Композиція оксигенованого бензину з гарними характеристиками керованості

Реферат: Спосіб одержання бензинової суміші, що має високу концентрацію ізомеру бутанолу і має гарні характеристики керованості при холодному запуску і прогріві. UA 104720 C2 (12) UA 104720 C2 UA 104720 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 [0001] Дана заявка заявляє пріоритет попередньої заявки №61/051536, поданої 8 травня 2008 p., що посиланням цілком включена в даний опис. [0002] Даний винахід відноситься до палив, більш конкретно, до оксигенованих бензинів, включаючи бензини, що містять бутанол у високій концентрації. Даний винахід передбачає оксигенований бензин з гарними характеристиками керованості. [0003] Бензини являють собою палива, придатні до використання в двигуні з іскровим запалюванням і звичайно містять в якості первинного компонента суміш численних вуглеводнів, що мають різні температури кипіння, і, як правило, що киплять при температурі від приблизно 79 °F до приблизно 437 °F при атмосферному тиску. Цей інтервал є приблизним і може змінюватися в залежності від фактичної суміші присутніх молекул вуглеводнів, добавок або інших присутніх сполук (якщо вони мають місце), а також від умов навколишнього середовища. Як правило, вуглеводневий компонент бензину містить С4-С10 вуглеводні. [0004] Бензини, як правило, повинні відповідати визначеним фізичним і експлуатаційним стандартам. Деякі характеристики покликані забезпечувати надійне функціонування двигунів або інших пристроїв, робота яких ґрунтується на згорянні палива. Однак багато фізичних і експлуатаційних характеристик встановлюються національними або місцевими адміністративними положеннями і з інших причин, таких як заходи для охорони навколишнього середовища. Приклади фізичних характеристик включають пружність парів за Рейдом, вміст сірки, вміст кисню, вміст ароматичних вуглеводнів, вміст бензолу, вміст олефінів, температуру, при якій відганяється 90 % палива (Т90), температуру, при якій відганяється 50 % палива (Т50), і інші. Експлуатаційні характеристики можуть включати октанове число, параметри згоряння і компоненти вихлопу. [0005] Наприклад, стандарти бензинів для продажу на більшій частині території США звичайно викладаються в ASTM (Американське суспільство фахівців з іспиту матеріалів) Стандартний номер D4814-07a ("ASTM D4814"), що посиланням включається в даний опис. Додаткові федеральні положення і норми прав штатів доповнюють цей стандарт. Технічні умови для бензинів, обумовлені стандартом ASTM D4814, варіюються на основі ряду параметрів, що впливають на випаровуваність і згоряння, таких як погода, пора року, географічне положення і висота над рівнем моря. З цієї причини бензини, що отримують у відповідності зі стандартом ASTM D4814, розбиваються по категоріях летючості АА, А, В, С, D і Ε і по категоріях захисту від газових пробок 1, 2, 3, 4, 5 і 6, де кожна категорія містить набір технічних умов, що описують бензини, що відповідають вимогам відповідних класів. Технічні умови також визначають методи випробувань для визначення параметрів технічних умов. [0006] Наприклад, бензин класу АА-2, змішаний для застосування протягом літнього сезону водіння у відносно теплому кліматі, повинен мати максимальний тиск парів 7,8 фунтів на квадратний дюйм, максимальну температуру перегонки 10 % об'єму його компонентів ("Т10") 158 °F, температурний інтервал перегонки 50 % об'єму його компонентів ("Т50") 170-240 °F, максимальну температуру перегонки 90 % об'єму його компонентів ("Т90") 374 °F, кінець перегонки - 437Т, максимальний кубовий залишок - 2 об. % і максимальну температуру "Індексу керованості" або "DI" - 1250 °F. Зокрема, якщо бензинова суміш містить етанол, стандарт ASTM D4814 використовує лінійну комбінацію D86 температур перегонки і концентрації етанолу для обчислення індексу керованості (DI), як викладено нижче: DI=1,5(Т10) + 3(Т50) + Т90+2,4 (об. % етанолу) Рівняння (А) Однак контрольні експерименти показали, що характеристики керованості при холодному запуску і прогріві можуть бути проблематичними для бензинових сумішей, що містять високу концентрацію бутанолу. Також виявлено, що існуючі способи прогнозування характеристик керованості при холодному запуску і прогріві на основі