KR20030059833A - 수성 탄화수소 연료를 제조하기 위한 농축 유제 - Google Patents

수성 탄화수소 연료를 제조하기 위한 농축 유제 Download PDF

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KR20030059833A
KR20030059833A KR10-2003-7007584A KR20037007584A KR20030059833A KR 20030059833 A KR20030059833 A KR 20030059833A KR 20037007584 A KR20037007584 A KR 20037007584A KR 20030059833 A KR20030059833 A KR 20030059833A
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water
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랜저데보라에이.
멀레이존제이.
페이쿨트제니퍼엔.
데이브즈하시다씨.
스코치윌리엄이.
웨스트폴데이비드엘.
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더루우브리졸코오포레이션
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Abstract

연료의 일부분을 유화제로 유화시킨 다음, 이어서 고전단 혼합 하에 물을 첨가하여 농축된 수성 연료 유제를 부여하는 물-블렌딩 연료 제조방법. 이어서 농축된 유제는 혼합 또는 블렌딩 조건을 사용하여 연료의 최종 부분으로 희석되어 유화된 물 블렌드 연료를 생성한다.

Description

수성 탄화수소 연료를 제조하기 위한 농축 유제{A CONCENTRATED EMULSION FOR MAKING AN AQUEOUS HYDROCARBON FUEL}
디젤 연료 엔진은 연소 중에 상대적으로 높은 화염 온도에 도달하기 때문에 NOX를 산출하게 된다. 질소산화물은 스모그 및 오염을 야기시키기 때문에 환경적 쟁점대상이다. 정부 규제 및 환경적 관심은 엔진의 NOX배출 감소에 대한 필요성을 이끌어왔다. 캘리포니아 및 휴스턴과 같은 저감 지역 및 멕시코 시티, 영국, 및 독일과 같은 강력한 규제 지역은 배출 감소로 가장 큰 이익을 얻었다. NOX생성 감소방법으로 촉매 전환기의 사용, "청정" 연료 사용, 배기가스 재순환 및 엔진 타이밍 변경이 있다. 이들 방법은 상업적으로 이용하기에는 전형적으로 비용이 많이 들거나 복잡하다.
연소실 내에서 연료와 혼합된 물을 사용하는 내연기관, 특히 디젤 엔진은 출력의 단위당 NOX, 탄화수소 및 분진 배출을 보다 낮출 수 있다. 물은 연소에 대해서는 불활성이지만, 최대 연소 온도를 낮춰줌으로써 분진 및 NOX형성을 감소시킨다. 연료중수형 유제(water-in-fuel emulsion)는 디젤 엔진의 NOX배출은 약 5-20%까지, 분진은 20-50% 이하로 감소시킨다.
물이 연료에 첨가되었을 때 이것은 유제를 형성하고 이들 유제는 일반적으로 불안정하다. 작은 입자 크기의 안정한 연료중수형 유제에 도달하고 이를 유지하는 일은 보다 어렵다. 보관 시 안정할 수 있는 안정한 연료중수형 유제를 제조하는 것이 유리할 것이다.
최적의 안정성 및 우수한 처리량 속도를 갖는 안정한 연료중수형 유제를 산출하는 것이 유리할 것이다. 앞서 나열한 종래 출원에 개시되어 있는 출원인의 통상적 방법은 물, 연료 및 유화제의 총량을 유화시켜 완전히 제형된 수성 탄화수소 연료 유제를 산출하는 방법을 이용한다. 물 총량 및 유화제 총량에 먼저 연료의 일부분을 첨가하여 농축 유제를 형성하고, 이어서 농축 유제에 연료의 최종 부분을 후첨가함으로써 완전히 제형된 연료중수형 블렌드의 개선된 유제 안정성이 얻어짐을 발견했다. 또한 이어서 연료의 최종 부분으로 희석되는 농축 유제의 제조는 보다 많은 양의 완전히 제형된 물-블렌딩 연료 산물을 산출함으로써 처리량을 증가시킨다.
발명의 개요
본 발명은
(1) 완전히 제형된 수성 탄화수소 연료 유제에 함유되는 탄화수소 연료 총량의 일부분,
(2) 완전히 제형된 수성 탄화수소 연료 유제에 함유되는 거의 모든 유화제로서, (ⅰ) 탄소원자수가 약 50 내지 약 500개인 적어도 하나의 하이드로카르빌 치환된 카르복시산 아실화제를 암모니아 또는 아민과 반응시켜 제조한 적어도 하나의 연료 용해성 산물; (ⅱ) 친수성-친지성 평형가가 약 1 내지 약 40인 적어도 하나의 이온 또는 비이온 화합물; (ⅲ) (ⅰ) 및 (ⅱ)의 혼합물; 또는 (ⅳ) (ⅰ), (ⅱ) 또는 (ⅲ)과 배합된 아민염, 암모늄, 아지드 화합물, 니트로 화합물, 질산염 에스테르, 니트라민, 알칼리 금속염, 알칼리 토금속염 및 이의 혼합물로 구성된 그룹 중에서 선택된 수용성 화합물로 구성된 그룹에서 선택되는 유화제; 및
(3) 완전히 제형된 수성 탄화수소 연료 유제에 함유되는 거의 모든 물로서, 물, 물/부동액, 물/질산암모늄, 또는 이들의 배합물로 구성된 그룹 중에서 선택된 것인 물을 포함하여,
완전히 제형된 수성 탄화수소 연료 유제를 제조하는 데 사용되는 농축된 수성 탄화수소 유제를 생성하는 농축된 수성 탄화수소 유제에 관한 것이다.
