高辛烷值無鉛航空汽油的制作方法
【專利說明】高辛烷值無鉛航空汽油
[0001] 本申請要求2013年10月31日提交的美國專利申請Nos. 61/898, 314和2014年 5月12日提交的61/991，914的權(quán)益。 發(fā)明領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明涉及高辛烷值無鉛航空汽油燃料，特別地涉及具有低芳族物質(zhì)含量的高辛 烷值無鉛航空汽油。
[0003] 發(fā)明背景
[0004] 航空汽油（aviationgasoline,Avgas)是在火花點(diǎn)火的內(nèi)燃機(jī)中推進(jìn)飛機(jī)所使用 的航空燃料。航空汽油不同于車用汽油（motorgasoline,mogas),后者是在汽車和一些非 商業(yè)的輕型飛機(jī)中使用的日常汽油。與車用汽油（自從二十世紀(jì)七十年代以來被配制以允 許使用3-路催化轉(zhuǎn)化器用以減少污染）不同的是，航空汽油含有四乙基鉛（TEL)，一種防止 發(fā)動機(jī)爆震（爆轟，detonation)所使用的不可生物降解的有毒物質(zhì)。
[0005]航空汽油燃料目前含有用量最多0. 53mL/L或0. 56g/L的添加劑四乙基鉛（TEL)， 該用量是最廣泛使用的航空汽油規(guī)格100低鉛（lOOLowLead，100LL)允許的極限。要求鉛 以滿足航空活塞發(fā)動機(jī)的高辛烷值要求：l〇〇LL規(guī)格的ASTMD910要求最小99. 6的發(fā)動機(jī) 辛烷值（M0N)，這與歐洲車用汽油的EN228規(guī)格（它規(guī)定了最小85的M0N)或者美國車用汽 油（它要求無鉛燃料的最小辛烷比率（R+M)/2為87)形成對照。
[0006] 航空燃料是仔細(xì)地研發(fā)且服從嚴(yán)格的航空應(yīng)用規(guī)章的產(chǎn)品。因此，航空燃料必須 滿足國際規(guī)格，例如聯(lián)邦航空局（FAA)規(guī)定的ASTMD910所定義的精確物理-化學(xué)特征。在 許多飛機(jī)中，汽車汽油不是航空汽油的完全可行的替代品，這是因為許多高性能和/或渦 輪增壓的飛機(jī)發(fā)動機(jī)要求100辛烷值的燃料（99. 6的M0N)且需要改性以便使用較低辛烷 值的燃料。汽車汽油可能在燃料管線內(nèi)蒸發(fā)從而引起氣封（在管線內(nèi)的氣泡）或燃油泵產(chǎn) 生空穴，使發(fā)動機(jī)缺燃料。典型地在其中在發(fā)動機(jī)上安裝的機(jī)械驅(qū)動的燃料泵從低于泵安 裝的罐中引出燃料的燃料體系內(nèi)發(fā)生氣封。管線內(nèi)減少的壓力可引起汽車汽油內(nèi)更多揮發(fā) 性組分閃蒸為蒸氣，從而在燃料管線內(nèi)形成氣泡并干擾燃料的流動。
[0007]ASTMD910規(guī)格不包括對于往復(fù)的航空發(fā)動機(jī)來說令人滿意的所有汽油，但確定 了民用航空汽油的下述具體類型：品級（Grade) 80 ;品級91 ;品級100 ;和品級100LL。品級 100和品級100LL被視為高辛烷值航空汽油，以滿足現(xiàn)代苛刻的航空發(fā)動機(jī)的要求。除了 M0N以外，航空汽油的D910規(guī)格具有下述要求：密度；蒸餾（初沸點(diǎn)和終沸點(diǎn)，燃料蒸發(fā)，蒸 發(fā)溫度1'1(|，1' 4(|，1'9(|，1'1(|+1'5(|)，回收，殘漁，和體積損失 ；蒸氣壓；凝固點(diǎn)；硫含量；凈燃燒熱；銅 條腐蝕；氧化穩(wěn)定性（潛在的膠質(zhì)（gum)和鉛沉淀）；在水反應(yīng)過程中的體積變化；和電導(dǎo) 率。典型地使用ASTM試驗，測試航空汽油燃料的性能：
[0008] 發(fā)動機(jī)辛烷值：ASTMD2700
[0009]航空精細(xì)評級（AviationLeanRating):ASTMD2700
[0010]性能值（增壓（Super-Charge)):ASTMD9〇9
[0011]四乙基鉛含量：ASTMD5059 或ASTMD3341
[0012] 顏色：ASTMD2392
[0013]密度：ASTMD4052 或ASTMD1298
[0014]蒸餾：ASTMD86
[0015]蒸氣壓：ASTMD5191 或ASTMD323 或ASTMD5190
[0016]凝固點(diǎn)：ASTMD2386
[0017]硫：ASTMD2622 或ASTMD1266
[0018]凈燃燒熱（NHC):ASTMD3338 或ASTMD4529 或ASTMD4809
[0019]銅腐蝕：ASTMD130
[0020] 氧化穩(wěn)定性-潛在的膠質(zhì)：ASTMD873
[0021] 氧化穩(wěn)定性-鉛沉淀：ASTMD873
[0022] 水反應(yīng)-體積變化：ASTMD1094
[0023]電導(dǎo)率：ASTMD2624