параметрів випаровуваності палива, таких як вищезгаданий Індекс керованості (DI), неефективні для сумішей з високим вмістом бутанолу. Короткий опис винаходу [0007] Даний винахід являє собою спосіб одержання бензинової суміші, що містить бутанол у високій концентрації і володіє гарними характеристиками керованості при холодному запуску і прогріві, що включає: а) формування суміші з високою концентрацією, щонайменше, одного ізомеру бутанолу і, щонайменше, одного компонента змішування бензину; і b) підтримку, щонайменше, 35 об. % об'ємної частки отриманої бензинової суміші, що випаровується при температурах до приблизно 200 °F. Суміш, сформована відповідно до способу даного винаходу, містить переважно, щонайменше, приблизно 20 об. %, більш переважно, щонайменше, приблизно 30 об. %, і, найбільш переважно, щонайменше, близько 40 об. %, щонайменше, одного ізомеру бутанолу. Переважно, щонайменше, один ізомер бутанолу в бензиновій суміші, 1 UA 104720 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 сформований способом даного винаходу, включає ізобутанол. Даний винахід також в результаті дає бензинову суміш, що формується за способом даного винаходу. Опис переважних варіантів здійснення [0008] Бензини добре відомі з рівня техніки і звичайно містять в якості первинного компонента суміш вуглеводнів з різними температурами кипіння, як правило, що кипить в інтервалі температур від приблизно 79 °F до приблизно 437 °F при атмосферному тиску. Цей інтервал є приблизним і може змінюватися в залежності від фактичного складу суміші присутніх молекул вуглеводнів, добавок і присутності інших сполук (якщо вони мають місце), а також умов навколишнього середовища. Оксигеновані бензини являють собою суміші базового компонента бензинової суміші та одного або декількох оксигенатів. [0009] Базові компоненти бензинових сумішей можна отримати з єдиного компонента, як, наприклад, продукту, що отримують з установки нафтоперегінного алкілування або інших процесів переробки нафти. Однак, як правило, суміші базових компонентів бензинових сумішей змішуються з використанням більш ніж одного базового компонента. Базові компоненти бензинової суміші змішуються таким чином, щоб вони відповідали необхідним фізичним і експлуатаційним характеристикам, а також вимогам законодавства, і можуть включати кілька компонентів, наприклад, три або чотири, а також безліч компонентів, наприклад, дванадцять і більше. [0010] Бензини і базові компоненти бензинових сумішей необов'язково можуть включати інші хімічні речовини або допоміжні речовини. Наприклад, допоміжні речовини або інші хімічні речовини можуть додаватися для регулювання властивостей бензину з метою їхньої відповідності вимогам законодавства, додавання або вдосконалення корисних властивостей, зниження небажаних пагубних впливів, регулювання експлуатаційних характеристик або, інакше, для модифікації характеристик бензину. Приклади таких хімічних речовин і допоміжних речовин включають детергенти, антиоксиданти, підсилювачі стійкості, деемульгатори, інгібітори корозії, антиокисні допоміжні речовини та ін. Може використовуватися більше однієї допоміжної речовини або хімічної речовини. [0011] Застосовувані допоміжні речовини і хімічні речовини описані Colucci і ін. у патенті США №5782937, що посиланням включається в даний опис. Такі допоміжні речовини і хімічні речовини описані Wolf у патенті США №6083228 і Ishida і ін. у патенті США №5755833, що посиланням включаються в даний опис. Бензини і базові компоненти бензинових сумішей можуть також містити розчинники або розчини носіїв, що часто використовуються для доставки допоміжних речовин у паливо. Приклади таких розчинників або розчинів носіїв включають, але не обмежуються, мінеральні олії, спирти, карбонові кислоти, синтетичні олії і багато інших речовин, відомих в даній галузі техніки. [0012] Базові компоненти бензинових сумішей, придатні для застосування в способі даного винаходу, як правило, являють собою базові компоненти, придатні для одержання бензинів, що використовуються двигунами з іскровим запалюванням або іншими двигунами, у яких відбувається згоряння бензину. Придатні базові компоненти бензинових сумішей включають базові компоненти сумішей, що відповідають стандарту ASTM D4814, а