CN101203585A - 基于汽油和乙醇的发动机燃料 - Google Patents

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Abstract

本发明披露了包含乙醇的发动机燃料组合物，也称作汽油醇，其中发动机燃料基本上处于单相并且包含1至50重量％、优选2至30重量％的乙醇以及具有乙醇的重量的在1和10wt％之间的量的水。可以通过使汽油与含水乙醇进行混合来生产这样的发动机燃料组合物，从而避免必须使用无水乙醇作为原料。另外，可以通过使汽油和含水乙醇以及无水乙醇进行混合来生产这样的发动机燃料组合物，从而避免必须使用无水乙醇作为唯一的原料。这些发动机燃料组合物可以包含并不形成分离的层的第二液相，并且其中视觉上观察不到分离的液相，从而满足已称作“清洁和明亮”的技术要求。

Description

基于汽油和乙醇的发动机燃料
技术领域
本发明涉及发动机燃料组合物，尤其涉及汽油和无水乙醇的发动机燃料混合物与含水乙醇的组合物，其无需添加剂或其它措施来防止出现分离的液相。
本发明使得可以使用含水乙醇作为原料(feedstock)的一部分或作为唯一的原料，用于制备汽油-乙醇燃料，还被称作汽油醇(乙醇-汽油混合燃料，gasohol)，其满足“清洁和明亮(透明，bright)”的技术要求(规格)。含水乙醇的生产比无水乙醇的生产需要更少的能量。另外，含水乙醇的生产比无水乙醇的生产要便宜许多。
背景技术
已众所周知，汽油和水不能混合。这意味着，当加入到汽油中时，水形成分离的液相，其实际上包含所有的水和非常少量的汽油，而通常称作“水相”。另一相，“汽油相”包含非常少量的水。水相具有完全不同于汽油相的物理性能。在环境条件下水相的密度通常为1000kg/m3，而汽油相的密度通常为700kg/m3。水相和汽油相之间的界面张力通常为0.055N/m。这意味着，在汽油相中的水相的小液滴具有很强的聚结(coalesce)倾向。另外，密度差异导致两液相快速分离成下部水层和上部汽油层。通常已知分离的水层的存在对于燃料存储和分配系统(distribution)、车辆燃料箱、燃料注入系统以及有关的系统是有害的。
汽油和无水乙醇可以以任何比率进行混溶，即它们可以加以混合而不会出现分离的液相。然而，当存在一定量的水时，将出现分离的液层。并不引起出现分离的液层的水的最大量在本文中将称作“耐水性”。即使汽油-乙醇-水混合物的相特性完全不同于汽油-水混合物，在汽油醇中分离的液相的出现也被认为是有害的。对于防止出现分离的液相(也称作“稳定”)有许多发明。美国专利第4,154,580号披露了一种通过将烯烃汽油组分化学水合成醇来生产稳定的汽油-醇燃料的方法，其可以增加耐水性。美国专利第4,207,076号和第4,207,077号描述了一种通过分别加入乙基叔丁基醚或甲基叔丁基醚来增加汽油醇燃料的耐水性的方法。美国专利第4,490,153号描述了一种利用在-10°F(-23.3℃)下操作的液-液萃取来制造汽油醇燃料的方法(procedure)。在这些低温下生产的汽油醇在所有高于-10℃的温度下都是稳定的。
所有方法，如在上述专利中描述的方法，均采用较大的处理设备(操作设备，operating facility)，如反应器、蒸馏柱(蒸馏塔)、抽提塔和容器以及热交换器。并且它们使用大量的能量如蒸汽和电并且需要熟练的工作人员来启动、控制、维护以及关闭这样的处理设备(processing facility)。另外，所述操作设备会产生废料如废水，其包含乙醇和汽油，并且在排放到环境中以前其必须被送到废水处理设备或废物焚烧设备。对所述设备的需要将汽油醇的制造限制于上述设备存在的地方，例如精炼厂。然而，在许多地区，优选的是，在燃料分配站或没有所述处理设备的其它地方，通过简单混合来制造汽油醇。
所感觉到的分离的液相的有害性促使汽油醇制造公司使用无水乙醇。
附图说明
图1示出了在20℃下水(1)-乙醇(2)-汽油(3)体系的液-液相图。在该曲线图中，所有汽油组分的浓度被合并(复合，compound)并且表示为单一物质。
具体实施方式
本发明的目的是向内燃机提供汽油-乙醇混合物，还称作“汽油醇”燃料，而没有上述讨论的缺点，并且优选使用含水乙醇作为原料。
并且本发明的一个目的是，在燃料分配站、或更一般地在没有较大处理设备的地方，应用本发明。
另外，本发明的目的是提供一种汽油-乙醇混合物而无需添加剂或其它措施来防止分离的液相的形成。
就最广义而言，本发明基于：在非常窄的组成范围内，可以获得含有水和乙醇的发动机燃料组合物，而基本上没有相分离(析相作用)。
本发明限定为基于汽油和乙醇并包含水的发动机燃料，其中发动机燃料基本上处于单相并且包含2至50重量％(wt％)、优选30重量％的乙醇以及基于乙醇的重量在1和10wt％之间的量的水。
在一种优选的具体实施方式中，发动机燃料包含0.02至3wt％、优选0.05至3wt％的水。
当参照图1考虑时，本发明的优点和特征将变得更加明了。
图1示出了三元液-液相图。虽然汽油是多组分混合物，但所有汽油组分的重量百分比已被合并，因此水-乙醇-汽油混合物可以被视为三元混合物，即，三种组分的混合物。此图中的曲线和直线表示通过计算机程序计算得到的组成，其中采用适当的方法来估计相平衡组成。在此图中的所有数据涉及在20℃下的相平衡。为了构造图1中的相图，已假设了一定的汽油组成。
