Композиция оксигенированного бензина с хорошими дорожными эксплуатационными характеристиками
Изобретение относится к бензиновой смеси, характеризующейся тем, что включает, по меньшей мере, 20 об.% изобутанола, и где объемная доля смеси, которая испаряется при температуре до примерно 93°C (200°F), составляет, по меньшей мере, 35 об.%. Изобретение относится также к способу получения указанной бензиновой смеси. Техническим результатом данного изобретения является получение бензиновой смеси, имеющей хорошие эксплуатационные характеристики управляемости при запуске на холоде и прогреве. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 5 ил.
Данная заявка заявляет приоритет предварительной заявки № 61/051536, поданной 8 мая 2008 г., которая полностью включена в настоящее описание в качестве ссылки.
Данное изобретение относится к топливам, более конкретно к оксигенированным бензинам, включая бензины, содержащие бутанол в высокой концентрации. Данное изобретение обеспечивает оксигенированный бензин с хорошими дорожными эксплуатационными характеристиками.
Бензины представляют собой топлива, пригодные к использованию в двигателе с искровым зажиганием и обычно содержат в качестве первичного компонента смесь многочисленных углеводородов, имеющих различные температуры кипения и, как правило, кипящих при температуре в интервале от приблизительно 79°F до приблизительно 437°F при атмосферном давлении. Этот интервал является приблизительным и может изменяться в зависимости от реальной смеси присутствующих молекул углеводородов, добавок или других присутствующих соединений (если они имеют место), а также от условий окружающей среды. Как правило, углеводородный компонент бензина содержит C4―C10 углеводороды.
Бензины, как правило, должны соответствовать определенным физическим и эксплуатационным стандартам. Некоторые характеристики призваны обеспечивать надежное функционирование двигателей или других устройств, работа которых основывается на сгорании топлива. Однако многие физические и эксплуатационные характеристики регулируются национальными или местными административными положениями и по другим причинам, таким как меры по охране окружающей среды. Примеры физических характеристик включают упругость паров по Рейду, содержание серы, содержание кислорода, содержание ароматических углеводородов, содержание бензола, содержание олефинов, температуру, при которой выкипает 90% топлива (T90), температуру, при которой выкипает 50% топлива (T50), и другие. Эксплуатационные характеристики могут включать октановое число, параметры сгорания и состав выхлопа.
Например, стандарты коммерчески доступных бензинов в большей части территории США обычно сформулированы в ASTM (Американское общество специалистов по испытанию материалов) стандартный номер D4814-07a (“ASTM D4814”), который включен в настоящее описание в качестве ссылки. Дополнительные федеральные положения и нормы прав штатов дополняют этот стандарт. Технические условия для бензинов, определяемые стандартом ASTM D4814, варьируются на основе ряда параметров, влияющих на испаряемость и сгорание, таких как климатические условия, время года, географическое положение и высота над уровнем моря. По этой причине бензины, получаемые в соответствии со стандартом ASTM D4814, разбиваются по категориям испаряемости AA, A, B, C, D и E и по категориям защиты от газовых пробок 1, 2, 3, 4, 5 и 6, где каждая категория содержит набор технических условий, описывающих бензины, отвечающие требованиям соответствующих классов. Технические условия также определяют методы испытаний для определения параметров технических условий.
Например, смешанный бензин класса AA-2 для применения в течение летнего сезона вождения в относительно теплом климате должен иметь максимальное давление паров 7,8 фунтов на квадратный дюйм (psi), максимальную температуру выкипания 10% объема его компонентов («T10») 158°F, температурный интервал выкипания 50% объема его компонентов («T50») 170―240°F, максимальную температуру выкипания 90% объема его компонентов («T90») 374°F, конец разгонки - 437°F, максимальный кубовый остаток - 2 об.% и максимальную температуру «индекса управляемости» или «DI» - 1250°F. В частности, если бензиновая смесь содержит этанол, то стандарт ASTM D4814 использует линейную комбинацию D86 температур выкипания и концентрацию этанола для вычисления индекса управляемости (DI), как изложено ниже:
DI=1,5(T10)+3(T50)+T90+2,4 (об.% этанола) Уравнение (A)
Однако контрольные эксперименты показали, что характеристики управляемости при запуске на холоду и прогреве могут быть проблематичными для бензиновых смесей, содержащих бутанол в высокой концентрации. Также обнаружено, что существующие способы прогнозирования характеристик управляемости при запуске на холоду и прогреве на основе параметров испаряемости топлива, такие как вышеуказанный индекс управляемости (DI), неэффективны для смесей с высоким содержанием бутанола.
