниже чем 210°C, предпочтительно, самое большее 200°C, которую определяют при степени отбора больше чем 98,5%, как измеряется согласно ASTM D-86. Если степень отбора мала, то температура конца кипения композиции может быть измерена неточно (то есть, будет оставаться больше высококипящего остатка, чем измерено). Композиция высокооктанового неэтилированного авиационного топлива согласно изобретению имеет содержание углерода, водорода и азота (содержание CHN), по меньшей мере 98 масс. %, предпочтительно 99 масс. %, и содержание кислорода меньше чем 2 масс. %, предпочтительно 1 масс. % или меньше.
Было обнаружено, что высокооктановое неэтилированное авиационное топливо изобретения не только соответствует величине МОЧ для авиационного топлива с ОЧ 100, но также соответствует по показателям температуры замерзания, давления насыщенного пара, уточненной теплоты сгорания и температуры замерзания. Кроме МОЧ, также важно соответствие по давлению насыщенного пара и минимальной уточненной теплоте сгорания для запуска двигателя летательного аппарата и плавной эксплуатации самолета на большой высоте. Предпочтительно, содержание потенциальных смол составляет меньше чем 6 мг/100 мл. В некоторых вариантах изобретения высокооктановое неэтилированное авиационное топливо имеет температуру выкипания 10% (Т10) самое большее 75°С, температуру Т40 - по меньшей мере 75°С, Т50 - самое большее 105°С, Т90 - самое большее 135°С.
Трудно соответствовать требованиям технических условий для неэтилированного высокооктанового авиационного топлива. Например, в публикации заявки на патент США US 2008/0244963 описано неэтилированное авиационное топливо, имеющее МОЧ больше чем 100, с основными компонентами топлива, произведенными из авиабензина, и второстепенными компонентами, - по меньшей мере, двумя соединениями из группы сложных эфиров, по меньшей мере, одной моно- или поликарбоновой кислоты и, по меньшей мере, одного моно- или многоатомного спирта, ангидридов, по меньшей мере одной моно- или поликарбоновой кислоты. Эти кислородсодержащие соединения имеют суммарное содержание, по меньшей мере 15% по объему, в типичных примерах - 30% по объему, чтобы соответствовать по величине МОЧ. Однако, в то же время указанные типы топлива не соответствуют по многим другим техническим условиям, таким как теплота сгорания (измеренная или уточненная), в том числе даже по МОЧ, во многих примерах. В другом примере, патенте США №8,313,540 раскрыто биогенное топливо для турбореактивных двигателей, которое содержит мезитилен и, по меньшей мере, один алкан, имеющий МОЧ больше чем 100, Однако эти типы топлива одновременно также не соответствуют по многим другим техническим условиям, таким как теплота сгорания (измеренная или уточненная), температурный профиль и давление насыщенного пара.
Толуол
Толуол встречается в природе в небольшой концентрации в сырой нефти и обычно производится в процессах получения бензина в установке каталитического риформинга, в этиленовой крекинг-печи или при получении кокса из угля. Окончательное выделение, или путем дистилляции или экстракции растворителем, происходит в одном из многих доступных способов экстракции ароматических углеводородов БТК (бензол, толуол и изомеры ксилола). Применяемый в изобретении толуол должен быть качественным толуолом, который имеет МОЧ, по меньшей мере 107 и содержит меньше, чем 1 об. % ароматических углеводородов С8. Кроме того, предпочтительно толуольный компонент имеет содержание бензола между 0 об. % и 5 об. %, предпочтительно меньше чем 1 об. %.
Например, авиационный продукт риформинга обычно представляет собой углеводородную фракцию, содержащую, по меньшей мере 70% по массе, в идеале, по меньшей мере 85% по массе толуола, и кроме того, фракция содержит ароматические углеводороды С8 (от 15 до 50% по массе этилбензол, ксилолы) и ароматические углеводороды С9 (от 5 до 25% по массе пропилбензол, метилбензолы и триметилбензолы). Обычно указанный продукт риформинга имеет величину МОЧ в диапазоне 102-106, и было установлено, что он не подходит для применения в настоящем изобретении.