також базові компоненти сумішей для реформульованого бензину. Придатні базові компоненти бензинових сумішей також включають базові компоненти сумішей, що мають низький вміст сірки і можуть бути запитані для відповідності регіональним вимогам, наприклад, що мають менше ніж приблизно 150 за об'ємом, переважно - менше ніж приблизно 100 за об'ємом, більш переважно - менше ніж приблизно 80 частин на мільйон за об'ємом, сірки. Такі придатні базові компоненти бензинових сумішей також включають базові компоненти, що мають низький вміст ароматичних сполук, що може бути запитано для відповідності вимогам законодавства, наприклад, що містять приблизно 8000, переважно - менше ніж приблизно 7000 частин на мільйон за об'ємом бензолу або, наприклад, що мають менше ніж приблизно 35, переважно - менше ніж приблизно 25 об. % у розрахунку на повний об'єм присутніх ароматичних сполук. [0013] Оксигенат, такий як етанол, також може змішуватися з базовим компонентом бензинової суміші. В цьому випадку отримана бензинова суміш включає суміш одного або декількох базових компонентів бензинової суміші та одного або декількох придатних оксигенатів. В іншому варіанті здійснення один або кілька ізомерів бутанолу можуть змішуватися з одним або декількома базовими компонентами бензинової суміші і, необов'язково, з одним або декількома придатними оксигенатами, такими як етанол. У даному варіанті здійснення один або кілька базових компонентів суміші, один або кілька ізомерів бутанолу і, необов'язково, один або кілька придатних оксигенатів можуть змішуватися один з одним. Наприклад, бутанол може додаватися до суміші, що включає базовий компонент бензинової суміші і придатні оксигенати. В якості іншого прикладу, один або кілька придатних 2 UA 104720 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 окисгенатів і бутанол можуть додаватися в декількох різних положеннях або у кілька стадій. В інших прикладах бутанол, більш переважно - ізобутанол, може додаватися разом із придатними оксигенатами, додаватися перед придатними оксигенатами або змішуватися з придатними оксигенатами перед додаванням до базового компонента бензинової суміші. У переважному варіанті здійснення бутанол, більш переважно - ізобутанол, додається до оксигенованого бензину. В іншому переважному варіанті здійснення один або кілька придатних оксигенатів і бутанол змішуються з базовим компонентом бензинової суміші одночасно. [0014] В кожному з цих варіантів здійснення один або кілька бутанолів і, необов'язково, один або кілька оксигенатів можуть додаватися в будь-якій точці ланцюжка розподілу. Наприклад, базовий компонент бензинової суміші може транспортуватися до термінала, а потім бутанол і, необов'язково, один або кілька придатних оксигенатів можуть змішуватися з базовим компонентом бензинової суміші окремо або в сполученні в терміналі. У якості подальшого прикладу, один або кілька базових компонентів бензинової суміші, один або кілька ізомерів бутанолу і, необов'язково, один або кілька придатних оксигенатів можуть поєднуватися на нафтопереробному заводі. Інші компоненти або допоміжні речовини також можуть додаватися в будь-якій точці ланцюжка розподілу. Крім того, спосіб даного винаходу може застосовуватися на практиці на нафтопереробному заводі, у терміналі, на автозаправній станції або в будь-якій іншій придатній точці ланцюжка розподілу. [0015] Оскільки ізомери бутанолу киплять поблизу від середньої точки інтервалу кипіння бензину, якщо додати відносно низьку концентрацію ізомеру бутанолу до базового компонента бензинової суміші, характеристики випару отриманої бензинової суміші значно не зміняться. У результаті характеристики холодного запуску і прогріву для бензинових сумішей, що містять ізомер бутанолу у відносно невеликих концентраціях, будуть, у значній мірі, такими ж, як і для відповідної бензинової суміші, що не містить бутанол. Однак, коли відносно більш висока концентрація ізомеру бутанолу змішується з базовим компонентом бензинової суміші, отримана бензинова суміш містить велику фракцію, що має одну відносно високу температуру кипіння, і присутність цієї великої середньокиплячої фракції несприятливо впливає на загальні характеристики випару отриманої бензинової суміші, особливо, випаровуваності її