Краткое описание изобретения
Настоящее изобретение обеспечивает способ получения бензиновой смеси с высокой концентрацией бутанола, которая обладает хорошими характеристиками управляемости при запуске на холоду и прогреве, включающий: а) образование смеси с высокой концентрацией, по меньшей мере, одного изомера бутанола и, по меньшей мере, одного компонента смешения бензина; и b) поддержание, по меньшей мере, 35 об.% объемной доли полученной бензиновой смеси, испаряющейся при температурах до приблизительно 200°F. Смесь, образованная способом по данному изобретению, содержит предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно 20 об.%, более предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно 30 об.% и наиболее предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно 40 об.%, по меньшей мере, одного изомера бутанола. Предпочтительно, по меньшей мере, один изомер бутанола в бензиновой смеси, полученной способом по данному изобретению, включает изобутанол. Данное изобретение также обеспечивает бензиновую смесь, которая образуется способом по данному изобретению.
Описание предпочтительных вариантов осуществления
Бензины хорошо известны из уровня техники и обычно содержат в качестве первичного компонента смесь углеводородов с разными температурами кипения, как правило, кипящую в интервале температур от приблизительно 79°F до приблизительно 437°F при атмосферном давлении. Этот интервал является приблизительным и может изменяться в зависимости от реального состава смеси присутствующих молекул углеводородов, добавок или присутствия других соединений (если они имеют место), а также условий окружающей среды. Оксигенированные бензины представляют собой смеси базового компонента бензиновой смеси и одного или нескольких оксигенатов.
Базовые компоненты бензиновых смесей можно получить из единого компонента, такого как продукт, получаемый из установки алкилирования или других процессов переработки нефти. Однако, как правило, смеси базовых компонентов бензиновых смесей получают смешением с использованием более чем одного базового компонента. Базовые компоненты бензиновой смеси смешивают таким образом, чтобы они отвечали требуемым физическим и эксплуатационным характеристикам, а также требованиям законодательства, и они могут включать несколько компонентов, например, три или четыре, а также множество компонентов, например, двенадцать или более.
Бензины и базовые компоненты бензиновых смесей необязательно могут включать другие химические вещества или вспомогательные вещества. Например, вспомогательные вещества или другие химические вещества могут быть добавлены для регулирования свойств бензина с целью их соответствия требованиям законодательства, добавления или усовершенствования полезных свойств, снижения нежелательных отрицательных воздействий, регулирования эксплуатационных характеристик или, иначе, для модификации характеристик бензина. Примеры таких химических или вспомогательных веществ включают детергенты, антиоксиданты, стабилизаторы, деэмульгаторы, ингибиторы коррозии, антиокислительные присадки и другие. Можно использовать более одного вспомогательного вещества или химического вещества.
Используемые вспомогательные и химические вещества описаны Colucci и др. в патенте США № 5782937, который включен в настоящее описание в качестве ссылки. Такие вспомогательные и химические вещества также описаны Wolf в патенте США № 6083228 и Ishida и др. в патенте США № 5755833, которые включены в настоящее описание в качестве ссылки. Бензины и базовые компоненты бензиновых смесей могут также содержать растворители или растворы носителей, которые часто используются для доставки вспомогательных веществ в топливо. Примеры таких растворителей или растворов носителей включают, но не ограничиваются ими, минеральные масла, спирты, карбоновые кислоты, синтетические масла и многие другие вещества, известные в данной области техники.