본 발명은 또한
(1) (a) 완전히 제형된 수성 탄화수소 연료 유제 내에 존재하는 탄화수소 연료의 약 0.5 중량% 내지 약 70 중량% 범위인 탄화수소 연료의 일부분;
(b) 완전히 제형된 수성 탄화수소 연료 유제의 약 0.05 중량% 내지 약 20 중량%의 범위로 존재하는 거의 모든 유화제로서, (ⅰ) 탄소원자수가 약 50 내지 약 500개인 적어도 하나의 하이드로카르빌 치환된 카르복시산 아실화제를 암모니아 또는 아민과 반응시켜 제조한 적어도 하나의 연료 용해성 산물; (ⅱ) 친수성-친지성 평형가가 약 1 내지 약 40인 적어도 하나의 이온 또는 비이온 화합물; (ⅲ) (ⅰ) 및 (ⅱ)의 혼합물; 또는 (ⅳ) (ⅰ), (ⅱ) 또는 (ⅲ)과 배합된 아민염, 암모늄염, 아지드 화합물, 니트로 화합물, 질산염 에스테르, 니트라민, 알칼리 금속염, 알칼리 토금속염 및 이의 혼합물로 구성된 그룹 중에서 선택된 수용성 화합물로 구성된 그룹에서 선택되는 유화제; 및
(c) 완전히 제형된 수성 탄화수소 연료 유제의 약 5 중량% 내지 약 50 중량%의 범위로 존재하는 거의 모든 물로서, 물, 물/부동액, 물/질산암모늄, 또는 이들의 배합물로 구성된 그룹 중에서 선택된 것인 물을 유화시켜,
1 마이크론 미만의 평균 직경을 갖는 물 입자 크기의 농축된 수성 탄화수소 연료 유제를 형성하는 단계를 포함하여 농축된 수성 탄화수소 연료 유제를 제조하는 단계;
(2) 농축된 수성 탄화수소 연료 유제를 완전히 제형된 수성 탄화수소 연료 유제 내에 존재하는 탄화수소 연료의 약 95 중량% 내지 약 50 중량% 범위인 탄화수소 연료의 나머지 부분으로 희석하여,
액체 탄화수소 연료 약 50 중량% 내지 약 99 중량% 및 물 약 1 중량% 내지 약 50 중량%를 포함하는 완전히 제형된 수성 탄화수소 연료를 제조하는 단계를 포함하는, 농축된 수성 탄화수소 연료 유제로부터 수성 탄화수소 연료 유제를 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 또한 농축된 수성 탄화수소 연료 유제로부터 완전히 제형된 수성 탄화수소 연료 유제를 제조하기 위한 연속 또는 배취 방법을 제공한다.
본원은 2000년 1월 14일에 출원된 미국 특허 출원 09/483,481호의 일부계속출원이고, 이 481'은 1999년 9월 7일에 출원된 미국 특허 출원 09/390,925호의 일부계속출원이며, 또한 이 925'는 1999년 7월 7일에 출원된 미국 특허 출원 09/349,268호의 일부계속출원이다. 종래 출원의 모든 개시 전체를 본원에서 참조로 인용한다.
본 발명은 수성 탄화수소 연료 유제를 제조하기 위한 농축 유제에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 농축 유제를 예-유화시킨 다음 외부 연료상으로 희석시키는 단계를 수반하는 수성 탄화수소 연료의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 농축된 수성 탄화수소 연료 유제에 관한 것이다. 농축된 수성 탄화수소 연료 유제는 완전히 제형된 수성 탄화수소 연료 유제에 함유되는 총 탄화수소 연료의 일부분을 함유한다. 농축된 수성 탄화수소 유제 내 탄화수소 연료의 일부분은 완전히 제형된 수성 탄화수소 연료 유제의 약 0.5 중량% 내지 약 70 중량%의 범위이고, 또 다른 구체예에서는 완전히 제형된 수성 탄화수소 연료 유제의 약 5 중량% 내지 약 40 중량%의 범위이며, 또 다른 구체예에서는 완전히 제형된 수성 탄화수소 연료 유제의 약 5 중량% 내지 약 20 중량%의 범위이다.
농축된 수성 탄화수소 유제는 유화제의 총량을 함유하고 또 다른 구체예에서는 거의 모든 유화제를 함유한다. 경우에 따라 적은 양의 유화제가 완전히 제형된 수성 탄화수소 연료 유제, 탄화수소 연료 또는 이들의 배합물에 첨가될 수 있다. 유화제는 완전히 제형된 수성 탄화수소 연료 유제의 약 0.05 중량% 내지 약 20 중량%의 범위이고, 일 구체예에서는 완전히 제형된 수성 탄화수소 유제의 약 0.1 중량% 내지 약 10 중량%의 범위이며, 또 다른 구체예에서는 완전히 제형된 수성 탄화수소 연료 유제의 약 1 중량% 내지 약 10 중량%의 범위이며, 또 다른 구체예에서는 완전히 제형된 수성 탄화수소 연료 유제의 약 1 중량% 내지 약 5 중량%의 범위이다.
유화제는 (ⅰ) 탄소원자수가 약 50 내지 약 500개인 적어도 하나의 하이드로카르빌 치환된 카르복시산 아실화제를 암모니아 또는 아민과 반응시켜 제조한 적어도 하나의 연료 용해성 산물; (ⅱ) 친수성-친지성 평형가가 약 1 내지 약 40인 적어도 하나의 이온 또는 비이온 화합물; (ⅲ) (ⅰ) 및 (ⅱ)의 혼합물; 또는 (ⅳ) (ⅰ), (ⅱ) 또는 (ⅲ)과 배합된 아민염, 암모늄염, 아지드 화합물, 니트로 화합물, 질산염 에스테르, 니트라민, 알칼리 금속염, 알칼리 토금속염 및 이의 혼합물로 구성된 그룹 중에서 선택된 수용성 화합물로 구성된 그룹 중에서 선택된다.
농축된 수성 탄화수소 유제는 총량의 물을 함유하고 또 다른 구체예에서는 거의 모든 물을 함유한다. 물은 완전히 제형된 수성 탄화수소 연료 유제의 약 1 중량% 내지 약 50 중량%의 범위이고, 또 다른 구체예에서는 완전히 제형된 수성 탄화수소 연료 유제의 약 15 중량% 내지 약 50 중량%의 범위이며, 또 다른 구체예에서는 완전히 제형된 수성 탄화수소 연료 유제의 약 35 중량% 내지 약 50 중량%의 범위이다. 물은 물, 물 부동액, 물 질산암모늄 또는 이들의 배합물로 구성된 그룹 중에서 선택된다. 적은 양의 물이 완전히 제형된 수성 탄화수소 유화제, 탄화수소 연료 또는 이들의 배합물에 첨가될 수 있다.
농축된 수성 탄화수소 유제는 주위 조건에서 적어도 1년의 저장수명을 가지며, 또 다른 구체예에서는 1년보다 긴 저장수명을 가진다.
본 발명은 또한 농축된 수성 탄화수소 연료 유제로부터 수성 탄화수소 연료를 제조하는 방법에 관한 것이다. 농축된 수성 탄화수소 유제는 완전히 제형된 수성 탄화수소 연료 유제에 함유되는 총 탄화수소 연료의 일부분을 함유한다. 이 방법은 농축된 수성 탄화수소 연료 유제를 제조하는 단계를 수반한다. 탄화수소 연료의 일부분은 완전히 제형된 수성 탄화수소 연료 유제 내 유화제 총량 및 물 총량으로 유화된다. 농축된 수성 탄화수소 유제를 제조하기 위해 첨가되는 탄화수소 연료의 일부분은 완전히 제형된 수성 탄화수소 연료 유제의 약 5 중량% 내지 약 50 중량%의 범위이고, 또 다른 구체예에서는 약 5 중량% 내지 약 40 중량%의 범위이며, 또 다른 구체예에서는 약 1 중량% 내지 약 20 중량%의 범위이다.