головної фракції. Така зміна випаровуваності може перешкоджати легкому утворенню бензиновою фракцією легкозаймистої паливноповітряної суміші в системах впуску двигуна при кімнатній температурі і, таким чином, приводити до незадовільних характеристик керованості при холодному пуску і прогріві. [0016] Такі незадовільні характеристики показані на Фіг. 1, що включає результати іспиту шести легкових автомобілів на характеристики керованості для бензинових сумішей, що містять різні концентрації ізобутанолу. Дефекти керованості включають такі труднощі як тривалі часи запуску, затухання і пульсацію. На Фіг. 1 дефекти керованості, представлені як середнє загальних зважених недоліків (TWD), скоректовані на температуру та ефекти транспортних засобів, нанесені на графік залежності від концентрацій ізобутанолу у випробовуваних бензинових сумішах. Результати на Фіг. 1 показують, що дефекти керованості для бензинових сумішей, що містять ізобутанол у низьких концентраціях, близькі до таких для сумішей, що не містять ізобутанол.Однак дефекти керованості різко зростають для бензинових сумішей, що містять відносно більш високі концентрації ізобутанолу. [0017] Труднощі керованості в бензиновій суміші, як правило, ліквідуються шляхом відновлення рівноваги випаровуваності з використанням лінійної комбінації температур перегонки і концентрації етанолу в приведеному вище співвідношенні для Індексу керованості (А), що описує загальну випаровуваність бензинової суміші. Дослідження, проведені Координаційною дослідницькою радою США та іншими організаціями, показали, що Індекс керованості успішно зв'язує параметри випаровуваності палива з керованістю транспортного засобу. Оскільки дефекти керованості зростають передбачуваним образом зі збільшенням Індексу керованості, технічні умови для максимальних Індексів керованості досить адекватні, щоб гарантувати гарну керованість у звичайних бензинових сумішах. 2 [0018] Однак, як показано на Фіг. 2, а також по дуже низькому значенню R , Індекс керованості не описує взаємозв'язок між керованістю і випаровуваністю в бензинових сумішах з високим вмістом бутанолу. На Фіг. 2 логарифми тих же даних загальних зважених недоліків (TWD) з того ж випробування на шести легкових автомобілях, що описано вище, нанесені на графік залежності від Індексів керованості для тих же сумішей ізобутанол-бензин, що і на Фіг. 1. Результати на Фіг. 2 показують, що Індекс керованості не описує взаємозв'язок між випаровуваністю і керованістю для палив з високою концентрацією ізобутанолу, і тому він не є придатним як засіб для прогнозування або регулювання характеристик керованості в подібних бензинових сумішах. 3 UA 104720 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 [0019] За контрастом, на Фіг. 3 представлений графік тих же логарифмів загальних середньозважених недоліків (TWD) в залежності від об'ємної частки, що випаровується при температурах до приблизно 200 °F, що позначається як Е200, у тих же сумішах ізобутанол2 бензин, що і на графіку на Фіг. 2. Графік на Фіг. 3 і дуже низьке значення R вказують на дуже точний опис взаємозв'язку між випаровуваністю і характеристиками керованості для бензинових сумішей, що містять бутаноли у високих концентраціях. [0020] Фіг. 4 містить графік загальних зважених недоліків (TWD) самих по собі, а не їхніх логарифмів, в залежності від об'ємної частки в тих же сумішах ізобутанолу з бензином, що і на 2 Фіг. 2 і 3. Фіг. 4 і дуже низьке значення R показує, що коли Е200 бензинової суміші, що містить бутанол у високій концентрації, щонайменше, 35 %, переважно, щонайменше, 40 %, найбільше переважно - 45 %, недоліки керованості, що представляються TWD, підтримуються на низькому рівні, що, у значній мірі, еквівалентний такому для бензинових сумішей, що не містять бутанольний компонент. [0021] Дані, що використовувалися для графіків на Фіг. 1-4, отримані з використанням двох основних палив: перше - з літньої (приблизно, класу В) випаровуваністю, друге - із зимовою (клас D) випаровуваністю. Випробувані суміші включали ізобутанол у концентраціях 0, 5, 11, 15, 20, 30, 40, 50, 60 об. %. Параметри випаровуваності, включаючи пружність парів за Рейдом, перегонку D86 і Τ (V/L=20), вимірялися в лабораторії. Бензинові суміші випробовувалися