Базовые компоненты бензиновых смесей, подходящие для использования в способе по настоящему изобретению, как правило, представляют собой базовые компоненты, подходящие для получения бензинов, потребляемых двигателями с искровым зажиганием или другими двигателями, в которых происходит сгорание бензина. Подходящие базовые компоненты бензиновых смесей включают базовые компоненты смесей, соответствующие стандарту ASTM D4814, а также базовые компоненты смесей для реформулированного бензина. Подходящие базовые компоненты бензиновых смесей также включают базовые компоненты смесей, которые имеют низкое содержание серы и могут быть востребованы для соответствия региональным требованиям, например, имеющие менее чем приблизительно 150, предпочтительно, менее чем приблизительно 100, более предпочтительно, менее чем приблизительно 80 частей на миллион по объему серы. Такие подходящие базовые компоненты бензиновых смесей также включают базовые компоненты, имеющие низкое содержание ароматических соединений, что может быть востребовано для соответствия требованиям законодательства, например, содержащие приблизительно 8000, предпочтительно, менее чем приблизительно 7000 частей на миллион по объему бензола или, например, имеющие менее чем приблизительно 35, предпочтительно, менее чем приблизительно 25 об.% в расчете на полный объем присутствующих ароматических соединений.
Такой оксигенат, как этанол, также может быть смешан с базовым компонентом бензиновой смеси. В этом случае полученная бензиновая смесь включает смесь одного или нескольких базовых компонентов бензиновой смеси и одного или нескольких приемлемых оксигенатов. В другом варианте осуществления один или несколько изомеров бутанола могут быть смешаны с одним или несколькими базовыми компонентами бензиновой смеси и, необязательно, с одним или несколькими приемлемыми оксигенатами, такими как этанол. В данном варианте осуществления один или несколько базовых компонентов смеси, один или несколько изомеров бутанола и, необязательно, один или несколько приемлемых оксигенатов могут быть смешаны друг с другом. Например, бутанол может быть добавлен к смеси, включающей базовый компонент бензиновой смеси и приемлемые оксигенаты. В качестве другого примера, один или несколько приемлемых оксигенатов и бутанол могут быть добавлены в нескольких различных местоположениях или за несколько стадий. В других примерах бутанол, более предпочтительно изобутанол, можно добавлять вместе с приемлемыми оксигенатами, добавлять перед ними или смешивать с приемлемыми оксигенатами перед добавлением к базовому компоненту бензиновой смеси. В предпочтительном варианте осуществления бутанол, более предпочтительно изобутанол, добавляют к оксигенированному бензину. В другом предпочтительном варианте осуществления один или несколько приемлемых оксигенатов и бутанол могут быть смешаны с базовым компонентом бензиновой смеси одновременно.
В любом из этих вариантов осуществления один или несколько бутанолов и, необязательно, один или несколько приемлемых оксигенатов можно добавлять в любой точке цепочки распределения. Например, базовый компонент бензиновой смеси можно транспортировать к терминалу, а затем бутанол и, необязательно, один или несколько приемлемых оксигенатов можно смешать с базовым компонентом бензиновой смеси по отдельности или в сочетании в терминале. В качестве дополнительного примера, один или несколько базовых компонентов бензиновой смеси, один или несколько изомеров бутанола и, необязательно, один или несколько приемлемых оксигенатов могут быть объединены на нефтеперерабатывающем заводе. Другие компоненты или вспомогательные вещества также могут быть добавлены в любой точке цепочки распределения. Кроме того, способ по настоящему изобретению можно применять на практике на нефтеперерабатывающем заводе, в терминале, на автозаправочной станции или в любой другой подходящей точке цепочки распределения.
Поскольку изомеры бутанола кипят вблизи от средней точки интервала кипения бензина, если изомер бутанола в относительно низкой концентрации смешать с базовым компонентом бензиновой смеси, то характеристики испарения полученной бензиновой смеси значительно не изменятся. В результате характеристики запуска на холоду и прогрева для бензиновых смесей, содержащих изомер бутанола в относительно небольших концентрациях, будут по существу такими же, как и для соответствующей бензиновой смеси, не содержащей бутанол. Однако когда изомер бутанола в относительно более высокой концентрации смешивают с базовым компонентом бензиновой смеси, полученная бензиновая смесь содержит большую фракцию, которая имеет одну относительно высокую температуру кипения, и присутствие этой большой среднекипящей фракции неблагоприятно влияет на общие характеристики испарения полученной бензиновой смеси, особенно, испаряемости ее головной фракции. Такое изменение испаряемости может препятствовать легкому образованию бензиновой смесью легковоспламеняющейся топливовоздушной смеси в системах впуска двигателя при комнатной температуре и, таким образом, приводить к неудовлетворительным характеристикам управляемости при пуске на холоду и прогреве.
