БИОГЕННОЕ ТОПЛИВО ДЛЯ ТУРБОРЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ И ДИЗЕЛЕЙ
BIOGENIC TURBINE AND DIESEL FUEL

Ссылки на родственные заявки
Настоящий документ представляет собой РСТ международную заявку на патент США, №13/028,896, находящуюся на рассмотрении и поданную 16 февраля 2011, которая является частичным продолжением заявки на патент США, порядковый №121788,010, поданной 26 мая 2010, которая является частичным продолжением заявки на патент США, порядковый №12/1717,480, поданной 4 марта 2010, которая является частичным продолжением заявки на патент США, порядковый №12/139,428, поданной 13 августа 2008, которая является частичным продолжением заявки на патент США, порядковый №11/881,565, поданной 27 июля 2007, в которой испрашивается приоритет по предварительной заявке на патент США, порядковый №60/833,589, поданной 27 июля 2006, описание которых включено в изобретение как ссылка.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится, главным образом, к моторному топливу, полученному из возобновляемых материалов, и в особенности, настоящее изобретение обеспечивает топливо не на основе нефти, которое может быть получено полностью из возобновляемых материалов. В одном варианте осуществления, одно из топлив настоящего изобретения может быть введено в состав различных видов авиационного топлива, в том числе топливо, применяемое для турбореактивных авиационных двигателей. В другом варианте осуществления указанные виды биогенного топлива могут быть использованы в различных типах дизельных двигателей.
Уровень техники
С окончанием эпохи дешевой нефти и прохождением пика добычи нефти, было признано, что нефть является не возобновляемым ресурсом, который будет со временем исчерпан. Осознание этого факта возродило интерес к разработке возобновляемых источников топлива. Это особенно верно для авиационного топлива.
В США Федеральное агентство по авиации (FAA) является ответственным за установление технических стандартов для авиационного топлива с помощью ASTM International. Любое новое топливо должно соответствовать существующим техническим условиям на топливо. Например, агентство FAA в качестве стандарта на авиационный бензин применяет ASTM D91 O-Grade 100LL. Это имеет силу для новых топлив, как на нефтяной основе, так и для химической комбинации.
Топливо на основе этанола для двигателей внутреннего сгорания стало доступным приблизительно в течение 50 лет. В штате Калифорния внесен закон об обязательном использовании оксигенатов в моторном топливе, которое включает в себя топливо на основе этанола, отчасти с целью снижения оптовых цен на топливо, и в меньшей степени, для снижения загрязнения воздуха на литр потребляемого бензина. Поскольку топливо на основе этанола обладает меньшей энергетической эффективностью, обычно загрязнение воздуха на 1 км пути увеличивается. Главное преимущество топлива на основе этанола состоит в том, что оно имеет немного более высокое октановое число, чем бензин без этанола. В связи с этим многие нефтяные компании производят высококачественное топливо с высоким содержанием этанола и бензин стандартного качества с невысоким содержанием этанола. Было обнаружено, что возобновляемые виды топлива, произведенные из некоторых химических веществ, отличающихся от этанола, обладают существенно повышенным октановым числом и повышенной энергией на единицу объема, по сравнению с промышленными сортами топлива и топливом на основе этанола.
Октановое число (мощность)
Октановое число является мерой эффективности выработки энергии. Октановое число (ОЧ) является кинетическим параметром, и поэтому 04 трудно прогнозировать. Американская организация, разрабатывающая и издающая стандарты (ASTM) составила сборник экспериментальных данных по ОЧ (для чистых углеводородов) для министерства обороны в 1950-х годах. Метод, использованный для получения указанного динамического параметра, обсуждается в следующем абзаце. На основании данных экспериментальных испытаний, изооктан (2,2,4-триметилпентан) имеет определенное октановое число 100, а н-гептан имеет определенное октановое число 0. В этом методе октановое число линейно интерполируется; поэтому могут быть осуществлены прогнозы для смесей, если определены значения ОЧ для чистых образцов.
Качество автомобильного бензина указано на заправках как средняя величина между исследовательским и моторным октановым числом. Эта величина коррелирует с данными лабораторных эксплуатационных испытаний двигателя (CFR), соответствующих менее жестким и более жестким условиям. Эффективное октановое число находится между исследовательским и моторным октановым числом. Для авиационного бензина существует "жесткое" требование 100 МОЧ (моторное октановое число); поскольку этанол имеет МОЧ 96, его можно использовать только в смеси с другими компонентами с более высоким октановым числом. Традиционный бензин 100LL (то есть, с ОЧ 100 и низким содержанием свинца) содержит не более 3 мл тетраэтилсвинца на 3,79 л (1 галлон), чтобы получить желательное значение октанового числа. Дальность полета (энергия).
Неотъемлемая энергия, которая содержится в бензине, непосредственно относится к пробегу в милях, а не к октановому числу. Автомобильный бензин не имеет энергической спецификации, поэтому для него отсутствует пробег в милях. Напротив, для авиационного топлива, обычным примером которого является 100 LL (с 04 100 и низким содержанием свинца), существует энергическая спецификация. Она преобразуется в дальность полета воздушного судна и удельное потребление топлива. В указанных выше примерах значения ОЧ изооктана и н-гептана равны соответственно 100 и 0. С точки зрения энергии они имеют тепловой эффект сгорания равный 7,84 и 7,86 ккал/мл, соответственно, который противоположен тому, что можно ожидать на основе выделившейся энергии. Воздушное судно не может иметь компромисса между ОЧ и тепловым эффектом из-за восприимчивости к их действию. По этой причине содержание энергии важно так же, как значение ОЧ.
В настоящее время суточный объем производства 100LL приблизительно составляет 3218 кубометров (850000 галлонов). Агентство по охране окружающей среды (ЕРА) считает бензин 100LL как последнее топливо в США, которое содержит тетраэтилсвинец. Указанное исключение, вероятно, закончится в ближайшем будущем.
Хотя были найдены отдельные химические соединения, которые соответствуют моторному октановому числу для высокооктанового авиационного бензина 100LL, они не удовлетворяют ряду других технических требований для авиационного бензина. Например, это относится к изопентану, МОЧ 90, и триметилбензолу, МОЧ 136. Например, чистый изопентан не отвечает требованиям к авиационному топливу, поскольку он не удовлетворяет техническим условиям ASTM D909 для ОЧ с наддувом, техническим условиям ASTM D2700 для моторного октанового числа, и техническим условиям ASTM D5191 для давления паров. Чистый симм-триметилбензол (мезитилен) также не отвечает требованиям к авиационному топливу, поскольку он не удовлетворяет техническим условиям ASTM D2386 для точки замерзания, техническим условиям ASTM D5191 для давления паров, техническим условиям ASTM D86 температуры перегонки 10%.