Предпочтительно толуол присутствует в смеси в количестве приблизительно от 35 об. %, предпочтительно, по меньшей мере, около 36 об. %, наиболее предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно от 37 об. % до самое большее 55 об. %, предпочтительно по большей мере, приблизительно до 50 об. %, более предпочтительно, по большей мере, приблизительно до 45 об. %, в расчете на композицию неэтилированного авиационного топлива.
Компонент ароматического амина
Ароматический амин присутствует в топливной композиции в количестве приблизительно от 4 об. % до 10 об. % компонента ароматического амина. Компонент ароматического амина содержит, по меньшей мере, приблизительно 2 об. % толуидина в расчете на топливную композицию. Существуют три изомера толуидина (C7H9N), орто-толуидин, мета-толуидин и пара-толуидин. Толуидин может быть получен путем восстановления пара-нитротолуола. Толуидин является промышленно доступным от фирмы Aldrich Chemical. Чистые мета- и пара-изомеры являются желательными в высокооктановом неэтилированном авиабензине, также как в сочетании с анилином, которое, например, имеется в анилиновом масле для красного красителя. Предпочтительно толуидин присутствует в смеси в количестве приблизительно 2 об. %, предпочтительно по меньшей мере, около 3 об. %, наиболее предпочтительно по меньшей мере, приблизительно 4 об. %, по большей мере, приблизительно до 10 об. %, предпочтительно по большей мере, приблизительно до 7 об. %, более предпочтительно по большей мере, приблизительно до 6 об. %, в расчете на композицию неэтилированного авиационного топлива. Остальными компонентами ароматического амина могут быть другие ароматические амины, такие как анилин.
Алкилат и смесь алкилатов
Типично термин алкилат относится к парафинам с разветвленной цепью. Обычно парафины с разветвленной цепью получаются путем взаимодействия изопарафинов с олефинами. Доступны различные сорта изопарафинов с разветвленной цепью и их смеси. Сорт идентифицируется по диапазону числа атомов углерода в молекуле, средней молекулярной массе молекул, и диапазону температур кипения алкилата. Было обнаружено, что определенная фракция из потока алкилата и ее смесь с изопарафинами, например, с изооктаном желательны для получения или предоставления высокооктанового неэтилированного авиационного топлива согласно изобретению. Указанный алкилат или смеси алкилатов могут быть получены путем дистилляции или взятия фракции стандартных алкилатов, доступных в промышленности. Этот продукт необязательно смешивается с изооктаном. Алкилат или смесь алкилатов имеют начальный диапазон кипения приблизительно от 32°С до 60°С и температуру конца кипения в диапазоне приблизительно от 105°С до 140°С, предпочтительно приблизительно до 135°С, более предпочтительно приблизительно до 130°С, наиболее предпочтительно приблизительно до 125°С, имеют температуру Т40 меньше чем 99°С, предпочтительно самое большее 98°С, Т50 меньше чем 100°С, Т90 меньше чем 110°С, предпочтительно самое большее 108°С; алкилат или смесь алкилатов, содержит изопарафины, имеющие от 4 до 9 атомов углерода, приблизительно 3-20 об. % С5 изопарафинов, в расчете на алкилат или смесь алкилатов, приблизительно 2-15 об. % С7 изопарафинов, в расчете на алкилат или смесь алкилатов, и приблизительно 60-90 об. % С8 изопарафинов, в расчете на алкилат или смесь алкилатов, и меньше чем 1 об. % углеводородов С10+, предпочтительно меньше чем 0,1 об. %, в расчете на алкилат или смесь алкилатов. Алкилат или смесь алкилатов предпочтительно присутствует в смеси в количестве приблизительно от 15 об. %, предпочтительно по меньшей мере, около 17 об. %, наиболее предпочтительно по меньшей мере, приблизительно 22 об. % по большей мере, приблизительно до 49 об. %, предпочтительно по большей мере, приблизительно до 30 об. %, более предпочтительно по большей мере, приблизительно до 25 об.%.
