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. 61/898,258,和2014年 5月12日提交的61/991，900的權益。 發明領域
[0002] 本發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含量的高辛 烷值無鉛航空汽油。
[0003] 發明背景
[0004] 航空汽油（aviationgasoline,Avgas)是在火花點火的內燃機中推進飛機所使用 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 商業的輕型飛機中使用的日常汽油。與車用汽油（自從二十世紀七十年代以來被配制以允 許使用3-路催化轉化器用以減少污染）不同的是，航空汽油含有四乙基鉛（TEL)，一種防止 發動機爆震（爆轟，detonation)所使用的不可生物降解的有毒物質。
[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格100低鉛（lOOLowLead，100LL)允許的極限。要求鉛 滿足航空活塞發動機的高辛烷值要求：l〇〇LL規格的ASTMD910要求99. 6的最小發動機辛 烷值（M0N)，這與歐洲車用汽油的EN228規格（它規定了85的最小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] 航空燃料是已經仔細地研發且服從嚴格的航空應用規章的產品。因此，航空燃料 必須滿足由國際規格，例如聯邦航空局（FAA)規定的ASTMD910所定義的精確物理-化學 特征。在許多飛機中，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 /或渦輪增壓的飛機發動機要求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蒸發從而引起氣封（在管線內的氣泡）或燃油 泵空化，使發動機缺燃料。典型地在其中在發動機上安裝的機械驅動的燃料泵從低于泵安 裝的罐中引出燃料的燃料體系內發生氣封。管線內減少的壓力可引起汽車汽油內更多揮發 性組分閃蒸為蒸氣，從而在燃料管線內形成氣泡并干擾燃料的流動。
[0007]ASTMD910規格不包括對于往復運動的航空發動機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，以滿足現代苛刻的航空發動機的要求。除 了M0N以外，航空汽油的D910規格具有下述要求：密度；蒸餾（初沸點和終沸點，燃料蒸發， 蒸發溫度T1(l，T4(l，T9(l，T1(l+T5(l)，回收，殘渣，和體積損失；蒸氣壓；凝固點；硫含量；凈燃燒熱； 銅條腐蝕；氧化穩定性（潛在的膠質（gum)和鉛沉淀）；在水反應過程中的體積變化；和電 導率。典型地使用ASTM試驗，測試航空汽油燃料的性能：
[0008] 發動機辛烷值：ASTMD2700
[0009]航空精細評級（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：ASTMD2386
[0017]硫：ASTMD2622 或ASTMD1266
[0018]凈燃燒熱（NHC):ASTMD3338 或ASTMD4529 或ASTMD4809
[0019]銅腐蝕：ASTMD130
[0020] 氧化穩定性-潛在的膠質：ASTMD873
[0021] 氧化穩定性-鉛沉淀：ASTMD873
[0022] 水反應-體積變化：ASTMD1094
[0023]電導率：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，以確保發動機容易啟動。里德（Reid) 蒸氣壓（RVP)范圍應當是38kPa-49kPA。終餾點必須相當低，以便限制沉積物的形成及其有 害的結果（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 飛機的充足范圍。而且，當在發動機中使用航空燃料，所述發動機提供良好性能和在高負載 下，即在接近于爆震的條件下頻繁操作時，預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，測定與辛烷值相當的兩個特征：一個是M0N或發動機辛 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 是辛烷比率。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，在航空燃料的生產階段，通常添加有機鉛化合物，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動機辛烷值（M0N)為99. 6。高辛烷值無鉛航空燃料組合物的蒸餾 曲線應當具有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，管理機構傾向于降低鉛含量，或者甚至禁止這一 添加劑，因為它對健康和環境有害。因此，從航空燃料組合物中消除鉛成為目標。
[0027] 發明概述
[0028] 已發現，對于高辛烷值航空燃料來說，難以生產滿足ASTMD910規格要求中大多數 的高辛烷值無鉛航空燃料。除了 99. 6的M0N以外，重要的還有不負面影響飛機的飛行范圍， 蒸氣壓，溫度曲線和滿足飛機發動機啟動要求且在高海拔處連續操作的凝固點。
[0029] 根據本發明的一些方面，在本發明的一個實施方案中，提供無鉛的航空燃料組合 物，該組合物的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，終沸點小于190°C，調節過的燃燒熱為至少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. % 的苯胺；
[0032] 35vol%到65vol%初沸騰范圍為32°C-60°C和終沸騰范圍為105°C-140°C，T40 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，條件是結合的甲苯和碳酸二乙酯含量減去苯胺含量 是大于20vol% ;和
[0034] 至少8vol%異戊燒，其用量足以實現范圍為38_49kPa的蒸氣壓；和
[0035] 其中該燃料組合物含有小于lvol%的C8芳族物質。
[0036] 對于本領域的技術人員來說，本發明的特征和優點是顯而易見的。盡管可由本領 域技術人員作出許多變化，但這些變化在本發明的范圍內。
[0037] 發明詳述
[0038] 我們已發現，對于100辛烷值航空燃料來說，滿足ASTMD91術規格的大多數的 高辛烷值低芳族物質含量的無鉛航空燃料可通過下述共混物生產，所述共混物包括約 5vol. % -約 20vol%高M0N的甲苯，約 2vol% -約lOvol%苯胺；約 35vol%到約 65vol% 至少一種具有某種組成和性能的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)，條件是結合的甲苯和碳酸二乙酯含量減去苯胺含量是 大于20vol%，優選至少22vol%，更優選至少25vol%，基于無鉛燃料組合物。本發明的高 辛烷值無鉛航空燃料的M0N大于99. 6。
[0039]進一步地，無鉛航空燃料組合物含有小于lvol%，優選小于0. 5vol%的C8芳族物 質。已發現，C8芳族物質，例如二甲苯具有材料相容性問題，尤其在較老式的飛機內。進一 步地，已發現，含有C8芳族物質的無鉛航空燃料傾向于難以滿足D910規格要求的溫度曲 線。