Фактором первостепенной важности является то, что промышленность продолжает постепенно улучшать эксплуатационные показатели по отношению к окружающей среде, с уменьшением воздействия на глобальную экосистему, в то время как эксплуатационные расходы продолжают сокращаться. Авиационная промышленность считает, что следует обращать внимание на обеспечение жизнеспособности промышленности, и активно исследовать проблему для разработки технологически обусловленных решений. Топливо для реактивных двигателей биологического происхождения представляет собой ключевой элемент промышленной стратегии для решения указанных проблем.
Значительный прогресс был достигнут при проверке эксплуатационных характеристик синтетического парафинового керосина (СПК), произведенного из экологически безвредных источников масел биологического происхождения, после каталитического крекинга и гидрирования, причем СПК может быть использован в коммерческом воздушном транспорте, при соотношении компонентов смеси до 50% с традиционным топливом для реактивных двигателей (Jet А или JP-8).
В настоящее время объектами сертификации альтернативного топлива для реактивных двигателей являются парафиновые альтернативные виды топлива, используемые в смесях 50/50 с традиционным топливом для реактивных двигателей, однако возможность использования синтетических ароматических углеводородов (наподобие мезитилена) обеспечивает регулирование свойств парафиновых топлив, а также обеспечивает возможность получения полностью возобновляемого топлива.
Кроме того, существует значительное количество продолжающихся исследований альтернативного авиационного топлива, как для гражданской, так и военной авиации, имеющих целью разработать "замещающее" топливо вместо современных топлив нефтяного происхождения. Термин "замещающее" означает топливо, которое функционально является эквивалентным современному топливу, и не требует изменений авиационного технического обеспечения или технического обслуживания.
Исходными объектами сертификации указанных топлив являются синтетический парафиновый керосин (СПК) и гидроочищенное возобновляемое топливо для реактивных двигателей (ГВРТ), оба в виде смесей 50/50 с традиционным топливом для реактивных двигателей нефтяного происхождения. СПК и ГВРТ содержат полностью насыщенные линейные алканы в диапазоне С12-С22. В указанных двух процессах обычно получают углеводородное топливо для реактивных двигателей, состоящее, главным образом, из н-парафинов и изопарафинов. В промышленности при сертификации альтернативные виды топлива добавлены в стандарт ASTM D7566. Эти парафиновые виды топлива не являются "замещающим" топливом для реактивных двигателей по ряду причин: во-первых, их плотность находится ниже допустимого диапазона 0,775-0,84; и во-вторых, для них наблюдается тенденция топливной протечки через кольцевые уплотнения (вследствие отсутствия ароматических компонентов).
В настоящее время эти недостатки устраняются путем смешивания парафиновых топлив в соотношении 50/50 с традиционным топливом для реактивных двигателей с целью увеличения содержания ароматических и циклопарафиновых компонентов для улучшения плотности и набухания уплотняющей прокладки. Выделение ароматических компонентов из типичного образца топлива для реактивных двигателей показано на фиг.1. Анализ типа углеводородов (ASTM D2425) показал, что ароматические углеводороды в топливе для реактивных двигателей представляют собой замещенные моноциклические ароматические углеводороды (обычно около 15 об.%), наряду с несколькими процентами дополнительных замещенных нафталинов/тетралинов/инданов (бициклических углеводородов). Время на оси абсцисс фиг.1 пропорционально молекулярной массе ароматических углеводородов. Минимальное значение температуры вспышки (38°С) для реактивного топлива исключает большую часть ароматических углеводородов, имеющих меньше 8 атомов углерода. На фиг.2 показан анализ смеси промышленных растворителей фирмы Exxon (AR 100/150/200), которую используют для моделирования ароматических углеводородов в топливе для реактивных двигателей в испытании сгорания, и которую используют при сравнении в ряде испытаний.
Следовательно, были проведены испытания для того, чтобы оценить синтетические ароматические углеводороды, используемые для реактивных топлив, в том числе: во-первых, количество ароматических углеводородов, которое необходимо добавлять в топливо СПК или ГВРТ с целью создания полностью синтетического замещающего топлива для реактивных двигателей; во-вторых, влияние добавленных ароматических компонентов на набухание уплотняющей прокладки; в-третьих, влияние ароматических компонентов на характеристики сгорания; и в-четвертых, влияние добавленных ароматических компонентов на другие свойства, такие как смазывающая способность.
Плотность, температура вспышки, точка замерзания
Типичные сорта топлива СПК и ГВРТ имеют плотность (в г/мл), и удельный вес в диапазоне 0,75-76 (при 16°C/стандартные условия). Однако для реактивного топлива допустимым диапазоном является 0,775-0,84. Плотность оказывает значительное влияние на дальность полета, и поэтому авиационные компании не заинтересованы в топливе с плотностью ниже, чем 0,775.
На фиг.3 приведены результаты добавления мезитилена (плотность 0,8652) к топливу Sasol IPK (изо-парафиновый керосин), одному из традиционных СПК, имеющему плотность 0,762. Добавка приблизительно 13 об.% мезитилена дает смешанное топливо Sasol IPK/мезитилен, которое соответствует спецификации минимальной плотности. Основная цель создания полностью синтетического биотоплива также может быть достигнута за счет добавления био-мезитилена в традиционное топливо ГВРТ. В предпочтительном варианте добавка приблизительно 20 об.% био-мезитилена к жировому ГВРТ топливу (POSF 6308) дает топливо с характеристиками, которые показаны в таблице Как видно из таблицы, добавление мезитилена (температура вспышки 44°С) незначительно снижает температуру вспышки ГВРТ, но поскольку минимальное значение равно 38°С, для реактивного топлива JP-8/Jet A/Jet А-1 нет проблем с температурой вспышки. Добавление только мезитилена в ГВРТ не соответствует техническим условиям для современного JP-5 (температура вспышки минимум 60°С). Низкая точка замерзания мезитилена позволяет снизить точку замерзания ГВРТ топлива. Плотность значительно превышает нижний предел.
Таблица 1
Характеристики смеси 80 об.% жира ГВРТ/20% мезитилена
Требования для JP-8
ГВРТ 6308
6308+20% мезитилена
Температура вспышки, °C
>38
55
52
Точка замерзания, °C
<-47
-62
-77
Плотность
0,775-0,84
0,758
0,779
Дистилляция/интервал кипения
В существующей спецификации для гидроочищенного СПК альтернативного топлива ASTM D7566 имеется требование минимального интервала кипения, который выражается в терминах стандарта ASTM D86 для интервала кипения как Т90 - Т10>22°С.Компании, производящие двигатели, озабочены тем, что слишком узкий интервал кипения топлива (такой, который можно создать в смеси мезитилена и н-декана) может привести к неудовлетворительной работоспособности камеры сгорания. Таким образом, добавление однокомпонентного ароматического углеводорода к топливу (в отличие от смеси ароматических углеводородов с широким интервалом кипения, как на фиг.1) может привести к неудовлетворительным свойствам. Поэтому в предпочтительном варианте, ароматический углеводород (такой как мезитилен) добавляют только в топливо для реактивных двигателей, ограничивая содержание добавки в смеси: максимум 25 об.%.