Изопентан
Изопентан присутствует в количестве, по меньшей мере приблизительно 14 об. %, т.е. в количестве, достаточном для достижения давления насыщенного пара в диапазоне от 38 до 49 кПа. Алкилат или смесь алкилатов также содержит С5 изопарафины, таким образом, указанное количество обычно может изменяться между 5 об. % и 25 об. %, в зависимости от содержания С5 в алкилате или смеси алкилатов. Изопентан должен присутствовать в таком количестве, чтобы давление насыщенного пара находилось в диапазоне от 38 до 49 кПа, чтобы соответствовать авиационному стандарту. Обычно суммарное содержание изопентана в смеси находится в диапазоне приблизительно от 14% до 26 об. %, предпочтительно в диапазоне приблизительно от 18% до 25% по объему, в расчете на композицию авиационного топлива.
Сорастворитель
Неэтилированное авиационное топливо может содержать необязательный сорастворитель. Неэтилированное авиационное топливо может содержать спирт, имеющий от 4 до 8 атомов углерода, предпочтительно кипящий в диапазоне от 80°С до 140°С, предпочтительно спирт имеет температуру кипения в диапазоне от 80°С до 140°С и содержит 4-5 атомов углерода, более предпочтительным в качестве сорастворителя является спирт, имеющий 4 атома углерода. Неэтилированное авиационное топливо также может содержать в качестве сорастворителя разветвленный алкилацетат, имеющий алкильную группу с разветвленной цепью, содержащей от 4 до 8 атомов углерода, в количестве приблизительно от 0 об. % до 10% об. Указанным спиртом может быть смесь таких спиртов. Алкилацетат может быть смесью указанных разветвленных алкилацетатов. Если спирт с разветвленной цепью присутствует, то его количество приблизительно составляет от 0,1 об. % до 10 об. %, предпочтительно приблизительно от 1 об. % до 5 об. %, в расчете на неэтилированное авиационное топливо. Подходящим сорастворителем может быть, например, изобутанол, 2-метил-2-пентанол, 2-метил-1-бутанол, 4-метил-2-пентанол и 2-этилгексанол. Подходящим сорастворителем может быть, например, трет-бутилацетат, изобутилацетат, этилгексилацетат, изоамилацетат и трет-бутиламилацетат. Неэтилированное авиационное топливо, содержащее ароматические амины, по сути имеет тенденцию к значительно большей полярности, чем традиционное базовое топливо авиационного бензина. В результате, амины обладают плохой растворимостью в топливе при низкой температуре, что может значительно повысить температуру замерзания топлива. В качестве примера рассматривается базовое топливо авиационного бензина, содержащее 10% по объему изопентана, 70% по объему легкого алкилата и 20% по объему толуола. Эта смесь имеет МОЧ приблизительно 90-93 и температуру замерзания (ASTM D2386) ниже чем -76°С. Добавка 6% по массе (приблизительно 4% по объему) ароматического амина (анилина) повышает МОЧ до 96,4. Однако, в то же время температура замерзания образовавшейся смеси (и в этом случае измеренная по ASTM D2386) увеличивается до -12,4°С. В современных технических условиях на авиационный бензин, которые определены стандартом ASTM D910, поставлено условие: максимальная температура замерзания -58°С. Следовательно, простая замена ТЭС относительно большим количеством альтернативной ароматической октаноповышающей добавки не может быть реальным решением для неэтилированного авиационного бензинового топлива. Было обнаружено, что некоторая комбинация компонентов значительно снижает температуру замерзания неэтилированного авиационного топлива, что соответствует требованиям современного стандарта ASTM D910 на авиационное топливо.
Предпочтительно изменение объема при взаимодействии с водой находится в диапазоне ±2 мл для авиационного топлива. Значительное изменение объема при взаимодействии с водой для этанола делает его непригодным для авиационного бензина.
Компаундирование
При приготовлении высокооктанового неэтилированного авиационного бензина компаундирование может быть осуществлено в любой последовательности до тех пор, пока компоненты хорошо смешиваются. Предпочтительно, сначала полярные компоненты добавляют в толуол, и затем неполярные компоненты завершают компаундирование. Например, ароматический амин и сорастворитель добавляют в толуол, и после этого - изопентан и алкилатный компонент (алкилат или смесь продуктов алкилирования,).