거의 모든 유화제가 탄화수소 연료의 일부분에 첨가된다. 경우에 따라 적은 양의 유화제가 완전히 제형된 수성 탄화수소 유제, 탄화수소 연료 또는 이들의 배합물에 첨가될 수 있다. 유화제는 제형된 수성 탄화수소 연료 산물의 약 0.05 중량% 내지 약 20 중량%의 범위이고, 또 다른 구체예에서는 약 0.1 중량% 내지 약 10 중량%이며, 또 다른 구체예에서는 약 0.5 중량% 내지 약 5 중량%이다.
경우에 따라, 유화제, 연료, 물 또는 이들의 배합물에 첨가제가 그 가용성에 따라 첨가될 수 있다. 첨가제로는 세탄 개량제, 유기 용매, 부동제, 안정화제, 계면활성제, 연료 내 사용이 공지되어 있는 타 첨가제 등이 있으며, 이에 제한되지 않는다. 첨가제는 유화작용 전이나 또는 대안적으로 유화작용 중에 유화제, 탄화수소 연료 또는 물에 첨가되거나 또는, 또 다른 구체예에서는 완전히 제형된 유제 위에 처리된다. 첨가제는 일반적으로 완전히 제형된 수성 탄화수소 연료 유제의 약0.00001 중량% 내지 약 10 중량%의 범위이고, 또 다른 구체예에서는 약 0.0001 중량% 내지 약 10 중량%이며, 또 다른 구체예에서는 약 0.001 중량% 내지 약 10 중량%이다.
이어서 탄화수소 연료, 유화제 및/또는 첨가제가 물의 총량, 및 또 다른 구체예에서는 거의 모든 물로 유화되어 농축된 수성 탄화수소 유제를 이룬다. 물은 완전히 제형된 수성 탄화수소 연료 유제의 약 5 중량% 내지 약 50 중량%이고, 또 다른 구체예에서는 약 15 중량% 내지 약 50 중량%이며, 또 다른 구체예에서는 약 35 중량% 내지 약 50 중량%인 범위로 첨가된다. 적은 양의 물이 완전히 제형된 수성 탄화수소 유화제, 탄화수소 연료 또는 이들의 배합물에 첨가될 수 있다.
경우에 따라 물은 부동액, 질산암모늄 또는 이들의 혼합물일 수 있으며, 이에 한정되지 않는다. 질산암모늄은 일반적으로 수용액으로서 물 혼합물에 첨가되고 또 다른 구체예에서는 유화제에 첨가된다. 물은 높은 전단 혼합/유화작용 하에 첨가되어 농축 유제를 형성한다.
유화작용은 임의의 공지된 방법에 의해 발생한다. 유화작용은 일반적으로 주위 조건 하에서 발생한다. 유화작용은 1 마이크론 이하, 또 다른 구체예에서는 약 0.1 마이크론 내지 약 1 마이크론의 범위이고, 또 다른 구체예에서는 약 0.1 내지 0.95 범위이며, 또 다른 구체예에서는 약 0.1 내지 약 0.8 범위이며, 또 다른 구체예에서는 약 0.1 내지 약 0.7 범위인 평균 입자 비말 크기를 갖는 농축된 수성 탄화수소 유제를 산출한다.
전단은 수성 탄화수소 연료를 제조하는 중요한 단계이다. 유화작용 중에 일반적으로 두가지 사건이 발생하는데; 물이 균일한 서브-마이크론 입자 크기로 분해되는 사건과 유화제가 수성 접촉면에 분포하여 입자 크기 분포를 안정화시키는 사건이다. 완전히 제형된 수성 탄화수소 연료 유제가 균일화되고 개선된 안정성을 나타내도록 하기 위해 유화작용 중에 완전한 물 부분 및 완전한 유화제 부분이 존재한다.
총 연료의 일부분만이 유화작용 중에 존재한다. 이어서 농축된 수성 탄화수소 유제가 나머지 탄화수소 연료 부분 잔여량으로 희석된다. 희석은 혼합, 블렌딩, 에지테이션, 교반, 유화작용 등과 같은 당업계에 공지된 임의의 일반적 방법에 의해 발생할 수 있다. 높은 전단은 필수적이지는 않지만 선택적이다. 탄화수소 연료의 최종 비율은 완전히 제형된 수성 탄화수소 연료 유제의 약 40 중량% 내지 약 95 중량%의 범위이고, 또 다른 구체예에서는 약 50 중량% 내지 약 95 중량%이며, 또 다른 구체예에서는 약 70 중량% 내지 약 95 중량%이다. 농축된 수성 탄화수소 유제와 블렌딩된 탄화수소 연료 부분은 완전히 제형된 수성 탄화수소 연료 유제 내 탄화수소 연료의 총량과 농축된 수성 탄화수소 연료 유제에 함유되는 탄화수소 연료의 일부분과의 차이값과 동일하다. 앞에서 적은 양의 탄화수소 연료가 첨가될수록, 연료의 잔여량이 첨가된 후의 최종 산물 처리량이 많아진다.
본 발명의 실시에서 수성 탄화수소 연료 유제는 배취 또는 연속 방법으로 제조된다. 이 방법은 연료, 유화제, 첨가제 및/또는 물의 유속을 모니터하여 조정함으로써 목적한 물 비말 크기의 안정한 유제를 형성할 수 있다.
배취 방법에서는 모든 물, 모든 유화제 및 탄화수소 연료 일부분이 일반적으로 전단 탱크 용량에서 사용된다. 농축물을 제조하는 배취 방법은 완전히 제형된 수성 탄화수소 연료 유제의 처리량을 증가시킨다. 수성 탄화수소 유제 제형이 농축될수록 배취 처리량이 많아지는데, 이는 시간 주기의 점증적 증가량이 완전히 제형된 배취 크기에서의 시간 주기의 비례적 증가량보다 작기 때문이다. 물 농축 공정에서, 배취 시간은 희석-블렌딩상으로부터 유화작용상을 분리함으로써 최소화된다. 이는 두 공정이 동시에 발생할 수 있게 해준다. 또 다른 구체예에서 농축된 수성 탄화수소 연료 유제는 나중에 연료의 최종 부분과 블렌딩될 수 있다. 농축 유화작용을 통해 완전히 제형된 유제는 종래의 공정보다 유의적으로 안정한 산물을 부여한다.
농축 유제는 또한 연속 방법에서 제조되어 안정성에 있어서 종래의 접근과 동일하거나 그보다 뛰어난 성능을 나타낼 수 있다. 연속 방법의 사용으로 처리량도 증가한다. 연속 방법은 배취 방법에서 다수의 탱크 턴오버에 필요했던 추가 시간의 필요성을 배제한다.