Температура кипения мезитилена - 165°С дает тенденцию к снижению начального участка распределения выкипания. Указанная тенденция видна из фиг.4, где приведены данные для смеси 20% мезитилена с топливом S-8 СПК, наряду с другими ГВРТ и смесями (в том числе три смеси, которые используются в полетах коммерческим воздушным транспортом). Можно увидеть, что некоторые чистые ГВРТ выходят за пределы среднего диапазона JP-8, который представляет собой стандартное отклонение относительно 2006-2008 среднего из 5000 образцов. Однако неожиданно было обнаружено, что смеси (в том числе 20% мезитилена в СПК) попадают внутрь типичного "практического опыта" JP-8.
Набухание уплотняющих прокладок
Мезитилен подмешивают в СПК топливо (Sasol IPK) для того, чтобы определить его влияние на набухание кольцевых уплотнений из нитрильного полимера ("проблема" утечки через кольцевые уплотнения). Как показано на фиг.5, в смесях мезитилена с топливом Sasol IPK набухание немного уменьшается, по сравнению со смесями с нефтяными ароматическими углеводородами (показаны на фиг.2) и с 1,2,4-триметилбензолом, однако это различие находится в пределах обычного отклонения, показанного при заданном содержании ароматических углеводородов. Другими словами, набухание уплотняющей прокладки в смеси с 15% мезитилена находится в пределах набухания, наблюдаемого для реактивных топлив при таком же содержании ароматических углеводородов. Таким образом, оказалось, что существующий минимум (8%) содержания ароматических углеводородов по стандарту ASTM D7566 будет достаточным для обеспечения набухания уплотняющих прокладок в смесях с мезитиленом, так же как со смесями СПК и ГВРТ.
Вязкость
Существуют две главные проблемы вязкости топливной смеси. Во-первых, требуется поддержание вязкости ниже нижнего температурного предела (например, 8 сСт при -20°C) для того, чтобы обеспечить эксплуатацию вспомогательной силовой установки (ВСУ) и холодный пуск двигателя. Во-вторых, применение реактивного топлива для дизельных двигателей разрешается при вязкости выше 1,3 сСт при 40°C. Как показано на фиг.6, низкая вязкость мезитилена приводит к снижению вязкости при низких температурах (что хорошо для летательных аппаратов) и при высокой температуре (плохо для дизелей). Таким образом, соответствие требованию 1,3 сСт в смесях приблизительно с 10-15% мезитилена, по-видимому, достижимо, однако это достигается за счет вязкости основного компонента - синтетического СПК или ГВРТ.
Цетановое число
Для применения реактивного топлива в дизельных двигателях (авиационных или наземных) необходимо понимание влияния состава реактивного топлива на цетановое число, а также на вязкость. По стандарту ASTM D975 для дизельного топлива требуется минимальное цетановое число 40, хотя в стандарте ASTM D7566 цетановое число конкретно не упомянуто. Поскольку цетановое число приблизительно обратно пропорционально октановому числу, можно ожидать, что добавка мезитилена, высокооктанового компонента смешения авиационного бензина, будет приводить к падению цетанового числа базового топлива. Как видно из фиг.7, это соответствует действительности, т.е. в случае добавления 20% мезитилена к ГВРТ с цетановым числом 57 происходит снижение цетанового числа (ASTM D6890) приблизительно до 44. Однако такое снижение находится в соответствии с общей тенденцией понижения цетанового числа с увеличением содержания ароматических углеводородов в реактивном топливе, так что это не исключает применение смесей мезитилена в дизельных двигателях. Смазывающая способность
Смазывающая характеристика реактивного топлива является важным свойством для деталей, смоченных топливом. Смазывающая способность является ожидаемой проблемой для полностью синтетических топлив. Стандартным испытанием этой характеристики по ASTM D5001 является блок оценки смазывающей способности «шар на цилиндре» (BOCLE). Обычно предполагается, что смазывающая способность реактивного топлива обеспечивается, главным образом, следами полярных примесей в топливе, поэтому можно было ожидать, что существующие полностью синтетические сорта топлива будут обладать плохой смазывающей способностью (что соответствует действительности). Главной проблемой добавления синтетических ароматических углеводородов в топливные смеси является отрицательное воздействие такой добавки на смазывающую способность базового топлива.
Предполагается, что полностью синтетическое топливо, используемое в армии, будет содержать одобренный ингибитор коррозии/присадку, улучшающую смазывающую способность (ИК/ПСС). Таким образом, были осуществлены испытания альтернативных топливных смесей с добавкой мезитилена. Как показано на фиг.8, смазывающая способность смесей с добавкой 10% мезитилена в различные виды альтернативного базового топлива находится в одном ряду квалификации с JP-8, и соответствует требованиям JP-8 к смазывающей способности (чем больше пятно изнашивания, тем хуже смазывающая способность). Были проведены весьма ограниченные испытания с топливными смесями без присадок ИК/ПСС, и при этом обычно наблюдалось, что мезитилен незначительно влияет на смазывающую способность базового топлива. Например, для ГВРТ из рыжикового масла пятно изнашивания BOCLE имеет диаметр 0,76 мм, тогда как добавка 10% мезитилена в ГВРТ дает уменьшение пятна изнашивания до 0,75 мм.
Выбросы продуктов сгорания (особенно сажи/твердых частиц) Хорошо известна зависимость между содержанием ароматических углеводородов в топливе и выбросами сажи/твердых частиц. Следовательно, было бы неожиданно, если добавка мезитилена не увеличила бы выбросы сажи из двигателя (или увеличила высоту коптящего пламени, относительное испытание по спецификации). Испытания коптящего пламени проведены для смесей мезитилена с Sasol IPK. Как показано на фиг.9, добавка мезитилена в указанное СПК топливо, в самом деле, неожиданно снижает высоту не коптящего пламени (что эквивалентно увеличению выброса сажи), но эта зависимость не линейна. В любом случае, результаты были гораздо лучше предела по спецификации 22 мм. Попытки подтверждения этой характеристики приводили к противоречивым результатам, поэтому было решено сопоставить фактические выбросы из двигателя вертолета Т63. В этом случае базовое топливо JP-8 содержало 16 об.% ароматических углеводородов, так что выбросы из смеси 16% мезитилена с жировым топливом ГВРТ сопоставляли с указанным базовым топливом JP-8.
