ТОПЛИВНАЯ КОМПОЗИЦИЯ АВИАЦИОННОГО НЕЭТИЛИРОВАННОГО БЕНЗИНА
FUEL COMPOSITION OF UNLEADED AVIATION PETROL

Изобретение относится к нефтепереработке и нефтехимии, а именно к композиции авиационного бензина.
Авиационный бензин предназначается для использования в качестве топлива летательных аппаратов, оснащенных поршневыми двигателями внутреннего сгорания (ДВС).
В нашей стране до 2005 года производство авиационных бензинов осуществлялось по ГОСТ 1012. Вырабатывались авиабензины марок: Б-91/115 и Б-95/130. При этом наиболее востребованным был бензин марки Б-91/115, который имеет октановое число по моторному методу не менее 91 ед., сортность на богатой смеси не менее 115 ед. и содержит тетраэтилсвинец не более 2,5 г/кг бензина. Его аналогом является бензин Б-92, который имеет октановое число по моторному методу не менее 91,5 ед. и сортность на богатой смеси не менее 100 ед.
В настоящее время в России авиабензин не вырабатывается и потребляется только импортный малоэтилированный авиационный бензин, преимущественно марок Avgas 100LL или Avgas 100VLL, который производится в соответствии с требованиями АСТМ Д 910 или ДЕФ СТАН 91-90.
Рассматривая задачу восстановления производства авиабензина в России, необходимо учитывать возможность выпуска двух принципиально различающихся его видов: этилированного и неэтилированного. Производство этилированного авиабензина может быть налажено относительно быстро, однако связано с необходимостью импорта и использования на предприятии этиловой жидкости - крайне токсичного химического соединения. Кроме того, в странах-лидерах по использованию авиабензина поставлена задача отказаться от применения в его составе тетраэтилсвинца - в будущем это приведет к еще большим проблемам с импортом данной присадки в Россию. Таким образом, наиболее актуальным является производство неэтилированного авиационного бензина.
Данное направление активно развивается за рубежом. В США разработаны стандарты АСТМ Д 7547 и АСТМ Д 7592 на неэтилированные авиабензины 91UL и 94UL соответственно. Ведущие производители поршневых авиационных двигателей (компании Lycoming и Continental Motors) ряд новых моделей проектируют для работы на данном топливе.
Патентами РФ №2167916, 2167917, 2167918, 2001 г., защищены композиции неэтилированных бензинов, имеющие октановые числа по моторному методу не менее 76 ед. Композиции предназначены для применения в качестве автомобильного и авиационного бензинов.
Основной недостаток данных композиций - невозможность обеспечения требований для авиабензина по температуре конца кипения, химической стабильности (при наличии олефиновых углеводородов) до 25% и теплоте сгорания.
Известна топливная композиция высокооктанового неэтилированного авиационного бензина, которая содержит в качестве базового компонента алкилат с широким диапазоном кипения, а также от 0,1 до 40% об. алкил-трет-бутилового эфира и от 0,1 до 40% об. ароматических аминов. Топливная композиция может также содержать в своем составе октаноповышающие присадки на основе марганца в концентрации 0,1 до 0,5 г марганца на галлон топлива (Патент США №6258134, 2001 г.).
Основным недостатком предлагаемой топливной композиции является совместное использование в ее составе ароматических аминов и оксигенатов. Известно, что в присутствии оксигенатов (особенно спиртовых примесей в метил-трет-бутиловом или в других эфирах) ускоряется процесс накопления смолистых соединений в бензине, происходит потемнение топлива. Кроме того, наличие алкил-трет-бутилового эфира в композиции особенно в высокой концентрации будет способствовать увеличению агрессивности топлива по отношению к неметаллическим материалам и существенно снижать теплотворную способность бензина.
Наиболее близкой к заявляемой является композиция авиационного неэтилированного бензина, которая содержит бензин каталитического риформинга, алкилбензин, толуол и антидетонационную присадку, при этом композиция дополнительно содержит прямогонную бензиновую фракцию, выкипающую в пределах 62-85°С, а в качестве антидетонационной присадки - монометиланилин и метил-трет-бутиловый эфир при следующем соотношении компонентов, % масс.: алкилбензин 15,0-25,0; толуол 10,0-20,0; бензиновая фракция, выкипающая в пределах 62-85°С, 20,0-35,0; монометиланилин 1,5-3,0; метил-трет-бутиловый эфир 5,0-10,0; бензин каталитического риформинга остальное (Патент РФ №2547151, 2015 г.).