공정은 자동으로 작동하는 컨테이너화 장치의 형태에서 실시될 수 있다. 공정은 그 설치 영역에 국한하여 프로그램되고 모니터될 수 있거나, 또는 그 설치 영역과 떨어진 위치에서 프로그램되고 모니터될 수 있다. 완전히 제형된 물 연료 블렌드는 경우에 따라 설치 영역에서 최종 사용자에게 분배되거나, 또 다른 구체예에서는 최종 사용자가 농축된 유제를 연료의 최종 부분과 블렌딩할 수 있다. 이는 넓은 분포 네트워크로 최종 사용자가 이용할 수 있는 수성 탄화수소 연료 유제 제조방법을 제공한다.
보다 많은 물 농축된 수성 탄화수소 유화작용일수록 높은 배취 처리량이 생기는 것이 확실한데 이는 시간 주기의 점증적 증가량이 최종 배취 크기에서의 비례적 증가량보다 작기 때문이다. 물 농축 공정에서, 배취 시간은 희석-블렌드상으로부터 유화작용상을 분리함으로써 최소화된다.
실시예 1
본 발명의 방법은 하기 제형을 이용하지만; 초기 혼합물 내 디젤 연료의 오직 일부분만이 유화제 및 물로 유화되었다. 물은 높은 전단 혼합과 함께 첨가되어 수성 탄화수소 유제를 형성했다. 이어서 디젤 연료의 최종 부분을 추가의 높은 전단 교반 없이 첨가했다.
"유화된 연료"는 타 성분과 혼합되어 농축된 수성 탄화수소 유제를 만드는 연료의 부분을 나타낸다. 이어서 "첨가된 연료" 부분이 농축된 수성 탄화수소 유제와 블렌딩되었다.
점성은 잔컵(Zahn cup)을 사용하여 초단위로 측정했다.
성분 A 중량%
LZ2825 (0729.1)* 1.200
계면활성제 I** 0.214
계면활성제 Ⅱ*** 0.594
2-에틸헥실질산염 0.714
질산암모늄 0.278
* 1:1의 당량 중량비인 PIB 숙신산무수물 200mol.wt 및 디메틸에탄올 아민의 반응 산물,
** 1:1의 몰비인 헥사데실 숙신산무수물과 디메틸에탄올아민의 반응 산물.
*** 폴리이소부틸렌 숙신산무수물의 폴리아민 유도체.
공정 종래의 유화작용 농축 유화작용 및 디젤 희석 블렌딩
이름 A B C D
성분 pbw* 갤론 pbw* 갤론 pbw* 갤론 pbw* 갤론
초기 디젤 77 79.7 10 33.8 20 50.4 30 60.5
성분 A 3 2.7 3 8.9 3 6.7 3 5.3
물 20 17.6 20 57.3 20 42.9 20 34.2
유화된 연료 100 100 100 100 100
첨가된 연료 0 0 67 226 57 144 47 95
최종 배취 크기 100 100 100 326 100 244 100 195
* pbw 제형은 최종 물-블렌드 연료 100부를 기준으로 한 것이다.
본 실시예는 100-갤론 블렌드 탱크에서 처리한 농축 유제를 사용했을 때의 처리량 증가가 농축 유제를 사용하지 않았을 때의 처리량보다 3배 이상임을 증명한다.
이러한 방법은 초기에 모든 연료가 존재하는 방법에 비해서 보다 빠르고, 보다 많은 산물을 산출하며, 보다 높은 질(보다 균일하고 보다 안정한)의 수성 탄화수소 연료 유제로 되게 하는 이점을 갖는다. 이는 주로 유화작용 단계의 유화제가 보다 농축되어 있어서 연료에 비해 물의 양이 더 많음에도 불구하고 유제를 형성하는 데 보다 효과적이기 때문에 획득되는 것이다.
엔진
본 발명에 따라 작동될 수 있는 엔진으로는 차량(선박 포함)과 디젤, 가솔린등을 포함하고 이에 한정되지 않는 고정식 동력장치 둘다의 모든 압축 점화장치 (내연)기관이 있다. 사용될 수 있는 엔진으로는 자동차, 모든 종류의 트럭을 포함하는 트럭, 도시형 버스를 포함하는 버스, 기관차, 중부하 디젤 엔진, 고정 엔진(한정 방식) 등에 사용되는 것이 있고 이에 한정되지 않는다. 중고 엔진뿐 아니라 새 엔진도 포함하는 포장도로용 및 비포장도로용 엔진도 포함된다. 또한 이행정주기(two-stroke-per-cycle) 및 사행정주기(four-stroke-per-cycle) 디젤 엔진도 포함된다.
수성 연료 유제
일 구체예에서, 수성 연료 유제는 연속 연료상; 비연속 물 또는 수성상; 및 유화제의 유화량을 포함한다. 유제는 세탄 개량제, 유기 용매, 부동제 등을 포함하고 이에 한정되지 않는 타 첨가제를 함유할 수 있다. 이들 유제는 (1) 표준 혼합 기술을 사용하여 연료, 유화제 및 타 목적한 첨가제를 혼합하여 탄화수소 연료/첨가제 혼합물을 형성하는 단계; 및 (2) 탄화수소 연료/첨가제 혼합물을 유화작용 조건 하에서 물(및 경우에 따라 부동제)과 혼합하여 목적한 수성 탄화수소 연료 유제를 형성하는 단계에 의해서 제조될 수 있다. 대안적으로는, 유화제에 사용된 수용성 화합물(ⅲ)을 고-전단 혼합 전에 물과 혼합시킬 수 있다.
수성 탄화수소 연료 유제의 물 또는 수성상은 1.0 마이크론 이하의 평균 직경을 갖는 비말을 포함한다. 즉, 유화작용은 일반적으로 전단 혼합에 의해서 발생하고 상기 비말 크기를 제공하기에 충분한 조건 하에서 수행된다.
액체 탄화수소 연료
액체 탄화수소 연료로는 탄화수소 석유 증류 연료, 비-탄화수소수, 기름, 식물에서 유래된 액체 연료, 광물에서 유래된 액체 연료 및 그 혼합물이 있다. 액체 탄화수소 연료는 ASTM Specification D439에 의해 정의되는 차량용 가솔린 또는 ASTM Specification D396 등에 의해 정의되는 디젤 연료 또는 연료 기름(등유, 나프타, 지방족 화합물 및 파라핀족 화합물)을 포함하고 이에 한정되지 않는 임의의 모든 탄화수소 석유 증류 연료일 수 있다. 비-탄화수소 물질을 포함하는 액체 탄화수소 연료로는 메탄올, 에탄올 등과 같은 알콜, 디에틸 에테르, 메틸 에틸 에테르 등과 같은 에테르, 유기니트로 화합물 등; 및 콘, 알파파, 셰일, 석탄 등과 같은 식물 또는 광물 근원으로부터 유래된 액체 연료가 있고 이에 한정되지 않는다. 액체 탄화수소 연료로는 또한 하나 이상의 탄화수소 연료 및 하나 이상의 비-탄화수소 물질의 혼합물이 있다. 이러한 혼합물의 예로는 가솔린과 에탄올의 배합물 및 디젤 연료와 에테르의 배합물이 있다. 일 구체예에서, 액체 탄화수소 연료는 임의의 가솔린일 수 있다. 일반적으로, 가솔린은 10% 증류 포인트인 약 60℃ 내지 90% 증류 포인트인 약 205℃까지의 ASTM 증류 범위를 갖는 탄화수소의 혼합물이다. 일 구체예에서, 가솔린은 염소 함량이 약 10ppm 이하인 것을 특징으로 하는 무염소 또는 저염소 가솔린이다.