Как показано на фиг.10, относительно малые выбросы сажи, предполагаемые по данным фиг.9, подтверждаются в этом моторном испытании. На фиг.10 показано уменьшение коэффициента выброса твердых частиц (сажи) по сравнению с базовым топливом JP-8 с 16% ароматических углеводородов. Как видно, для топлив из рыжикового масла и жирового ГВРТ неожиданно коэффициент выброса сажи значительно снижается. Смеси 50/50 ГВРТ/ГР-8 еще дают приблизительно 50% снижения выбросов. Смесь с 16% мезитилена также демонстрирует значительное снижение по сравнению с базовым топливом JP-8 в условиях холостого хода, а также обычного рейса; таким образом, ясно, что добавление мезитилена в альтернативное топливо не повышает выброс сажи.
Термическая стабильность
Топлива СПК и ГВРТ обладают очень высокой термической стабильностью, благодаря тому, что содержат очень мало примесей. Термическую стабильность оценивали в различных стендовых испытаниях в Блоке испытания термического окисления реактивного топлива (JFTOT, стандарт ASTM D3241). По техническим условиям для реактивного топлива требуется, чтобы топливо выдерживало испытание JFTOT при 260°С (чем выше температура, при которой топливо выдерживает испытание, тем больше стабильность топлива). Кроме того, топливо можно охарактеризовать по температуре, при которой топливо не выдерживает испытание, или "разрушается" -поэтому максимальная температура, при которой топливо выдерживает испытание, называется "точка разрушения". Обычно точка разрушения для топлива JP-8 составляет 280°С.
По техническим условиям для СПК и ГВРТ требуется, чтобы эти сорта топлива выдерживали испытание JFTOT при 325°C, как минимум (то есть, точка разрушения находится выше 325°C). Эта точка значительно выше температуры для типичного топлива для реактивных двигателей, которая подтверждает высокую термическую стабильность. На фиг.2А показаны данные термической стабильности для ограниченного числа испытаний, проведенных с мезитиленом, и более обширные испытания, проведенные с ароматическими смесями. Известно, что многие ароматические углеводороды снижают термическую стабильность топлив, хотя некоторые оказались относительно стабильными. В серии испытаний с нефтяными ароматическими углеводородами в различных видах топлив ГВРТ и СПК обнаружено, что добавление 10, 15 и 20 об.% нефтяных ароматических углеводородов последовательно снижает точку разрушения от >325°C                             до приблизительно 280°C для всех топлив (такое влияние оказывает содержание ароматических углеводородов).
Следовательно, добавление нефтяных ароматических углеводородов выше некоторого малого порога (меньше 10%) понижает термическую стабильность топлив СПК и ГВРТ до значений, типичных для реактивного топлива (в котором среднее содержание ароматических углеводородов составляет 15-20%). Такое явление наблюдается для мезитилена, когда добавка 10% мезитилена в топливо СПК Syntroleum S-8 снижает точку разрушения приблизительно до 280°C, то есть, до уровня, типичного для реактивного топлива (аналогично нефтяным ароматическим углеводородам).
Ферментация биомассы с использованием микроорганизмов для получения ацетона и бутанола впервые была обнаружена X. Вейцманом в 1916 г.и описана в патенте США №1,315,585 и других соответствующих патентах во всем мире. Этот способ, известный как процесс Вейцмана, использовался в Великобритании, а также в США во время 1й и 2й мировых войн для получения ацетона с целью производства кордита, используемого для получения бездымного пороха. К сожалению, этот способ является энергозатратным и, следовательно, неэкономичным.
Известен ряд способов получения мезитилена из ацетона, которые включают, например:
(1) Жидкофазную конденсацию в присутствии сильных кислот, например, серной кислоты и фосфорной кислоты, как описано в патенте США №3,267,165 (1966);
(2) Парофазную конденсацию с катализаторами, содержащими тантал, как описано в патенте США №2,917,561 (1959);
(3) Парофазную конденсацию с использованием катализатора - фосфатов металлов из группы IV периодической системы элементов, например, титан, цирконий, гафний и олово, как описано в патенте США №3,94,079 (1976);
(4) Парофазное взаимодействие в присутствии молекулярного водорода и катализатора, выбранного из оксида алюминия, содержащего оксид хрома и оксид бора, как описано в патенте США №3,201,485 (1965);
5
(5) Парофазное взаимодействие с использованием катализатора, содержащего молибден, как описано в патенте США №3,301,912 (1967), или вольфрам, как описано в патенте США №2,425,096, парофазное взаимодействие на нанесенном ниобиевом катализаторе с высокой селективностью. Предпочтительно, катализатор получают путем пропитки носителя - диоксида кремния раствором NbCl в этаноле или водным раствором Nb для того, чтобы осадить 2 масс.% No, с последующим прокаливанием твердого продукта при 550°C в течение 18 часов. При 300°C конденсация ацетона дает, главным образом, мезитилен (селективность 70%) при высокой степени превращения (60-80 масс.%), как описано в патенте США №5,087,781.
Из уровня техники известна димеризация ацетона с образованием, в конечном счете, изопентана. Этот способ включает на первой стадии димеризацию ацетона с образованием диацетонового спирта, который затем подвергается дегидратации с образованием окиси мезитила. Затем окись мезитила в газовой фазе подвергается преобразованию/гидрированию с образованием изопентана.
Из патента США №7,141,083 также известно получение топлива, которое содержит мезитилен и алканы с неразветвленной цепочкой (то есть, гексаны, гептаны, октаны, нонаны и тому подобное) из растительного масла, такого как кукурузное масло. Состав кукурузного масла приведен ниже в таблице 1. Основными компонентами кукурузного масла из свободных кислот являются стеариновая, пальмитиновая, олеиновая и линолеиновая жирные кислоты.
Целью настоящего изобретения является разработка биогенных видов топлива, которые эффективно заменяют топливо нефтяного происхождения, используемое в настоящее время в двигателях.
Другой целью настоящего изобретения является разработка полностью возобновляемых топлив для других двигателей внутреннего сгорания, а также тепловых машин.
Дополнительной целью настоящего изобретения является разработка высокоэнергетического возобновляемого топлива для использования в турбинах и других тепловых машинах по такой же методике; причем теплосодержание и физические свойства возобновляемых компонентов специализируются по типу двигателя, который обеспечивается топливом.
Другой целью настоящего изобретения является разработка бинарной смеси компонентов, которая соответствует техническим условиям для турбинных двигателей.
Другой целью настоящего изобретения является разработка авиационного топлива не на основе нефти, которое соответствует техническим условиям ASTM International на топливо нефтяного происхождения для турбореактивных двигателей.