Как и в предыдущем случае, недостатком предлагаемой топливной композиции является совместное использование ароматических аминов и оксигенатов, а также наличие метил-трет-бутилового эфира. Кроме того, к недостаткам следует отнести относительно невысокую детонационную стойкость композиции. Согласно результатам исследований, проводимых в США под руководством координационного совета по научным исследованиям (Итоговый отчет «Координационного совета по научным исследованиям США», 2010 г. (CRC Report AV-7-07, "Research Results Unleaded High Octane Aviation Gasoline", June 17, 2010)), для достижения бездетонационной работы поршневого авиационного двигателя октановое число неэтилированного бензина должно быть не менее чем на 2,0 ед. выше, чем у штатного этилированного авиабензина. Таким образом, для удовлетворения детонационных требований поршневых двигателей, рассчитанных на работу на этилированном авиабензине Б-91/115 или Б-92 по ГОСТ 1012, необходимо использовать топливо с октановым числом не менее 93,0 ед., определенным по моторному методу.
Задачей настоящего изобретения является создание топливной композиции авиационного неэтилированного бензина с октановым числом не менее 93,0 ед., определенным по моторному методу, и при этом удовлетворяющей всем основным требованиям, предъявляемым к авиационному бензину Б-91/115 или Б-92 по ГОСТ 1012.
Для решения поставленной задачи предлагается топливная композиция авиационного неэтилированного бензина с октановым числом не менее 93,0 ед., определенным по моторному методу, включающая алкилбензин, ароматические углеводороды и монометиланилин, отличающаяся тем, что содержит алкилбензин, имеющий температуру конца кипения до 200°С, в качестве ароматических углеводородов содержит толуол или его смесь с п-ксилолом при массовом соотношении толуол:п-ксилол от 1:1 до 5:1 и дополнительно содержит гексановый изомеризат при следующем соотношении компонентов, % масс:
толуол или его смесь с п-ксилолом
30,0-32,0
изомеризат гексановый
10,0-37,0
монометиланилин
1,0-3,0
алкилбензин с Т<sub>кк</sub> до 200°С
до 100
Топливная композиция может содержать присадки, выбранные из группы: антиокислительные, антикоррозионные, антистатические и другие, разрешенные стандартом на авиационный бензин.
Производство базового компонента - алкилбензина осуществляется путем каталитического взаимодействия изобутана с бутиленами или пропилен-бутиленовой фракцией. В предлагаемой композиции может использоваться широкая фракция алкилбензина, выходящая с установки и имеющая температуру конца кипения не выше 200°С, а также любая фракция алкилбензина, имеющая температуру конца кипения значительно ниже 200°С, например фракция 40-140°С, выделяемая на ректификационном оборудовании из широкого алкилбензина. Выделение узкой фракции требуется в случае использования высокой концентрации наиболее тяжелого компонента - монометиланилина. В случае его применения в относительно невысокой концентрации, возможно использование широкой фракции алкилбензина, если температура конца его кипения не превышает 200°С.
Монометиланилин (или N-метиланилин) производится путем N-алкилирования анилина метанолом. В предлагаемой композиции содержится оптимальное количество монометиланилина, обеспечивающее одновременно максимальную детонационную стойкость и соответствие нормам по таким характеристикам авиабензина, как концентрация фактических и потенциальных смол, а также температура конца кипения.
Ароматические углеводороды: толуол и п-ксилол, используемые в предлагаемом изобретении, производятся на установках каталитического риформинга (платформинга) узких углеводородных фракций с последующей экстракцией ароматических углеводородов. Толуол и п-ксилол обладают более высокими антидетонационными свойствами по сравнению с алкилбензином, поэтому с целью увеличения детонационной стойкости концентрация толуола и п-ксилола в топливной композиции должна быть максимальной. В предлагаемой композиции содержится максимальное количество толуола или его смеси с п-ксилолом, при котором обеспечивается соответствие по таким нормируемым характеристикам авиабензина, как удельная низшая теплота сгорания и температура 50%-ного отгона. Использование вместе с толуолом п-ксилола необходимо для выравнивания фракционного состава топливной композиции и, таким образом, снижения температуры конца кипения бензина при максимальной концентрации (3,0% масс.) наиболее низкокипящего компонента - монометиланилина. При содержании монометиланилина 2,5% масс. использование п-ксилола с этой целью не требуется.