일 구체예에서, 액체 탄화수소 연료는 임의의 디젤 연료이다. 디젤 연료는 전형적으로는 약 300℃ 내지 약 390℃이고, 일 구체예에서는 약 330℃ 내지 약 350℃ 범위의 90% 증류 포인트 온도를 갖는다. 이들 연료의 점성은 전형적으로는 40℃에서 약 1.3 내지 약 24 센티스트로크의 범위이다. 이 디젤 연료는 ASTM D975에 기재된 것처럼 임의의 등급 번호 1-D, 2-D 또는 4-D로 분류될 수 있다. 디젤 연료는 알콜 및 에스테르를 함유할 수 있다. 일 구체예에서 디젤 연료는 ASTM D2622-87에 기재된 시험 방법으로 측정한 약 0.05 중량%(저황 디젤 연료) 이하의 황 함량을 갖는다. 일 구체예에서, 디젤 연료는 염소 함량이 약 10ppm 이하인 것을 특징으로 하는 무염소 또는 저염소 디젤 연료이다.
액체 탄화수소 연료는 수성 탄화수소 연료 유제 내에 약 50 중량% 내지 95 중량%, 일 구체예에서는 약 60 중량% 내지 약 95 중량%, 다른 일 구체예에서는 약 65 중량% 내지 약 85 중량%, 다른 일 구체예에서는 약 70 중량% 내지 약 80 중량%의 농도로 존재한다.
물
수성 탄화수소 연료 유제를 형성하는 데 사용된 물은 임의의 근원으로부터 취할 수 있다. 물은 예를 들면 역삼투 또는 증류를 사용하여 탈이온, 탈염, 정제한 수돗물 등이고 이에 한정되지 않는다.
물은 최종 수성 탄화수소 연료 유제 내에 약 1 중량% 내지 약 50 중량%, 일 구체예에서는 약 5 중량% 내지 약 50 중량%, 다른 일 구체예에서는 약 5 중량% 내지 약 40 중량%, 다른 일 구체예에서는 약 5 중량% 내지 약 25 중량%, 다른 일 구체예에서는 15 중량% 내지 약 50 중량%, 다른 일 구체예에서는 약 35 중량% 내지 약 50 중량%, 다른 일 구체예에서는 약 10 중량% 내지 약 20 중량%의 농도로 존재할 수 있다.
유화제
유화제는 (ⅰ) 탄소원자수가 약 50 내지 약 500개인 적어도 하나의 하이드로카르빌 치환된 카르복시산 아실화제를 암모니아 또는 아민과 반응시켜 제조한 적어도 하나의 연료 용해성 산물; (ⅱ) 친수성-친지성 평형가(HLB)가 일 구체예에서는 약 1 내지 약 40이고, 다른 일 구체예에서는 약 1 내지 30이며, 다른 일 구체예에서는 약 1 내지 20이며, 다른 일 구체예에서는 약 1 내지 약 15인 적어도 하나의 이온 또는 비이온 화합물; (ⅲ) (ⅰ) 및 (ⅱ)의 혼합물; 또는 (ⅳ) (ⅰ), (ⅱ) 또는 (ⅲ)과 배합된 아민염, 암모늄, 아지드 화합물, 니트로 화합물, 알칼리 금속염, 알칼리 토금속염 및 이의 혼합물로 구성된 그룹 중에서 선택된 수용성 화합물을 포함한다. 유화제는 수성 연료 유제 내에 약 0.05 중량% 내지 약 20 중량%, 다른 일 구체예에서는 약 0.05 중량% 내지 약 10 중량%, 다른 일 구체예에서는 약 0.1 중량% 내지 약 5 중량%, 다른 일 구체예에서는 약 0.1 중량% 내지 약 3 중량%의 농도로 존재할 수 있다.
연료 용해성 산물(ⅰ)
연료 용해성 산물(ⅰ)은 아실화제의 하이드로카르빌 치환체의 탄소원자수가 약 50 내지 약 500개인 적어도 하나의 하이드로카르빌 치환된 카르복시산 아실화제와 암모니아 또는 아민을 반응시켜 제조한 적어도 하나의 연료 용해성 산물이다.
하이드로카르빌 치환된 카르복시산 아실화제는 카르복시산 또는 이러한 산의 반응적 등가물일 수 있다. 반응적 등가물은 할로겐산, 무수물, 또는 부분적 에스테르를 포함하는 에스테르 등일 수 있다. 이들 카르복시산 아실화제의 하이드로카르빌 치환체는 탄소원자를 약 50 내지 약 500개, 및 일 구체예에서는 약 50 내지 약 300개, 및 다른 일 구체예에서는 약 60 내지 약 200개 함유할 수 있다. 일 구체예에서, 이들 아실화제의 탄화수소 치환체의 수평균분자량은 약 700 내지 약 3000이고, 다른 일 구체예에서는 약 900 내지 약 2300이다.
하이드로카르빌 치환된 카르복시산 아실화제는 카르복시기를 제외하고 2 내지 약 20개의 탄소원자를 함유하는 하나 이상의 알파-베타 올레핀 불포화 카르복시산 시약과 아래에서 보다 완전히 기술되는 하나 이상의 올레핀 중합체를 반응시킴으로써 제조할 수 있다.
알파-베타 올레핀 불포화 카르복시산 시약은 자연상태에서 일가 또는 다가일 수 있다. 일가 알파-베타 올레핀 불포화 카르복시산의 예로는 하기 화학식에 상응하는 카르복시산이 있다:
이 식에서, R은 수소, 또는 포화 지방족 기 또는 지환족 기, 아릴기, 알킬아릴기 또는 헤테로사이클릭기이고, 바람직하게는 수소 또는 저분자 알킬기이며, R1은 수소 또는 저분자 알킬기이다. R 및 R1내 탄소원자의 총갯수는 전형적으로는 약 18개의 탄소원자를 넘지 않는다. 유용한 일가 알파-베타 올레핀 불포화 카르복시산의 구체적인 예로는 아크릴산; 메트아크릴산; 신남산; 크로톤산; 3-페닐 프로펜산; 알파, 및 베타-데센산이 있다. 다가산 시약은 바람직하게는 디카르복시산이지만트리- 및 테트라카르복시산도 사용될 수 있다. 다가산의 예로는 말레산, 푸마르산, 메사콘산, 이타콘산 및 시트라콘산이 있다. 알파-베타 올레핀 불포화 카르복시산 시약의 반응적 등가물로는 상기 산들의 무수물, 에스테르 또는 아미드 작용적 유도체가 있다. 유용한 반응적 등가물은 말레산무수물이다.