Еще одной целью настоящего изобретения является разработка способа получения из биомассы компонентов бинарных и тройных смесей компонентов, которые соответствуют техническим условиям для турбинных, а также дизельных двигателей. Раскрытие изобретения
Для достижения целей настоящего изобретения авторы провели интенсивное исследование и попытались разработать полностью возобновляемые виды топлива, которые предпочтительно производятся из биомассы, имеющей высокое содержание энергии, такой как растительные масла. Соответственно, в первом предпочтительном варианте настоящего изобретения разработано возобновляемое топливо для турбореактивных двигателей, которое содержит мезитилен и, по меньшей мере, один алкан.
Во втором предпочтительном варианте настоящего изобретения, разработанное в первом предпочтительном варианте топливо для турбореактивных двигателей содержит приблизительно от 50 до 99 масс.% мезитилена, и приблизительно от 1 до 50 масс.% одного или нескольких алканов.
В третьем предпочтительном варианте настоящего изобретения, разработанное в первом предпочтительном варианте топливо для турбореактивных двигателей содержит приблизительно от 60 до 90 масс.% мезитилена.
В четвертом предпочтительном варианте настоящего изобретения, разработанное в третьем предпочтительном варианте топливо для турбореактивных двигателей содержит приблизительно от 10 до 40 масс.% тетрадекана.
В пятом предпочтительном варианте настоящего изобретения, разработанное в первом предпочтительном варианте топливо для турбореактивных двигателей содержит приблизительно от 75 до 85 масс.% мезитилена, и приблизительно от 15 до 25 масс.% тетрадекана.
В шестом предпочтительном варианте настоящего изобретения, разработанное в первом предпочтительном варианте топливо для турбореактивных двигателей содержит приблизительно от 80 масс.% мезитилена, и около 20 масс.% тетрадекана.
В седьмом предпочтительном варианте настоящего изобретения, разработанное топливо для турбореактивных двигателей содержит мезитилен, тетрадекан и гептан.
В восьмом предпочтительном варианте настоящего изобретения, разработанное в седьмом предпочтительном варианте топливо для турбореактивных двигателей содержит приблизительно от 15 до 75 масс.% гептана, приблизительно от 20 до 65 масс.% мезитилена и приблизительно от 5 до 20 масс.% тетрадекана.
В девятом предпочтительном варианте настоящего изобретения, разработанное в седьмом предпочтительном варианте топливо для турбореактивных двигателей содержит приблизительно от 35 до 55 масс.% мезитилена, приблизительно от 10 до 20 масс.% тетрадекана и приблизительно от 20 до 50 масс.% гептана.
В десятом предпочтительном варианте настоящего изобретения, разработанное в седьмом предпочтительном варианте топливо для турбореактивных двигателей содержит приблизительно от 42 до 48 масс.% мезитилена, приблизительно от 15 до 20 масс.% тетрадекана и приблизительно от 32 до 43 масс.% гептана.
В одиннадцатом предпочтительном варианте настоящего изобретения, разработанное в седьмом предпочтительном варианте топливо для турбореактивных двигателей содержит около 45 масс.% мезитилена, приблизительно 17,5 масс.% тетрадекана и около 37,5 масс.% гептана.
В двенадцатом предпочтительном варианте настоящего изобретения, разработанное в седьмом предпочтительном варианте топливо для турбореактивных двигателей содержит приблизительно от 1 до 25 масс.% мезитилена, приблизительно от 25 до 60 масс.% тетрадекана и приблизительно от 15 до 74 масс.% гептана.
В тринадцатом предпочтительном варианте настоящего изобретения, разработанное в седьмом предпочтительном варианте топливо для турбореактивных двигателей содержит приблизительно от 5 до 20 масс.% мезитилена, приблизительно от 30 до 50 масс.% тетрадекана и приблизительно от 30 до 65 масс.% гептана.
В четырнадцатом предпочтительном варианте настоящего изобретения, разработанное в седьмом предпочтительном варианте топливо для турбореактивных двигателей содержит около 10 масс.% мезитилена, приблизительно 40 масс.% тетрадекана и около 50 масс.% гептана.
В пятнадцатом предпочтительном варианте настоящего изобретения, разработано дизельное топливо, которое содержит мезитилен, октадекан и/или, необязательно, нонан.
В шестнадцатом предпочтительном варианте настоящего изобретения, разработанное в пятнадцатом предпочтительном варианте дизельное топливо содержит приблизительно от 50 до 99 масс.% мезитилена, и приблизительно от 1 до 50 масс.% октадекана.
В семнадцатом предпочтительном варианте настоящего изобретения, разработанное в пятнадцатом предпочтительном варианте дизельное топливо содержит приблизительно от 60 до 90 масс.% мезитилена и приблизительно от 10 до 40 масс.% октадекана.
В восемнадцатом предпочтительном варианте настоящего изобретения, разработанное в пятнадцатом предпочтительном варианте дизельное топливо содержит приблизительно от 65 до 75 масс.% мезитилена и приблизительно от 25 до 35 масс.% октадекана.
В девятнадцатом предпочтительном варианте настоящего изобретения, разработанное в пятнадцатом предпочтительном варианте дизельное топливо содержит приблизительно 70 масс.% мезитилена и около 30 масс.% октадекана.
В двадцатом предпочтительном варианте настоящего изобретения, разработанное в пятнадцатом предпочтительном варианте дизельное топливо содержит приблизительно от 20 до 65 масс.% мезитилена, приблизительно от 30 до 60 масс.% октана, и приблизительно от 5 до 20 масс.% октадекана.
В двадцать первом предпочтительном варианте настоящего изобретения, разработанное в пятнадцатом предпочтительном варианте дизельное топливо содержит приблизительно от 25 до 45 масс.% мезитилена, приблизительно от 40 до 60 масс.% октана, и приблизительно от 20 до 50 масс.% октадекана.
В двадцать втором предпочтительном варианте настоящего изобретения, разработанное в пятнадцатом предпочтительном варианте дизельное топливо содержит приблизительно от 32 до 35 масс.% мезитилена, приблизительно от 45 до 58 масс.% октана и приблизительно от 10 до 20 масс.% октадекана.
В двадцать третьем предпочтительном варианте настоящего изобретения разработано биогенное топливо для турбореактивных двигателей, которое содержит один или несколько синтетических парафиновых керосинов (СПК) и/или гидроочищенное возобновляемое реактивное топливо (ГВРТ); и приблизительно между 8 и 25 об.% мезитилена.
В двадцать четвертом предпочтительном варианте, разработанное в двадцать третьем предпочтительном варианте усовершенствованное биогенное топливо для турбореактивных двигателей, в котором гидроочищенное возобновляемое топливо для реактивных двигателей представляет собой жировое топливо ГВРТ.
В двадцать пятом предпочтительном варианте, разработанное в двадцать четвертом предпочтительном варианте усовершенствованное топливо для турбореактивных двигателей, в котором указанное топливо содержит приблизительно от 20 до 25 об.% мезитилена.