на характеристики керованості на парку із шести легкових автомобілів останньої моделі з низьким рівнем викидів відповідно до процедур, передбачених промисловим стандартом CRC E28-94 у динамометричній камері для випробування. Температура навколишнього середовища в іспитах керованості знаходилася в інтервалі 20-70 °F. Також випробовувалися дві додаткові бензинові суміші, що не містять ізобутанол: одна суміш відповідала технічним умовам стандарту ASTM DI для палив класу В (літні), друга представляла типові властивості для стандарту ASTM класу D (зимові). Усього було проведено 192 іспити керованості. [0022] На Фіг. 5 показано застосування способу даного винаходу для вдосконалення незадовільних характеристик керованості бензинової суміші, що містить бутанол у високій концентрації. На Фіг. 5 частка, що випаровується, в об'ємних відсотках бензинової суміші, що містить 50 об. % ізобутанолу, нанесена на графік в залежності від температури, до якої нагрівалася бензинова суміш. Після заміни половини вихідного основного компонента бензинової суміші легкою фракцією нафти каталітичного крекінгу так, щоб результуюча модифікована бензинова суміш містила 25 об. % вихідного основного компонента бензинової суміші, 25 об. % легкої фракції нафти каталітичного крекінгу і 50 об. % ізобутанолу на графіку випареної фракції в об. % в залежності від температури, до якої нагрівається модифікована бензинова суміш, частка, що випаровується при 200 °F, що є її значенням Е200, зростає від приблизно 28 об. % для вихідної бензинової суміші до приблизно 39 об. % для модифікованої бензинової суміші. Характеристики керованості отриманої модифікованої бензинової суміші значно поліпшуються і стають практично еквівалентними таким для бензину, що не містить бутанольний компонент. Таким чином, даний винахід являє собою спосіб одержання бензинової суміші, що має гарні характеристики керованості при холодному запуску і прогріві, де спосіб включає: а) змішування високої концентрації, переважно, щонайменше, 20 об. %, більш переважно, щонайменше, 30 об. %, найбільше переважно, щонайменше, 40 об. %, щонайменше, одного ізомеру бутанолу, що переважно включає ізобутанол, з бензином; б) підтримку об'ємної частки отриманої суміші, що випаровується при температурах до приблизно 200 °F, на рівні, щонайменше, 35 об. %, переважно, щонайменше, 40 об. %, більш переважно, щонайменше, 45 об. %, найбільш переважно, щонайменше, 50 об. %. Даний винахід також являє собою і отриману бензинову суміш. [0023] Фахівці даної галузі техніки оцінять, незважаючи на те, що даний винахід описаний тут з посиланням на конкретні засоби, матеріали і приклади, що об'єм даного винаходу ними не обмежується і поширюється на будь-які інші засоби і матеріали, придатні для практичного застосування даного винаходу. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 55 60 1. Бензинова суміш, що має гарні характеристики керованості при холодному запуску та прогріві, яка відрізняється тим, що містить принаймні 20 % об. ізобутанолу і має частку фракції, що складає щонайменше 35 % об., що випаровується при температурі до приблизно 93 °С. 2. Бензинова суміш за п. 1, яка відрізняється тим, що містить щонайменше 30 % об. ізобутанолу. 4 UA 104720 C2 5 10 3. Бензинова суміш за п. 2, яка відрізняється тим, що містить щонайменше 40 % об. ізобутанолу. 4. Бензинова суміш за п. 1, яка відрізняється тим, що об'ємна частка суміші, що випаровується при температурі до приблизно 93 °С, складає щонайменше 40 % об. 5. Бензинова суміш за п. 4, яка відрізняється тим, що об'ємна частка одержаної суміші, що випаровується при температурі до приблизно 93 °С, складає щонайменше 45 % об. 6. Бензинова суміш за п. 5, яка відрізняється тим, що об'ємна частка одержаної суміші, що випаровується при температурі до приблизно 93 °С, складає щонайменше 50 % об. 7. Спосіб одержання бензинової суміші за будь-яким з пп. 1-6, що включає змішування принаймні одного ізомеру бутанолу з бензином таким чином, що одержана суміш містить щонайменше 20 % об. принаймні одного ізомеру бутанолу, а об'ємна частка одержаної суміші, що випаровується при температурі до приблизно 93 °С, складає щонайменше 35 % об. 5 UA 104720 C2 Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6