올레핀 중합체가 유도될 수 있는 올레핀 단량체는 하나 이상의 에틸렌 불포화기를 갖는 것을 특징으로 하는 중합반응성 올레핀 단량체이다. 이것은 에틸렌, 프로필렌, 1-부텐, 이소부텐 및 1-옥텐과 같은 단일올레핀 단량체 또는 폴리올레핀 단량체(일반적으로는 1,3-부타디엔 및 이소프렌과 같은 디-올레핀 단량체)일 수 있다. 일반적으로는 이들 단량체는 말단 올레핀, 즉 >C=CH2기의 존재를 특징으로 하는 올레핀이다. 그러나, 어떤 내부 올레핀은 단량체(이들은 종종 중간 올레핀으로 언급됨)로서 작용할 수 있다. 이러한 중간 올레핀 단량체가 사용될 때, 이들은 일반적으로는 말단 올레핀과 함께 사용되어 공중합체인 올레핀 중합체를 산출한다. 올레핀 중합체는 또한 방향족 기(구체적으로는 페닐기 및 저분자 알킬기 및/또는 저분자 알콕시 치환된 페닐기, 예컨대 파라(tert-부틸)-페닐기) 및 중합반응성 사이클릭 올레핀 또는 지환족 치환된 중합반응성 사이클릭 올레핀으로부터 수득될 수 있는 것과 같은 지환족 기를 포함할 수 있지만, 올레핀 중합체에는 일반적으로 이러한 기가 없다. 그럼에도 불구하고, 1,3-디엔과 스티렌, 예컨대 1,3-부타디엔과 스티렌 또는 파라-(tert-부틸) 스티렌의 이러한 공중합체로부터 유도된 올레핀 중합체는 이와 같은 일반적 규칙의 예외이다. 일 구체예에서, 올레핀 중합체는 하나이상의 디엔으로부터 유도된 부분적으로 수소화처리된 중합체이다. 일반적으로는 올레핀 중합체는 탄소원자수가 약 2 내지 약 30개이고, 일 구체예에서는 약 2 내지 약 16개인 말단 하이드로카르빌 올레핀의 단중합체 또는 공중합체이다. 올레핀 중합체의 보다 전형적인 종류는 탄소원자수가 약 2 내지 약 6개이고, 일 구체예에서는 약 2 내지 약 4개인 말단 올레핀의 단중합체 및 공중합체로 구성된 그룹 중에서 선택된다.
올레핀 중합체를 제조하는 데 사용될 수 있는 말단 및 중간 올레핀 단량체의 구체적 예로는 에틸렌, 프로필렌, 1-부텐, 2-부텐, 이소부텐, 1-펜텐, 1-헥센, 1-헵텐, 1-옥텐, 1-노넨, 1-데센, 2-펜텐, 프로필렌 사량체, 디이소부틸렌, 이소부틸렌 삼량체, 1,2-부타디엔, 1,3-부타디엔, 1,2-펜타디엔, 1,3-펜타디엔, 이소프렌, 1,5-헥사디엔, 2-클로로 1,3-부타디엔, 2-메틸-1-헵텐, 3-클로로헥실-1 부텐, 3,3-디메틸 1-펜텐, 스티렌, 디비닐벤젠, 비닐-아세테이트, 알릴 알콜, 1-메틸비닐아세테이트, 아크릴로니트릴, 에틸 아크릴레이트, 에틸비닐에테르 및 메틸비닐케톤이 있다. 이들 중에, 순수 탄화수소 단량체가 보다 전형적이고 말단 올레핀 단량체가 특히 유용하다.
일 구체예에서, 올레핀 중합체는 염화알루미늄 및 삼플루오르화 붕소와 같은 루이스산 촉매 존재 하에 부텐 함량이 약 35 중량% 내지 약 75 중량%이고 이소부텐 함량이 약 30 중량% 내지 약 60 중량%인 C4정련류의 중합반응으로 수득한 것과 같은 폴리이소부텐이다. 이들 폴리이소부텐은 일반적으로 하기 구조의 이소부텐 반복단위를 주로(즉, 총 반복 단위의 약 50% 이상) 함유한다:
일 구체예에서, 올레핀 중합체는 수평균분자량이 약 700 내지 약 3000이고, 다른 일 구체예에서는 약 900 내지 약 2300인 폴리이소부텐기(또는 폴리이소부틸렌기)이다.
일 구체예에서, 하이드로카르빌 치환된 카르복시산 아실화제는 화학식
또는
으로 각각 표시되는 하이드로카르빌 치환된 숙신산 또는 숙신산무수물인데 이 식에서, R은 탄소원자수가 약 50 내지 500개이고, 일 구체예에서는 약 50 내지 300개이며, 다른 일 구체예에서는 약 60 내지 200개인 하이드로카르빌기이다. 말레산 또는 말레산무수물 또는 이들의 유도체를 할로겐화 탄화수소로 알킬화시키거나 말레산 또는 말레산무수물을 말단 이중결합을 갖는 올레핀 중합체와 반응시킴으로써 얻은,이들 하이드로카르빌 치환된 숙신산 또는 숙신산무수물의 산물은 당업자에 잘 공지되어 있으므로 본원에서 자세히 논의하지 않는다.
하이드로카르빌 치환된 카르복시산 아실화제는 하이드로카르빌 치환기 및 숙신산 기로 구성된 하이드로카르빌 치환된 숙신산 아실화제일 수 있다. 하이드로카르빌 치환기는 전술한 바와 같이 올레핀 중합체로부터 유도된다. 일 구체예에서, 하이드로카르빌 치환된 카르복시산 아실화제는 그 구조 내에 하이드로카르빌 치환체의 당량당 평균적으로 숙신산기 1.3개 이상, 및 다른 일 구체예에서는 약 1.3 내지 약 2.5개, 및 다른 일 구체예에서는 약 1.5 내지 약 2.5개, 및 다른 일 구체예에서는 약 1.7 내지 약 2.1개가 존재하는 것을 특징으로 한다. 일 구체예에서, 하이드로카르빌 치환된 카르복시산 아실화제는 그 구조 내에 하이드로카르빌 치환체의 당량당 숙신산기 약 1.0 내지 약 1.3개, 및 다른 일 구체예에서는 1.0 내지 약 1.2개, 및 다른 일 구체예에서는 약 1.0 내지 약 1.1개가 존재하는 것을 특징으로 한다.