С целью удовлетворения других требований, неэтилированное авиационное топливо согласно изобретению может содержать одну или несколько добавок, которые может выбрать специалист в этой области техники из стандартных добавок, применяемых в авиационном топливе. Здесь следует упомянуть (но без характера ограничения) такие добавки, как антиоксид анты, антиобледенители, антистатические добавки, ингибиторы коррозии, красители и их смеси.
В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения разработан способ эксплуатации двигателя летательного аппарата и/или летательного аппарата, который приводится в движение таким двигателем, указанный способ включает введение в режим сгорания двигателя и рецептуры высокооктанового неэтилированного авиационного бензинового топлива, описанной в изобретении. Двигатель летательного аппарата соответственно является поршневым двигателем с искровым зажиганием. Поршневым двигателем летательного аппарата, например, может быть рядный двигатель, роторный, V-типа, радиальный или двигатель с горизонтально расположенными противоположными цилиндрами.
Хотя изобретение восприимчиво к различным модификациям и альтернативным формам, его конкретные варианты осуществления демонстрируются с помощью примеров, которые подробно описаны ниже. Кроме того, следует понимать, что подробное описание не предназначается для ограничения изобретения конкретно раскрытыми формами, напротив, изобретение будет защищать все модификации, эквиваленты и альтернативные формы, подпадающие под сущность и объем настоящего изобретения, который определен в прилагаемой формуле изобретения. Настоящее изобретение будет проиллюстрировано следующим демонстрационным вариантом осуществления, который представлен только для иллюстрации, и его не следует истолковывать в качестве какого-либо ограничения заявленного изобретения.
Демонстрационный вариант осуществления
Методы испытаний
Для исследования авиационных топлив были использованы следующие методы испытаний:
Моторное октановое число: ASTM D2700
Содержание тетраэтилсвинца: ASTM D5059
Плотность: ASTM D4052
Дистилляция: ASTM D86
Давление насыщенного пара: ASTM D323
Температура замерзания: ASTM D2386
Сера: ASTM D2622
Истинная теплота сгорания (ИТС): ASTM D3338
Коррозия меди: ASTM D130
Стойкость к окислению - Потенциальные смолы: ASTM D873
Стойкость к окислению - Выпадение свинца в осадок: ASTM D873
Взаимодействие с водой - Изменение объема: ASTM D1094
Подробный анализ углеводородов (ASTM 5134)
Примеры 1-5
Композиции авиационного топлива согласно изобретению компаундируют (в объем. %) следующим образом. Толуол, имеющий МОЧ 107 (от фирмы VP Racing Fuels Inc.) смешивают с толуидином (от фирмы Chemsol) при перемешивании.
Изооктан (от Univar NV) и узкую фракцию алкилата, имеющую свойства, показанные ниже в таблице (от Shell Nederland Chemie BV), вливают в смесь в любой последовательности. Затем добавляют изопентан (от Matheson Tri-Gas, Inc.), завершая компаундирование.
Пример 1
Изопентан 20 об. %
Узкая фракция алкилата 13 об. %
Изооктан 26 об. %
Толуол 35 об. %
мета-толуидин 6 об. %
Пример 2
Изопентан 17%
Узкая фракция алкилата 39%
Толуол 38%
мета-толуидин 6%
Пример 3
Изопентан: 20%
Узкая фракция алкилата: 13%
Изооктан: 26%
Толуол: 35%
мета-толуидин: 3%
анилин: 3%
Пример 4
Изопентан: 20%
Узкая фракция алкилата: 15%
Изооктан: 26%
Толуол: 35%
мета-толуидин: 4%
Пример 5
Изопентан: 21%
Узкая фракция алкилата: 18%
Толуол: 50%
мета-толуидин: 6%
2-этилгексанол: 5%
Свойства смеси алкилатов.
Характеристики смеси алкилатов, содержащей 1/3 узкой фракции алкилата (свойства которой приведены выше) и 2/3 изооктана, показаны ниже в таблице 2.
Сравнительные примеры А-Н
Сравнительные примеры А и В
Приведены характеристики для высокооктанового неэтилированного авиационного бензина, содержащего значительное количество кислородсодержащих соединений, который описан в опубликованной заявке на патент США 2008/0244963 как смесь Х4 и смесь Х7. Продукт риформинга содержит 14 об. % бензола, 39 об. % толуола и 47 об. % ксилола.