В двадцать шестом предпочтительном варианте, разработанное в связи с двадцать четвертым предпочтительным вариантом усовершенствованное биогенное топливо для турбореактивных двигателей, дополнительно содержит топливо на нефтяной основе.
В двадцать седьмом предпочтительном варианте, разработанное в двадцать третьем предпочтительном варианте биогенное топливо для турбореактивных двигателей представляет собой смесь: приблизительно 50% топлива на нефтяной основе; и около 50% одного или несколько синтетических парафиновых керосинов (СПК) и/или гидроочищенного возобновляемого топлива для реактивных двигателей (ГВРТ), и мезитилен.
2n
n
2n
В других предпочтительных вариантах осуществления используются системы мезитилен-додекан-гексан; мезитилен-гексадекан-октан, вообще (мезитилен-Салкан-Салкан), а также (мезитилен-Салкан) при значениях n от 6 до 12.
Дополнительные замыслы изобретения будут изложены в следующей части описания, и отчасти будут очевидны из описания, или могут быть выяснены на практике изобретения. Замыслы изобретения будут реализованы и достигнуты с помощью элементов и комбинаций, которые конкретно указаны в прилагаемой формуле изобретения. Следует понимать, что предшествующее общее описание, а также последующее подробное описание приведены только для примера и с целью разъяснения, и не ограничивают заявленное изобретение.
Краткое описание чертежей
Сопровождающие чертежи, которые включены в описание и представляют собой его часть, иллюстрируют варианты осуществления изобретения и, вместе с описанием, используются для объяснения принципов изобретения. Иллюстрированные варианты осуществления изобретения в настоящее время являются предпочтительными, однако, следует понимать, что изобретение не ограничено показанными точными устройствами и приборами, в которых:
на фиг.1 приведены данные выделения методом ВЭЖХ типичных ароматических углеводородов из традиционного реактивного топлива JP-8;
на фиг.2 показан анализ смеси растворителя, моделирующего ароматические углеводороды в реактивном топливе (Exxon AR 100, 150, 200);
фиг.3 представляет собой зависимость содержания ароматических углеводородов, определяемых по ASTM D1319, и плотности смесей мезитилен/СПК от количества (%) мезитилена в топливе Sasol IPK;
на фиг.4 приведена зависимость температуры от % отгона, где представлены данные дистилляции различных топлив и смесей;
фиг.5 представляет собой зависимость объема набухания от содержания ароматических углеводородов, на примере нитрильной уплотняющей прокладки в смесях мезитилен/СПК;
на фиг.6 приведена зависимость вязкости от температуры, и показана вязкость смесей мезитилена в жировом ГВРТ;
на фиг.7 приведена зависимость цетанового числа по ASTM 6890 от содержания ароматических углеводородов, %, и показаны измеренные значения цетанового числа для различных смесей реактивных топлив;
фиг.8 представляет собой гистограмму пятен изнашивания BOCLE, где показаны результаты смазывающей способности для топлив и различных смесей;
на фиг.9 приведена зависимость высоты не коптящего пламени от содержания (%) мезитилена в Sasol IPK;
фиг.10 представляет собой гистограмму, где показан % изменения коэффициента выброса (Ein) по сравнению с топливом JP-8, поясняются изменения коэффициента выброса твердых частиц сажи (по сравнению с базовым топливом JP-8 с 16% ароматических углеводородов) для различных ГВРТ топлив и смесей.
Осуществление изобретения
Как обсуждалось выше, настоящее изобретение обеспечивает получение возобновляемого топлива не нефтяного происхождения, которое состоит из полностью возобновляемых компонентов, то есть, компонентов, произведенных из биологических источников, таких как кукуруза. Указанное топливо имеет несколько разновидностей, причем предпочтительными разновидностями являются топливо для турбореактивных двигателей и дизельное топливо. Преимущественно, все компоненты указанных выше топлив производят из растительных или животных масел, причем продукт может быть приспособлен к потребляемому сырью. Обычно предпочтительными являются растительные масла, поскольку они содержат продукты с меньшей молекулярной массой.
Как топливо для турбореактивных двигателей, так и дизельное топливо настоящего изобретения обеспечивают возможность широко комбинировать отдельные компоненты, производимые из всех растительных или животных масел, причем продукт может быть приспособлен к потребляемому сырью. Обычно предпочтительным базовым сырьем для производства топливных компонентов композиции являются растительные масла, поскольку они содержат продукты с меньшей молекулярной массой. Учитывая сказанное, топливные компоненты могут быть произведены из различных растительных источников био-масел. Например, био-масло может включать соевое масло, рапсовое масло, масло канолы или кукурузное масло, пальмовое масло, и их комбинации. Наиболее предпочтительно, применяется кукурузное масло в качестве компонента био-масла, в связи с его повышенной энергией, физическими свойствами топлива и хорошей смазывающей способностью. Кукурузное масло производится непосредственно из кукурузного зерна. Компоненты кукурузного масла показаны ниже в таблице 2.
Таблица 2
Свободные жирные кислоты
Число ат. С
Ненасыщенность
как есть
Лауриновая
12
0
0%
Миристиновая
14
0
0,06%
Пальмитиновая
16
0
13,81%
Пальмитолеиновая
16
1
0,19%
Маргариновая
17
0
0,07%
Стеариновая
18
0
2,19%
Олеиновая
18
1
27,86%
Линолеиновая
18
2
52,41%
а-Линолеиновая
18
3
1,29%
Арахиновая
20
0
0,45%
Эйкозеновая
20
1
0,35%
Эйкозадиеновая
20
2
0,04%
Бегеновая
22
0
0,19%
Эруковая
22
1
0,00%
Лигноцериновая
24
0
0,24%
Прочие
1,00%
Обратившись к таблице 2, видно, что кукурузное масло содержит производные не разветвленных алканов, а именно, н-октадекана и н-гексадекана. Кроме того, известно, что эти два алкана можно крекировать с образованием н-нонана и н-октана, соответственно. Кроме того, масло содержит триацилглицериды указанных жирных кислот, состав которых приведен выше, в таблице 2. Частью процесса термолиза топлива Jet Е (и других) также является образование пропана из триацилглицеридов.
Кроме того, известно, что пропан можно дегидрировать с образованием пропина и водорода (который требуется для процесса термолиза). Пропин может непосредственно тримеризоваться с образованием мезитилена с использованием тех же катализаторов, которые применяются для тримеризации и дегидратации ацетона с образованием мезитилена. Таким образом, можно понять, что био-масла могут быть использованы для получения мезитилена, н-октадекана, н-гексадекана, н-нонана и н-октана.