在该三元相图中，绘出了两条曲线，称作“曲线A”和“曲线B”。曲线A从三元相图的汽油角延伸到表示为“褶点(plait point)”的点。曲线B从三元相图的水角延伸到褶点。在该相图中在“曲线A”和“曲线B”下方的区域是两液(两种液体)区域。属于该区域的混合物组成产生两个液相。共存液相的组成由所谓“结线(tieline)”的顶点表示。这样的结线的6个实例示于图1中并标记为“直线1”至“直线6”。在本发明的上下文内，将把在曲线A上的组成称作表示“第二液相”，并把在曲线B上的组成称作表示“汽油相”。根据结线并通过杠杆规则可以确定两个液相各自的量，这对于熟悉相图的人来说是熟知的。标记为“褶点”的点表示其中结线的长度为零的组成。应当注意到，在共存液相中汽油馏分(汽油部分，gasoline fraction)的组成将在一定程度上是不同的。曲线A和B的准确位置以及结线的斜率取决于汽油的组成。假设一定的汽油组成来进行相平衡计算，其形成图1的基础。借助于该组成，褶点的位置如下：29.5重量％的乙醇、0.6重量％的水以及69.9重量％的汽油。
从相图可以知道，乙醇具有停留在第二液相的强烈倾向。在由相图中的靠近汽油-水一侧的区域表示的低乙醇浓度下，实际上所有组成属于两液区域，并且第二液相富含水，因此称为“水相”。在此区域中，共存相的物理性能是非常不同的，并且它们将容易地分离成下部水相和上部汽油相。在由相图中的靠近汽油-乙醇一侧的区域表示的低水浓度下，相特性强烈依赖于乙醇浓度。在褶点附近，两个液相的组成将是相当类似的，从而这些相的物理性能将是类似的。向三元相图的水角方向移动离开褶点，离开褶点越远，共存液相的物理性能之间的差异将越大。
在组成和物理性能方面的类似性将防止两液相体系变成视觉上不均匀的混合物。所述在组成和物理性能方面的类似性使该体系适用于具有“清洁和明亮”技术要求的燃料。
措词“无水乙醇”是指没有水的乙醇。在工业生产中，对于无水乙醇的最大水含量存在技术要求，其通常是0.1-0.3重量％。“脱水乙醇”是无水乙醇的同义词。
措词“含水乙醇”是指乙醇和水的混合物。在工业生产中，含水乙醇通常包含4-5重量％的水。“水合乙醇”是含水乙醇的同义词。
措词“汽油”是指烃的混合物，其在约40℃至200℃的范围内沸腾并且可以用作内燃机的燃料。汽油可以包含各种特性的物质，相对小量地加入上述物质，以起特殊的作用，如用来增加辛烷值(辛烷数)的MTBE或ETBE。
措词“汽油醇”是指汽油和乙醇的混合物。乙醇含量一般在1至20重量％之间。乙醇含量通常为10重量％或更大。
措词“耐水性”是指在汽油-乙醇混合物中并不引起出现分离的液相的最大水浓度。耐水性可以表示为存在于混合物中的乙醇的分数。
可以以各种方式来生产本发明的燃料，优选的方式是简单地使汽油与含水乙醇进行混合。其它可能的方式是混合分离的组分，汽油、乙醇以及水，或混合其它组合，如湿汽油和乙醇，以产生所需要的组合物。
通过参照以下实施例将可以更容易地理解上文一般地描述的本发明，这些实施例是用来说明本发明而不应解释为对本发明的任何方面进行限制。实施例中的数据均是通过计算机程序计算出来的，其中采用适当的方法来估计相平衡组成和物理性能。已设想用于这些计算的汽油具有以下组成：18重量％的正链烷烃、55重量％的异链烷烃、1重量％的烯烃以及25重量％的芳族化合物。
实施例1
该实施例涉及850kg的汽油和150kg的含水乙醇的混合物。含水乙醇包含5重量％的水。已针对两个温度，即20℃和0℃，进行了计算。作为混合过程的结果，两个液相共存。这些相的组成以及它们的一些物理性能示于表1中。
表1
Figure A20068002220900101
由表1可以得出下述结论：两个共存液相之间的界面张力较小，其意味着几乎不需要功来产生界面表面。另外，两个液相之间的密度差异较小，其意味着第二液相聚集成分离的液层的倾向很小或没有这样的倾向。两个相的较小密度差异、较小界面张力以及类似的折射率导致明显均匀的液体混合物，其中视觉上观察不到相界，从而将满足“清洁和明亮”的技术要求。
实施例2
此实施例涉及850kg的汽油和150kg的含水乙醇的混合物。含水乙醇包含1.5重量％的水。针对两个温度，即20℃和0℃，进行了计算。在20℃下混合物是均匀的，在0℃下两个液相共存。这些相的组成以及它们的一些物理性能示于表2中。
表2
由表2可以得出下述结论：包含1.5重量％的水的含水乙醇可以与汽油混合以产生具有15重量％的乙醇的汽油醇，其在环境条件下不会形成第二液相。在0℃下，此混合物形成少量第二液相，该第二液相具有大约相等重量的汽油和乙醇以及约2重量％的水。这种少量的具有类似物理性能的第二液相的存在将不会被视觉检测到，因而将满足“清洁和明亮”的技术要求。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1. 基于汽油、乙醇和水的发动机燃料，包含1至50wt％的乙醇以及基于所述乙醇的重量在1至10wt％之间的量的水，所述发动机燃料具有以下性能：由指定量的汽油、乙醇以及水组成的组合物并不需要添加剂或其它措施来防止出现分离的液相。
2. 根据权利要求1所述的发动机燃料，其中，所述乙醇的量在2至30wt％之间。
3. 根据权利要求1或2所述的发动机燃料，其中，所述发动机燃料包含0.02至3wt％、优选0.05至3wt％的水。
4. 根据权利要求1-3所述的发动机燃料，其中，所述含水乙醇是通过将无水乙醇与含水乙醇以导致目标水含量的比率进行混合而制得的。
5. 根据权利要求1-4所述的发动机燃料，其中，所述无水乙醇、水或含水乙醇是分开地混合到汽油中的。
6. 根据权利要求1-5所述的发动机燃料，其中，所述乙醇的量是10wt％或更大。
7. 基于具有的乙醇含量为2至50wt％的汽油，包含1至10wt％的水的含水乙醇在用于生产没有分离的液层的发动机燃料中的应用。
8. 根据权利要求7所述的应用，其中，所述发动机燃料包含0.02至3wt％的水。
9. 乙醇和水在用于生产基于具有的乙醇含量为2至50wt％以及基于所述乙醇的重量水含量为1至10wt％的汽油而没有分离的液层的发动机燃料中的应用。