5
6
5
5
6
5
6
5
6
Изомеризат гексановый образуется на установке изомеризации парафиновых углеводородов С-С в результате выделения из изомеризата газов и фракции С. Наличие углеводородов С-С в любой топливной композиции авиационного бензина необходимо для повышения испаряемости топлива, которая характеризуется такими нормируемыми показателями, как давление насыщенных паров и температура 10%-ного отгона бензина. Изомеризат гексановый содержит от 50 до 80% масс. диметилбутанов - углеводородов, обладающих наибольшей детонационной стойкостью среди всех С-С углеводородов. Именно поэтому использование гексанового изомеризата среди любых других промышленных фракций, содержащих преимущественно углеводороды С-С, наиболее эффективно с точки зрения получения топливной композиции авиабензина с максимальной детонационной стойкостью. Кроме того, в случае использования в составе композиции широкой фракции алкилбензина с температурой конца кипения от 180 до 200°С, вовлечение гексанового изомеризата позволяет снизить долю алкилбензина и тем самым обеспечить соответствие норме по температуре конца кипения (97,5% отгона) - не выше 180°С. Однако необходимо учитывать, что детонационная стойкость гексанового изомеризата все-таки ниже, чем у алкилбензина. В предлагаемой композиции содержится оптимальное количество изомеризата гексанового, при котором обеспечивается увеличение ДНП и температуры 10%-ного отгона до требуемых норм.
Все компоненты топливной композиции, используемые в предлагаемом изобретении, промышленного производства.
В табл. 1 представлены основные характеристики компонентов, использованных для приготовления образцов авиационного неэтилированного бензина.
В качестве примеров предлагаемого изобретения было приготовлено 4 образца неэтилированного авиационного бензина. Результаты испытаний приготовленных образцов авибензинов представлены в табл. 2, в которой также приведены нормы для этилированных авиационных бензинов Б-91/115 и Б-92 по ГОСТ 1012 в редакции 2013 года.
Образцы были испытаны по всем основным нормируемым показателям качества авиационных бензинов согласно ГОСТ 1012 (показатели 1-17). Дополнительно было определено содержание потенциальных смол по методу АСТМ Д 873 (показатель №18), по которому косвенно можно судить о сроке хранения топлива с точки зрения его химической стабильности. Содержание потенциальных смол нормируется для зарубежных неэтилированных авиационных бензинов 91UL и 94UL по стандартам АСТМ Д 7547 и АСТМ Д 7592. Кроме того, дополнительно был определен другой показатель, характерный для зарубежных неэтилированных авиационных бензинов - взаимодействие топлива с водой (показатель №19). Соответствие норме по этому показателю обеспечивает сохранение качества топлива в случае его контакта с водой, которая может содержаться в системе хранения бензина и накапливаться из атмосферы.
Результаты испытаний, приведенные в табл. 2, показывают, что октановое число образцов неэтилированного авиационного бензина, определенное по моторному методу, составляет не менее 93,0 ед., что как минимум на 2 ед. превышает установленную норму для авиабензина Б-91/115.
3
По другим испытанным показателям качества образцы полностью соответствуют требованиям ГОСТ 1012: в частности, сортность составляет свыше 115 ед., по удельной низшей теплоте сгорания и содержанию фактических смол образцы имеют существенный запас качества по сравнению с нормами, установленными для этилированных авиабензинов Б-92 и Б-91/115. Значение удельной низшей теплоты сгорания составляет не менее 43,3 МДж/кг, а концентрация фактических и потенциальных смол - не более 2 мг/100 см. Образцы не взаимодействуют с водой.
3
Топливная композиция авиационного неэтилированного бензина обладает октановым числом не менее 93,0 ед., определенным по моторному методу, сорностью - не менее 115 ед., удельной низшей теплотой сгорания - не менее 43,3 МДж/кг и низким содержанием фактических и потенциальных смол - не более 2 мг/100 см, а также соответствует другим основным требованиям к характеристикам авиационных бензинов Б-91/115 и Б-92 по ГОСТ 1012.