Что касается ароматического углеводородного компонента указанных топлив, то, в отличие от традиционного топлива нефтяного происхождения, ароматические углеводороды согласно настоящему изобретению производят из ацетона, полностью возобновляемого источника. Наиболее предпочтительным ароматическим углеводородом является мезитилен. Мезитилен можно удобно получать путем тримеризации ацетона или пропина; ацетон можно легко получать из биомассы, а пропин можно получать из природного газа. Мезитилен является предпочтительным, поскольку превращения ацетона или пропина "прекращаются" с образованием тримера, что обеспечивает высокую степень превращения в связи с отсутствием существенных побочных реакций. Мезитилен может быть использован в качестве высокооктанового компонента и для повышения энергии топлива.
Что касается алканов с неразветвленной цепочкой, указанные алканы предпочтительно производят из биомассы, конкретно из масел, произведенных из биомассы. Алканы с прямой цепочкой обладают самым низким октановым числом из рассматриваемого ряда изомерных алканов; при этом, чем больше разветвленность молекулы, тем более плавно происходит сгорание таких молекул (повышенное октановое число) при испытании. Предпочтительные алканы с неразветвленной цепочкой, применяемые в топливе настоящего изобретения, включают тетрадекан, гептан, октадекан, октан и нонан. Указанные алканы с прямой цепочкой являются компонентами, понижающими октановое число топлива.
Низшие алканы с неразветвленной цепочкой, такие как н-пентан, н-бутан, пропан и ниже, имеют слишком низкую температуру кипения, чтобы их можно было использовать в качестве основного компонента топлив настоящего изобретения. Высшие алканы с прямой цепочкой, такие как н-нонан, н-декан и выше, имеют высокое атомное отношение углерод/водород (более 0,444). Алканы с неразветвленной цепочкой могут быть использованы для подавления октанового числа данного топлива, при сохранении высокого теплосодержания на единицу объема. Высшие алканы могут быть использованы в приложениях дизельного и реактивного топлива для турбин.
Топливо для турбореактивных двигателей
В частности, когда топливо приспособлено для применения в турбореактивных двигателях, как указано в первом предпочтительном варианте изобретения, разработано первое возобновляемое топливо для турбореактивных двигателей, содержащее два компонента, а именно от 50 до 99 масс.% мезитилена и от 1 до 50 масс.% одного или нескольких алканов, более предпочтительно 75-85 масс.% мезитилена и 10-40 масс.% тетрадекана, еще более предпочтительно 75-85 масс.% мезитилена и 15-25 масс.% тетрадекана, наиболее предпочтительно, 80 масс.% мезитилена и 20 масс.% тетрадекана.
Для использования в турбинах, если мезитилен присутствует в количестве меньше, чем 45 масс.%, показатель температуры застывания может не соответствовать спецификации. Кроме того, если количество алканов, таких как тетрадекан, составляет меньше 1 масс.%, топливо будет иметь слишком большую плотность, и его удельная энергия (чистая теплота сгорания на единицу массы) будет недостаточной. Однако, если количество алканов в составе топлива для турбореактивных двигателей превышает 50 масс.%, показатель температуры застывания может не соответствовать спецификации.
В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения, разработано второе возобновляемое топливо для турбореактивных двигателей, которое содержит три компонента, а именно, приблизительно от 1 до 65 масс.% мезитилена, приблизительно от 5 до 60 масс.% н-тетрадекана или, предпочтительно 5-60 масс.% н-гексадекана, и приблизительно от 15 до 75 масс.% гептана. В предпочтительном варианте осуществления, второе возобновляемое топливо для турбореактивных двигателей содержит от 5 до 55 масс.%) мезитилена, приблизительно от 5 до 55 масс.% н-тетрадекана или, предпочтительно 5-55 масс.% н-гексадекана, и приблизительно от 20 до 65 масс.% гептана. В более предпочтительном варианте, второе возобновляемое топливо для турбореактивных двигателей содержит от 5 до 48 масс.% мезитилена, приблизительно от 15 до 45 масс.% н-тетрадекана или, предпочтительно 15-45 масс.% н-гексадекана, и приблизительно от 32 до 60 масс.% гептана. В весьма предпочтительном варианте, второе возобновляемое топливо для турбореактивных двигателей содержит 45 масс.% мезитилена, 17,5 масс.% н-тетрадекана, или предпочтительно 17,5 масс.% н-гексадекана, и 50 масс.% гептана. В другом весьма предпочтительном варианте, второе возобновляемое топливо для турбореактивных двигателей содержит 10 масс.% мезитилена, 40 масс.% н-тетрадекана, или предпочтительно 50 масс.% н-гексадекана, и 50 масс.% гептана.
В указанном применении топлива для турбореактивных двигателей, если мезитилен присутствует в количестве меньше, чем 1 масс.%, плотность топлива может быть ниже указанного диапазона, и не будет обеспечивать необходимую удельную энергию на литр (галлон), и может не соответствовать спецификации по температуре застывания, в то время как, если мезитилен присутствует в количество больше, чем 65», тогда плотность может выходить за верхнюю границу указанного диапазона, и удельная теплота сгорания (на единицу массы) будет ниже указанного предела. Кроме того, если количество алкана, такого как тетрадекан, составляет менее 5 масс.%, топливная композиция будет обладать слишком низкой удельной теплотой сгорания (на единицу массы), тогда как, если алкан присутствует в количество больше, чем 50 масс.%, то температура застывания топлива будет слишком высокой, причем плотность будет выходить за нижнюю границу указанного диапазона.
Кроме того, гептановый компонент, которым предпочтительно является н-гептан, обеспечивает значительное снижение температуры замерзания и высокую удельную теплоту сгорания по массе. Если гептан присутствует в количестве меньше, чем 15 масс.%, топливо может иметь слишком высокую температуру замерзания, тогда как если количество гептана превышает 74 масс.%, то плотность будет слишком низкой, и будет значительно понижаться удельная энергия на литр (галлон), в итоге снижается пробег в "км на 1 л" топлива.
В указанных выше двух композициях топлива для турбореактивных двигателей, мезитилен добавляется для повышения энергии на 1 литр (галлон), и с целью поддержания высокой плотности в пределах технических условий по ASTM. Одна из предпочтительных тройных композиций турбореактивного топлива содержит приблизительно 10 масс.% мезитилена, около 40 масс.% н-тетрадекана и приблизительно 50 масс.% н-гептана. Установлено, что в этой композиции весовая доля мезитилена поддерживает плотность, не допуская ее снижения; найдено, что н-тетрадекан обеспечивает высокое содержание энергии (на единицу массы); и установлено, что н-гептан понижает температуру застывания композиции до уровня технических условий (а также обеспечивает очень высокое содержание энергии на единицу массы). Кроме того, как указано выше,- в предпочтительном варианте этого биогенного топлива н-гексадекан может быть использован вместо н-тетрадекана, а н-октан можно использовать вместо н-гептана.