Такие неудовлетворительные характеристики показаны на фиг.1, которая включает результаты испытания шести легковых автомобилей на эксплуатационные характеристики бензиновых смесей, содержащих различные концентрации изобутанола. Проблемы, связанные с управляемостью, включают такие трудности, как длительные времена запуска, заглохший двигатель и стук. На фиг.1 недостатки, связанные с управляемостью, представленные как среднее общих взвешенных недостатков (TWD), скорректированные на температуру и эффекты транспортных средств, нанесены на график зависимости от концентраций изобутанола в испытуемых бензиновых смесях. Результаты на фиг.1 показывают, что недостатки, связанные с управляемостью, для бензиновых смесей, которые содержат изобутанол в низких концентрациях, близки к таковым для смесей, не содержащих изобутанол. Однако недостатки, связанные с управляемостью, резко возрастают для бензиновых смесей, содержащих относительно более высокие концентрации изобутанола.
Трудности, связанные с эксплуатационными характеристиками бензиновой смеси, обычно устраняются за счет восстановления равновесия испаряемости смеси с использованием линейной комбинации температур перегонки и концентрации этанола в приведенном выше уравнении (A) для индекса управляемости, которое описывает общую испаряемость бензиновой смеси. Исследования, проведенные Координационным исследовательским советом США и другими организациями, показали, что индекс управляемости успешно связывает параметры испаряемости топлива с управляемостью транспортного средства. Поскольку недостатки, связанные с управляемостью, возрастают предсказуемым образом с увеличением индекса управляемости, технические условия для максимальных индексов управляемости достаточно адекватны, чтобы гарантировать хорошую управляемость в обычных бензиновых смесях.
Однако, как показано на фиг.2, а также по очень низкому значению R2, индекс управляемости не описывает взаимосвязь между управляемостью и испаряемостью в бензиновых смесях с высоким содержанием бутанола. На фиг.2 логарифмы тех же данных общих взвешенных недостатков (TWD) из того же испытания на шести легковых автомобилях, что и описано выше, нанесены на график зависимости от индексов управляемости для тех же смесей изобутанол-бензин, что и на фиг.1. Результаты на фиг.2 показывают, что индекс управляемости не описывает взаимосвязь между испаряемостью и управляемостью для топлив с высокой концентрацией изобутанола, и поэтому он не приемлем в качестве средства прогнозирования или регулирования эксплуатационных характеристик для подобных бензиновых смесей.
В отличие от этого, на фиг.3 представлен график тех же логарифмов общих средневзвешенных недостатков (TWD) в зависимости от объемной доли, которая испаряется при температурах до приблизительно 200°F, обозначаемой как Е200, в тех же смесях изобутанол-бензин, что и на графике на фиг.2. График на фиг.3 и очень низкое значение R2 указывают на очень точное описание взаимосвязи между испаряемостью и характеристиками управляемости для бензиновых смесей, содержащих бутанолы в высоких концентрациях.
Фиг.4 содержит график общих взвешенных недостатков (TWD) самих по себе, а не их логарифмов, в зависимости от объемной доли в тех же смесях изобутанола с бензином, что и на фиг.2 и 3. Фиг.4 и очень низкое значение R2 показывают, что когда Е200 бензиновой смеси, содержащей бутанол в высокой концентрации, по меньшей мере, 35%, предпочтительно, по меньшей мере, 40%, наиболее предпочтительно, 45%, недостатки, связанные с управляемости, представленные TWD, поддерживаются на низком уровне, который по существу эквивалентен таковому для бензиновых смесей, не содержащих бутанольный компонент.
Данные, которые использовались для графиков на фиг.1-4, получены с использованием двух основных классов топлива: один с летней (примерно класса В) испаряемостью, а другой с зимней (класс D) испаряемостью. Испытательные смеси включали изобутанол в концентрациях 0, 5, 11, 15, 20, 30, 40, 50, 60 об.%. Параметры испаряемости, включая упругость паров по Рейду, перегонку D86 и T (V/L=20), измеряли в лаборатории. Бензиновые смеси испытывали на характеристики управляемости в парке из шести легковых автомобилей последней модели с низким уровнем выбросов согласно процедурам, предусмотренным промышленным стандартом CRC E28-94, в динамометрической испытательной камере. Температура окружающей среды в испытаниях управляемости находилась в интервале 20-70°F. Также испытывали две дополнительные бензиновые смеси, не содержащие изобутанол: одна смесь соответствовала техническим условиям стандарта ASTM DI для топлив класса В (летние), а вторая представляла типичные свойства для стандарта ASTM класса D (зимнее). Всего было проведено 192 испытания управляемости.