Из приведенных результатов видны трудности выполнения многих требований стандарта ASTM D-910. Указанный подход к разработке высокооктанового неэтилированного авиационного бензина обычно приводит к неприемлемому снижению величины теплоты сгорания (больше чем на 10% ниже чем в стандарте ASTM D910). Даже с поправкой на повышенную плотность этих топливных смесей, уточненная теплота сгорания остается слишком низкой.
Сравнительные примеры С и D
В качестве Сравнительного примера С приведен высокооктановый неэтилированный авиационный бензин, в котором используются значительные количества мезитилена, описанный как Swift 702 в патенте США №8313540. Высокооктановый неэтилированный бензин, описанный в примере 5 опубликованной заявки на патент США № US 20080134571 и № US 20120080000, представлен как Сравнительный пример D.
| Сравнительный пример C | Объем.% | Сравнительный пример D | Объем.% |
| Изопентан | 17 | Изопентан | 3,5 |
| мезитилен | 83 | изооктан | 45,5 |
| Толуол | 23 | ||
| ксилолы | 21 | ||
| мета-толуидин | 7 | ||
| Характеристика | Сравнительный пример C | Сравнительный пример D | |
| МОЧ | 105 | 102 | |
| RVP (кПа) | 35,16 | 18,2 | |
| Температура замерзания (град. С) | -20,5 | <-65,5 | |
| Содержание свинца (г/галлон) | < 0,01 | < 0,01 | |
| Плотность (г/ мл) | 0,830 | 0,792 | |
| Истинная теплота сгорания (МДж/кг) | 41,27 | 42,22 | |
| Уточненная истинная теплота сгорания (МДж/кг) | 42,87 | 43,88 | |
| T10 (град. С) | 74,2 | 100,5 | |
| T40 (град. С) | 161,3 | 107,8 | |
| T50 (град. С) | 161,3 | 110,1 | |
| T90 (град. С) | 161,3 | 145,2 | |
| ТКК (град. С) | 166,8 | 197,8 |
Как видно из приведенных характеристик, температура замерзания является слишком высокой для смеси сравнительного примера C, и RVP является слишком низкой для смеси сравнительного примера D.
Сравнительные примеры E-Н
Другие сравнительные примеры, в которых варьируются компоненты, приведены ниже. Как представляется из примеров, приведенных выше и ниже, изменения состава приводят к тому, что, по меньшей мере, один из показателей становится: МОЧ – слишком низким, RVP – слишком высокой или низкой, температура замерзания – слишком высокой, или теплота сгорания становится слишком низкой.
| Сравнительный пример E | Объем.% | Сравнительный пример F | Объем.% |
| Изопентан | 10 | Изопентан | 15 |
| Авиационный алкилат | 60 | изооктан | 60 |
| мета-ксилол | 30 | толуол | 25 |
| Характеристика | Сравнительный пример E | Сравнительный пример F | |
| МОЧ | 93,6 | 95,4 | |
| RVP ( кПа) | 40 | 36,2 | |
| Температура замерзания (град. С) | < -80 | < -80 | |
| Содержание свинца (г/галлон) | < 0,01 | < 0,01 | |
| Плотность (г/ мл) | 0,738 | 0,730 |
1. Композиция неэтилированного авиационного топлива, имеющая МОЧ, по меньшей мере 99,6, содержание серы меньше чем 0,05 мас.%, содержание CHN, по меньшей мере 98 мас.%, содержание кислорода меньше чем 2 мас.%, уточненную теплоту сгорания, по меньшей мере 43,5 МДж/кг, давление насыщенного пара в диапазоне от 38 до 49 кПа, температуру замерзания ниже чем -58°C, включающая смесь, содержащую:
от 35 об.% до 55 об.% толуола, имеющего МОЧ, по меньшей мере 107;
от 4 об.% до 10 об.% компонента ароматического амина, где указанный компонент ароматического амина содержит, по меньшей мере, 2 об.% толуидина, в расчете на топливную композицию;