Claims (9)

1.基于汽油和乙醇的发动机燃料，包含水，其中，所述发动机燃料基本上处于单相并且包含1至50wt％的乙醇以及基于所述乙醇的重量在1至10wt％之间的量的水。
2.根据权利要求1所述的发动机燃料，其中，所述乙醇的量在2至30wt％之间。
3.根据权利要求1或2所述的发动机燃料，其中，所述发动机燃料包含0.02至3wt％、优选0.05至3wt％的水。
4.根据权利要求1-3所述的发动机燃料，其中，所述含水乙醇是通过将无水乙醇与含水乙醇以导致目标水含量的比率进行混合而制得的。
5.根据权利要求1-4所述的发动机燃料，其中，所述无水乙醇、水或含水乙醇是分开地混合到汽油中的。
6.根据权利要求1-5所述的发动机燃料，其中，所述乙醇的量是10wt％或更大。
7.基于具有的乙醇含量为2至50wt％的汽油，包含1至10wt％的水的含水乙醇在用于生产没有分离的液层的发动机燃料中的应用。
8.根据权利要求7所述的应用，其中，所述发动机燃料包含0.02至3wt％的水。
9.乙醇和水在用于生产基于具有的乙醇含量为2至50wt％以及基于所述乙醇的重量水含量为1至10wt％的汽油而没有分离的液层的发动机燃料中的应用。
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