일 구체예에서, 하이드로카르빌 치환된 카르복시산 아실화제는 수평균분자량이 약 1500 내지 약 3000, 및 일 구체예에서는 약 1800 내지 약 2300인 폴리이소부텐으로 치환된 숙신산무수물이고, 이 제1 폴리이소부텐 치환된 숙신산무수물은 폴리이소부텐 치환체의 당량당 숙신산기 약 1.3 내지 약 2.5개, 및 일 구체예에서는 약 1.7 내지 약 2.1개인 것을 특징으로 한다.
일 구체예에서, 하이드로카르빌 치환된 카르복시산 아실화제는 수평균분자량이 약 700 내지 약 1300, 및 다른 일 구체예에서는 약 800 내지 약 1000인 폴리이소부텐으로 치환된 숙신산무수물이고, 이 폴리이소부텐 치환된 숙신산무수물은 폴리이소부텐 치환체의 당량당 숙신산기 약 1.0 내지 약 1.3개, 및 일 구체예에서는 약 1.0 내지 약 1.2개인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 목적을 위해서, 하이드로카르빌 치환된 숙신산계 아실화제의 하이드로카르빌 치환기의 당량은 하이드로카르빌 치환체가 유래된 폴리올레핀의 수평균분자량(Mn)을 하이드로카르빌 치환된 숙신산계 아실화제에 존재하는 모든 하이드로카르빌 치환체의 총 중량으로 나누어 수득한 수로 간주한다. 즉, 하이드로카르빌 치환된 아실화제가 모든 하이드로카르빌 치환체 총 중량이 40,000이고 하이드로카르빌 치환기가 유래된 폴리올레핀의 Mn값이 2000인 것을 특징으로 한다면, 치환된 숙신산계 아실화제는 총 20(40,000/2000=20)의 치환기 당량을 특징으로 한다.
하이드로카르빌 치환된 숙신산계 아실화제에 존재하는 치환기의 당량에 대한 숙신산기의 비율(소위 "숙신화비")은 통상적인 기술(비누화값 또는 산값으로부터와 같은)을 사용하여 당업자에 의해 측정될 수 있다. 예를 들면, 하기 식을 사용하여 숙신화비를 계산할 수 있는데 여기서 아실화 과정에는 말레산무수물이 사용되었다:
이 방정식에서, SR은 숙신화비이고, Mn은 수평균분자량이며, Sap.No.는 비누화값이다. 상기 방정식에서, 아실화제의 Sap.No. = 최종 반응 혼합물/AI의 측정된 Sap.No.이고 여기서 AI는 0 내지 1 사이이지만 0은 아닌 수로 표현되는 활성 성분함량이다. 즉 80%의 활성 성분 함량은 0.8의 AI값에 해당한다. AI값은 최종 반응 혼합물 내 비반응 폴리알켄의 양을 측정하는 데 사용될 수 있는 칼럼 크로마토그래피와 같은 기술을 사용하여 계산할 수 있다. 대략의 근사값으로서, AI값은 100에서 비반응 폴리알켄의 %를 뺀 후 100으로 나누진 측정한다.
연료 용해성 산물(ⅰ)은 암모니아 및/또는 아민을 사용하여 형성될 수 있다. 아실화제와 반응시켜 산물(ⅰ)을 형성하는 데 유용한 아민으로는 모노아민, 폴리아민, 및 그 혼합물이 있다.
모노아민은 오직 하나의 아민 작용기를 가진 반면 폴리아민은 두개 이상을 가진다. 아민은 1차, 2차 또는 3차 아민일 수 있다. 1차 아민은 적어도 하나의 -NH2기의 존재를 특징으로 하고; 2차 아민은 적어도 하나의 H-N<기의 존재를 특징으로 한다. 3차 아민은 -NH2또는 H-N<기 내 수소 원자가 하이드로카르빌기로 교체된 것을 제외하고는 1차 및 2차 아민과 유사하다. 1차 및 2차 모노아민의 예로는 에틸아민, 디에틸아민, n-부틸아민, 디-n-부틸아민, 알릴아민, 이소부틸아민, 코코아민, 스테아릴아민, 라우릴아민, 메틸라우릴아민, 올레일아민, N-메틸옥틸아민, 도데실아민, 및 옥타데실아민이 있다. 3차 모노아민의 적절한 예로는 트리메틸아민, 트리에틸아민, 트리프로필아민, 트리부틸아민, 모노메틸디메틸아민, 모노에틸디메틸아민, 디메틸프로필아민, 디메틸부틸아민, 디메틸펜틸아민, 디메틸헥실아민, 디메틸헵틸아민, 및 디메틸옥틸아민이 있다.
아민은 하이드록시아민일 수 있다. 하이드록시아민은 1차, 2차 또는 3차 아민일 수 있다. 전형적으로는, 하이드록시아민은 1차, 2차 또는 3차 알칸올 아민이다.
알칸올 아민은 하기 화학식으로 표시될 수 있다:
이 식에서, R은 각각 독립적으로 탄소원자수가 1 내지 약 8개인 하이드로카르빌기, 또는 탄소원자수가 2 내지 약 8개인 하이드록시 치환된 하이드로카르빌기이고, R1은 각각 독립적으로 탄소원자수가 2 내지 약 18개인 하이드로카르빌렌(즉, 이가의 탄화수소)기이다. 상기 식에서 -R1-OH기는 하이드록시 치환된 하이드로카르빌렌기를 나타낸다. R1은 비환족 기, 지환족 기, 또는 방향족 기일 수 있다. 일 구체예에서, R1은 에틸렌, 1,2-프로필렌, 1,2-부틸렌, 1,2-옥타데실렌 등과 같은 비환족 선형 또는 분지형 알킬렌기이다. 동일한 분자 내에 두개의 R 기가 존재할 때 이들은 직접적인 탄소-대-탄소 결합으로 또는 헤테로원자(예를 들면, 산소, 질소 또는 황)를 통해 결합하여 5-, 6-, 7- 또는 8-원자 링 구조를 형성할 수 있다. 이러한 헤테로사이클릭 아민의 예로는 N-(하이드록시 저분자 알킬)-모르폴린, -티오모르폴린, -피페리딘, -옥사졸리딘, -티아졸리딘 등이 있다. 그러나 전형적으로는, 각 R은 각각 독립적으로 7개 이하의 탄소원자를 가진 저분자 알킬기이다.
상기 하이드록시아민의 적절한 예로는 모노-, 디-, 및 트리에탄올아민, 디메틸에탄올아민, 디에틸에탄올아민, 디-(3-하이드록시 프로필) 아민, N-(3-하이드록시 부틸) 아민, N-(4-하이드록시 부틸) 아민, 및 N,N-디-(2-하이드록시 프로필) 아민이 있다.