Для испытания характеристик топлива настоящего изобретения для турбореактивных двигателей авторы изобретение приготовили три композиции для тестирования, которые указаны ниже в таблице 3 как испытательные сорта топлива для турбореактивных двигателей А, В и С, соответственно. Затем для каждой композиции испытуемого топлива определяют физические свойства с использованием принятых стандартных методов, а именно методов испытания по стандарту ASTM D1655, который представляет собой спецификацию для авиационного турбореактивного топлива сортов Jet А и JetA-1.
Таблица 3
Испытуемое турбореактивное топливо
А
В
С
Мезитилен (масс.%)
80,0
45,0
10,0
Гептан (масс.%)
0,0
37,5
50,0
Тетрадекан (масс.%)
20,0
17,5
40,0
Температура кипения (К)
454,8
427,8
438,7
Температура застывания
235,6
218,4
225,3
Цетановое число
31,2
44,6
67,9
Удельная теплота сгорания (МДж/кг)
41,61
42,87
43,99
Удельная теплота сгорания (МДж/л)
35,15
33,41
32,27
Плотность (г/мл)
0,8447
0,7793
0,7335
Как показано выше, испытуемые сорта топлива настоящего изобретения для турбореактивных двигателей имеют существенно отличающуюся удельную теплоту сгорания. Испытуемое турбореактивное топливо В наиболее близко соответствует существующему топливу Jet А, на основе спецификации ASTM D1655. Все характеристики попадают в диапазон для параметров по спецификации. Испытуемое турбореактивное топливо А должно давать на 5% больше энергии на литр (галлон) по сравнению с «усредненным» топливом Jet А из-за большей удельной теплоты сгорания на единицу объема. Это приводит к расширению диапазона летательных аппаратов, использующих указанное топливо. Температура застывания этого топлива находится вне спецификации, но в пределах 3°C от максимального значения температуры застывания по D1655, а плотность находится в пределах 0,005 г/мл от максимального значения плотности.
Таким образом, топливо не соответствует спецификации, но в него можно вводить присадки до продажи конечному потребителю для того, чтобы скорректировать указанный небольшой дефицит характеристик. Испытуемое турбореактивное топливо С обладает высокой удельной теплотой сгорания на единицу массы и низкую плотность. Это означает, что указанное топливо будет значительно легче, чем применяемое топливо для турбореактивных двигателей; снижение веса всегда важно для авиации. Однако снижение удельной теплоты сгорания на единицу объема приводит к меньшему пробегу на 1 л (галлон) топлива.
Дизельное топливо
В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения разработано возобновляемое (биогенное) дизельное топливо, которое, подобно указанным выше первому и второму возобновляемым топливам для турбореактивных двигателей, может состоять из двух или трех компонентов, а именно мезитилена и двух алканов. Однако конкретно, в случае дизельного топлива с высокой энергией на 1 л (галлон), н-октадекан предпочтительно используется вместо н-тетрадекана по причине более высокой плотности и повышенной теплоты сгорания на единицу объема. Кроме того, н-октан или н-нонан используются вместо н-гептана в дизельном топливе по такой же причине. Подобно указанному выше топливу для турбореактивных двигателей, мезитилен вводится в дизельное топливо для получения более высокой энергии на единицу веса.
Для подтверждения характеристик композиции дизельного топлива настоящего изобретения были приготовлены два сорта дизельного топлива для испытаний, которые обозначены как испытуемое дизельное топливо А и В, соответственно. Затем испытывали физические характеристики топлив с использованием принятых стандартных методов, которые перечислены в ASTM D975 - спецификации для всех дизельных топлив. Результаты этих испытаний показаны ниже в таблице 4.
Таблица 4
Испытуемое дизельное топливо
А
В
Мезитилен (масс.%)
70,0
35,0
Октан (масс.%)
0,0
50
Испытуемое дизельное топливо
А
В
Октадекан (масс, %)
30
15
Температура кипения (К)
483,3
441,0
Температура застывания
247,7
232,0
Цетановое число
43,5
53,8
Удельная теплота сгорания (МДж/кг)
41,88
43,15
Удельная теплота сгорания (МДж/л)
34,77
33,23
Плотность (г/мл)
0,8303
0,7701
Как показано выше, испытуемые сорта топлива настоящего изобретения для турбореактивных двигателей значительно изменяются по составу и содержанию энергии, подобно топливу для турбореактивных двигателей, после чего они моделируются. Испытуемое дизельное топливо А обладает гораздо более высокой удельной теплотой сгорания на единицу объема, что обеспечивает увеличение пробега на литр (галлон), когда топливо используется в двигателе компрессионного воспламенения. Испытуемое дизельное топливо В обладает пониженной температурой застывания, что позволяет использовать это топливо в зоне более холодного климата, без опасения замерзания в топливном резервуаре.
Неожиданно авторы изобретения обнаружили, что путем сочетания компонентов в весовых соотношениях, указанных в пятнадцатом и двадцать третьем предпочтительных вариантах осуществления изобретения может быть получено дизельное топливо совершенно не нефтяного происхождения, полностью произведенное из источников возобновляемой биомассы. Кроме того, было установлено, что компоненты дизельного топлива можно удобно регулировать, чтобы получать соответствующее соотношение воздух/топливо для применения в тепловых двигателях. Кроме того, неожиданно обнаружено, что указанное возобновляемое дизельное топливо может иметь весьма желательные характеристики за счет введения в состав алкановых компонентов, наряду с компонентами, повышающими энергию топлива, такими как мезитилен.
Альтернативно, как заявлено в настоящем изобретении, неожиданно авторы обнаружили, что возобновляемое дизельное топливо настоящего изобретения может иметь такой состав, который будет обладать весьма низкой температурой застывания, вплоть до 232°К. Это достигается путем добавления вплоть до 60 масс.% октана или нонана, которые обладают весьма низкой температурой застывания. Добавки выше указанного уровня могут снизить удельную теплоту сгорания на единицу объема и, следовательно, значительно снизится реальный пробег на литр (галлон) топлива. Соответственно, возобновляемое дизельное топливо настоящего изобретения может быть использовано в зоне очень холодного климата. Кроме того, композиция дизельного топлива настоящего изобретения, предпочтительно содержащая октадекан и/или октан, обладает достаточно высокой энергией и цетановым числом, что необходимо для удовлетворительного применения дизельного топлива.
Хотя конкретные варианты осуществления настоящего изобретения раскрыты в описании, средний специалист в этой области техники может понять, что могут быть выполнены изменения указанных конкретных вариантов, без отклонения от духа и объема изобретения. Поэтому объем изобретения не может ограничиваться конкретными вариантами осуществления. Более того, предполагается, что приведенная формула изобретения защищает любые и все такие приложения, модификации и варианты осуществления в объеме настоящего изобретения.