от 15 об.% до 40 об.%, по меньшей мере одного алкилата или смеси алкилатов, имеющей температуру начала кипения в диапазоне от 32°С до 60°C и температуру конца кипения в диапазоне от 105°С до 140°C, имеющей точку выкипания T40 меньше чем 99°C, T50 меньше чем 100°C, T90 меньше чем 110°C, причем алкилат или смесь алкилатов содержит изопарафины, имеющие от 4 до 9 атомов углерода, 3-20 об.% C5 изопарафинов, 2-15 об.% C7 изопарафинов и 60-90 об.% C8 изопарафинов, в расчете на алкилат или смесь алкилатов, и меньше чем 1 об.% углеводородов C10+, в расчете на алкилат или смесь алкилатов; и
по меньшей мере, 14 об.% изопентана, в количестве, достаточном для достижения давления насыщенного пара в диапазоне от 38 до 49 кПа;
где объединенное количество толуола и компонента ароматического амина в топливной композиции составляет, по меньшей мере, 40 об.%; и
где композиция топлива содержит меньше чем 1 об.% ароматических углеводородов C8,
при этом уточненную теплоту сгорания рассчитывают следующим образом:
УТС* = (УТСv/плотность)+(% увеличения дальности/% увеличения полезной нагрузки +1),
где УТС* представляет собой уточненную теплоту сгорания (МДж/кг), УТСv означает объемную плотность энергии (МДж/л), полученную путем измерения фактической теплоты сгорания, плотность означает плотность топлива (г/л), % увеличения дальности означает увеличение дальности полета летательного аппарата в процентах, по сравнению с теплотой УТСLL (для 100 LL), рассчитанной с использованием теплоты УТСv и УТСLL для заданного объема топлива, и % увеличения полезной нагрузки представляет собой соответствующее увеличение полезной грузоподъемности в процентах, за счет массы топлива.
2. Композиция неэтилированного авиационного топлива по п. 1, которая имеет температуру конца кипения меньше чем 210°C.
3. Композиция неэтилированного авиационного топлива по п. 1, имеющая температуру T10 - самое большее 75°C, T40 - по меньшей мере 75°C, T50 - самое большее 105°C, T90 - самое большее 135°C, температуру конца кипения меньше чем 210°C.
4. Композиция неэтилированного авиационного топлива по п. 1, дополнительно содержащая от около 0,1 об.% до около 10 об.% спирта, имеющего от 4 до 8 атомов углерода.
5. Композиция неэтилированного авиационного топлива по п. 1, в которой общее содержание изопентана в смеси составляет от 14% до 26 об.%.
6. Композиция неэтилированного авиационного топлива по п. 1, имеющая меньше чем 6 мг/100 мл потенциальных смол.
7. Композиция неэтилированного авиационного топлива по п. 1, в которой присутствует меньше чем 0,2 об.% простых эфиров.
8. Композиция неэтилированного авиационного топлива по п. 1, дополнительно содержащая добавку к авиационному топливу.
9. Композиция неэтилированного авиационного топлива по п. 5, в которой общее содержание изопентана в смеси составляет от 14% до 26 об.%.
10. Композиция неэтилированного авиационного топлива по п. 1, которая не содержит нециклических простых эфиров.
11. Композиция неэтилированного авиационного топлива по п. 2, которая имеет температуру конца кипения самое большее 200°C.
12. Композиция неэтилированного авиационного топлива по п. 1, в которой алкилат или смесь алкилатов имеет содержание С10+ меньше чем 0,1 об.% в расчете на алкилат или смесь алкилатов.
13. Композиция неэтилированного авиационного топлива по п. 1, в которой компонент ароматического амина содержит толуидин и анилин.
14. Композиция неэтилированного авиационного топлива по п. 1, в которой изменение объема при взаимодействии с водой составляет до ±2 мл, как это определено в ASTM D1094.
15. Композиция неэтилированного авиационного топлива по п. 1, которая дополнительно содержит спирт, имеющий от 4 до 8 атомов углерода и температуру кипения в диапазоне от 80°С до 140°C.
16. Композиция неэтилированного авиационного топлива по п. 15, в которой спирт является спиртом, содержащим 4 атома углерода или 8 атомов углерода.