На фиг.5 показано применение способа по настоящему изобретению для усовершенствования неудовлетворительных эксплуатационных характеристик бензиновой смеси, которая содержит бутанол в высокой концентрации. На фиг.5 испаряющаяся доля в объемных процентах бензиновой смеси, содержащей 50 об.% изобутанола, нанесена на график в зависимости от температуры, до которой нагревалась бензиновая смесь. После замены половины исходного основного компонента бензиновой смеси легкой фракцией нафты каталитического крекинга так, чтобы результирующая модифицированная бензиновая смесь содержала 25 об.% исходного основного компонента используемой бензиновой смеси, 25 об.% легкой фракции нафты каталитического крекинга и 50 об.% изобутанола на графике испаренной фракции в об.% в зависимости от температуры, до которой нагревается модифицированная бензиновая смесь, доля, испаряющаяся при 200°F, что является ее значением E200, возрастает от приблизительно 28 об.% для исходной бензиновой смеси до приблизительно 39 об.% для модифицированной бензиновой смеси. Эксплуатационные характеристики полученной модифицированной бензиновой смеси значительно улучшаются и становятся по существу эквивалентными таковым для бензина, не содержащего бутанольный компонент. Таким образом, настоящее изобретение представляет собой способ получения бензиновой смеси, имеющей хорошие характеристики управляемости при запуске на холоду и прогреве, который включает: a) получение смеси с высокой концентрацией, предпочтительно, по меньшей мере, 20 об %, более предпочтительно, по меньшей мере, 30 об.% и наиболее предпочтительно, по меньшей мере, 40 об.%, по меньшей мере, одного изомера бутанола, который предпочтительно содержит изобутанол, с бензином; b) поддержание объемной доли полученной смеси, испаряющейся при температурах до приблизительно 200°F, на уровне, по меньшей мере, 35 об.%, предпочтительно, по меньшей мере, 40% об.%, более предпочтительно, по меньшей мере, 45 об.% и наиболее предпочтительно, по меньшей мере, 50 об.%. Настоящее изобретение также представляет собой полученную бензиновую смесь.
Специалисты в данной области техники оценят то, что, хотя настоящее изобретение описано здесь со ссылкой на конкретные средства, материалы и примеры, объем настоящего изобретения ими не ограничивается и распространяется на любые другие средства и материалы, пригодные для практического применения настоящего изобретения.
1. Бензиновая смесь, имеющая хорошие эксплуатационные характеристики управляемости при запуске на холоде и прогреве, где смесь включает, по меньшей мере, 20 об.% изобутанола, и где объемная доля смеси, которая испаряется при температуре до примерно 93°C (200°F), составляет, по меньшей мере, 35 об.%.
2. Бензиновая смесь по п.1, где смесь содержит, по меньшей мере, 30 об.% изобутанола.
3. Бензиновая смесь по п.2, где смесь содержит, по меньшей мере, 40 об.% изобутанола.
4. Бензиновая смесь по п.1, где объемная доля смеси, которая испаряется при температуре до приблизительно 93°C (200°F), составляет, по меньшей мере, 40 об.%.
5. Бензиновая смесь по п.4, где объемная доля смеси, которая испаряется при температуре до приблизительно 93°C (200°F), составляет, по меньшей мере, 45 об.%.
6. Бензиновая смесь по п.5, где объемная доля смеси, которая испаряется при температуре до приблизительно 93°C (200°F), составляет, по меньшей мере, 50 об.%.
7. Способ получения бензиновой смеси по любому из пп.1-6, включающий смешивание, по меньшей мере, одного изомера бутанола с бензином, так что получаемая в результате смесь содержит, по меньшей мере, 20 об.%, по меньшей мере, одного изомера бутанола, и объемная доля полученной смеси, испаряющейся при температурах до приблизительно 93°C (200°F), составляет, по меньшей мере, 35 об.%.