[0024] 航空燃料必須具有低的蒸氣壓以便避免在高海拔處遇到的低壓下的蒸發(fā)問題 (氣封）和明顯的安全原因。但蒸氣壓必須足夠高，以確保發(fā)動機(jī)容易啟動。里德（Reid) 蒸氣壓（RVP)范圍應(yīng)當(dāng)是38kPa-49kPA。終餾點(diǎn)必須相當(dāng)?shù)?，以便限制沉積物的形成及其有 害的結(jié)果（動力損失，受損的冷卻）。這些燃料還必須擁有充足的凈燃燒熱（NHC)，以確保 飛機(jī)的充足范圍。而且，當(dāng)在發(fā)動機(jī)中使用航空燃料，所述發(fā)動機(jī)提供良好性能和在高負(fù)載 下，即在接近于爆震的條件下頻繁操作時，預(yù)期這類燃料具有非常良好的抗自燃性。
[0025] 而且，對于航空燃料來說，測定與辛烷值相當(dāng)?shù)膬蓚€特征：一個是M0N或發(fā)動機(jī)辛 燒值，它涉及采用略貧燃料的混合物（slightlyleanmixture)操作（巡航動力），另一個 是辛烷評級。性能值或PN，它涉及與明顯較富燃料的混合物一起使用（起飛）。在保證高辛 烷值要求的目的下，在航空燃料的生產(chǎn)階段，通常添加有機(jī)鉛化合物，和更特別地四乙基鉛 (TEL)。在沒有添加TEL的情況下，M0N典型地為約91。如以上的ASTMD910所述，100辛烷 值航空燃料要求最小的發(fā)動機(jī)辛烷值（M0N)為99. 6。高辛烷值無鉛航空燃料組合物的蒸餾 曲線應(yīng)當(dāng)具有T10最大值75°C，T40最小值75°C，T50最大值105°C和T90最大值135°C。
[0026] 與陸地車輛用燃料的情況一樣，管理機(jī)構(gòu)傾向于降低鉛含量，或者甚至禁止這一 添加劑，因為它對健康和環(huán)境有害。因此，從航空燃料組合物中消除鉛成為目標(biāo)。
[0027] 發(fā)明概述
[0028] 已發(fā)現(xiàn)，難以生產(chǎn)滿足針對高辛烷值航空燃料大多數(shù)的ASTMD910規(guī)格要求的高 辛烷值無鉛航空燃料。除了 99.6的M0N以外，重要的還有沒有負(fù)面影響飛機(jī)的飛行范圍， 蒸氣壓，溫度曲線和滿足飛機(jī)發(fā)動機(jī)啟動要求且在高海拔處連續(xù)操作的凝固點(diǎn)。
[0029] 根據(jù)本發(fā)明的一些方面，在本發(fā)明的一個實(shí)施方案中，提供無鉛的航空燃料組合 物，它的M0N為至少99. 6,硫含量小于0. 05wt%，T10最多75°C，T40至少75°C，T50最多 105°C，T90最多135°C，終沸點(diǎn)小于210°C，調(diào)節(jié)過的燃燒熱為至少43. 5MJ/kg，蒸氣壓范圍 為38-49kPa，所述組合物包括共混物，所述共混物包含：
[0030] 5vol% _20vol% 的M0N為至少 107 的甲苯；
[0031] 2vol. %到 10vol. % 的甲苯胺；
[0032] 35vol% -65vol%初沸騰范圍為 32°C-60°C和終沸騰范圍為 105°C_140°C，T40 為 小于99°C，T50小于100°C，T90小于110°C的至少一種烷基化物（alkylate)或烷基化物共 混物，所述烷基化物或烷基化物共混物包括4-9個碳原子的異烷屬烴，3-20vol%的C5異烷 屬烴，3-15vol%的C7異烷屬烴，和60-90vol%的C8異烷屬烴，基于烷基化物或烷基化物共 混物，和小于lvol%的C10+，基于燒基化物或燒基化物共混物；
[0033] 5vol% _20vol%碳酸二乙酯，條件是結(jié)合的甲苯和碳酸二乙酯含量是至少 20vol% ;和
[0034] 至少8vol%異戊烷，其用量足以實(shí)現(xiàn)范圍為38_49kPa的蒸氣壓；
[0035] 其中該燃料組合物含有小于lvol%的C8芳族物質(zhì)。
[0036] 對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的。盡管可由本領(lǐng) 域技術(shù)人員作出許多變化，但這些變化在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
[0037] 發(fā)明詳述
[0038] 我們已發(fā)現(xiàn)，對于100辛烷值航空燃料來說，滿足ASTMD910技術(shù)規(guī)格的大多 數(shù)，高辛烷值低芳族物質(zhì)含量的無鉛航空燃料可通過下述共混物生產(chǎn)，所述共混物包括約 5vol% -約 20vol% 高M(jìn)0N甲苯，約 2vol% -約lOvol% 甲苯胺；約 35vol% -約 65vol% 具有某些組成和性能的至少一種烷基化物餾分或烷基化物共混物，至少8vol%異戊烷和 5vol% -20vol%碳酸二乙酯（DEC)，條件是結(jié)合的甲苯和碳酸二乙酯含量是至少20vol%， 優(yōu)選至少22vol%，基于無鉛燃料組合物。本發(fā)明的高辛烷值無鉛航空燃料具有大于99. 6 的M0N。
[0039]此外無鉛航空燃料組合物含有小于lvol%，優(yōu)選小于0. 5vol%的C8芳族物質(zhì)。已 發(fā)現(xiàn)，C8芳族物質(zhì)，例如二甲苯具有材料相容性問題，尤其在較老式的飛機(jī)內(nèi)。