아민은 알킬렌 폴리아민일 수 있다. 특히 하기 화학식으로 표시되는 알킬렌 폴리아민이 유용하다:
이 식에서, n은 1 내지 약 10 사이의 평균값이고, 일 구체예에서는 약 2 내지 약 7이며, "알킬렌"기는 탄소원자수가 1 내지 약 10개, 및 일 구체예에서는 약 2 내지 약 6개인 것이며, R은 각각 독립적으로 수소, 또는 탄소원자수가 약 30개 이하인 지방족 기 또는 하이드록시 치환된 지방족 기이다. 이러한 알킬렌 폴리아민으로는 메틸렌 폴리아민, 에틸렌 폴리아민, 부틸렌 폴리아민, 프로필렌 폴리아민, 펜틸렌 폴리아민 등이 있다. 이러한 폴리아민의 구체적 예로는 에틸렌 디아민, 디에틸렌 트리아민, 트리에틸렌 테트라민, 프로필렌 디아민, 트리메틸렌 디아민, 트리프로필렌 테트라민, 테트라에틸렌 펜타민, 헥사에틸렌 헵타민, 펜타에틸렌 헥사민 또는 이들의 2종 이상의 혼합물이 있다.
에틸렌 폴리아민이 유용하다. 이에 대해서는 "에틸렌 아민"이라는 표제의 문헌[Ethylene Amines in Kirk Othmer's "Encyclopedia of Chemical Technology", 2d Edition, Vol.7, pages 22-37, Interscience Publishers, New York(1965)]에 상세하게 설명되어 있다. 이 폴리아민은 에틸렌 이염화물을 암모니아와 반응시키거나 에틸렌 이민을 물, 암모니아 등과 같은 개환 시약과 반응시켜 제조할 수 있다. 이 반응 결과, 피페라진과 같은 사이클릭 축합 산물을 포함하는 폴리알킬렌 폴리아민의 복합 혼합물이 생성된다.
일 구체예에서, 아민은 폴리아민 바닥물(bottoms) 또는 중질 폴리아민이다. "폴리아민 바닥물"이란 용어는 저분자량의 폴리아민과 휘발성 성분을 제거하고 잔류물로서 폴리아민 바닥물을 남기는 폴리아민 혼합물의 스트리핑을 통해 얻어지는 폴리아민을 의미한다. 일 구체예에서, 폴리아민 바닥물은 디에틸렌 트리아민 또는 트리에틸렌 테트라민 총 함량이 약 2 중량% 미만인 것을 특징으로 한다. 유용한 폴리아민 바닥물로는 다우 케미칼에서 시판하는 상표명 E-100 이 있다. 이 물질은 비중이 15.6℃에서 1.0168이고, 질소 함량이 33.15중량%이며, 점도가 40℃에서 121 센티스트로크라고 설명하고 있다. 사용할 수 있는 또 다른 폴리아민 바닥물로는 유니온 카바이드에서 시판하는 상표명 HPA-X 이 있다. 이 폴리아민 바닥산물은 피페라진과 같은 사이클릭 축합 산물 및 디에틸렌 트리아민, 트리에틸렌 테트라민 등의 고급 유사체를 함유한다.
"중질 폴리아민"이란 용어는 분자당 7개 이상의 질소 원자를 함유하는 폴리아민 또는 분자당 7개 이상의 질소와 분자당 2개 이상의 1차 아민을 함유하는 폴리아민 소중합체를 의미한다. 이에 대해서는 유럽 특허 EP 0770098호에 설명되어 있는데, 이 문헌은 이러한 중질 폴리아민의 개시를 위하여 본원에서 참조 인용되고 있다.
연료 용해성 산물(i)은 염, 에스테르, 에스테르/염, 아미드, 이미드 또는 이의 2종 이상의 혼합물일 수 있다. 염은 아실화제 분자의 잔기와 암모니아 또는 아민을 포함하며 카르복시 기 중 하나가 그 기 내의 질소 원자에 이온 결합하게 되는 내부 염; 또는 이온 염 기가 동일 분자의 부분이 아닌 질소 원자에 형성되어 있는 외부 염일 수 있다. 일 구체예에서, 아민은 하이드록시아민이고 하이드로카르빌 치환된 카르복시산 아실화제는 하이드로카르빌 치환된 숙신산무수물이며, 생성되는 연료 용해성 산물은 1/2 에스테르 및 1/2 염, 즉 에스테르/염이다. 일 구체예에서, 아민은 알킬렌 폴리아민이고, 하이드로카르빌 치환된 카르복시산 아실화제는 하이드로카르빌 치환된 숙신산무수물이며, 생성되는 연료 용해성 산물은 숙신이미드이다.
하이드로카르빌 치환된 카르복시산 아실화제와 암모니아 또는 아민 사이의 반응은 목적하는 산물을 형성시키는 조건하에 실시한다. 전형적으로는 하이드로카르빌 치환된 카르복시산 아실화제와 암모니아 또는 아민을 함께 혼합하고 약 50 내지 약 250℃ 범위의 온도, 및 일 구체예에서는 약 80 내지 약 200℃의 온도로 가열하고; 경우에 따라 일반적으로 액체이며 실질적으로 불활성인 유기 액체 용매/희석액의 존재하에 목적한 산물이 형성될 때까지 가열한다. 일 구체예에서, 하이드로카르빌 치환된 카르복시산 아실화제와 암모니아 또는 아민은 암모니아 또는 아민 1 당량 당 하이드로카르빌 치환된 카르복시산 아실화제 약 0.3 내지 약 3 당량을 제공하기에 충분한 양으로 반응시킨다. 일 구체예에서, 이 반응비는 약 0.5:1 내지 약 2:1 범위이고, 일 구체예에서는 약 1:1 이다.
일 구체예에서, 연료 용해성 산물(i)은 (i)(a) 하이드로카르빌 치환체의 탄소원자수가 약 50 내지 약 500개인 제1의 하이드로카르빌 치환된 카르복시산 아실화제를 암모니아 또는 아민과 반응시켜 제조한 제1의 연료 용해성 산물; 및 (i)(b) 하이드로카르빌 치환체의 탄소원자수가 약 50 내지 약 500개인 제2의 하이드로카르빌 치환된 카르복시산 아실화제를 암모니아 또는 아민과 반응시켜 제조한 제2의 연료 용해성 산물을 포함한다. 이 구체예에서, 산물(i)(a)와 (i)(b)는 상이한 것이다. 예를 들면, 제1 아실화제의 하이드로카르빌 치환체의 분자량은 제2 아실화제의 하이드로카르빌 치환체의 분자량과 상이할 수 있다. 일 구체예에서, 제1 아실화제의 하이드로카르빌 치환체의 수평균분자량은 약 1500 내지 약 3000 범위이고, 다른 일 구체예에서는 약 1800 내지 약 2300 범위이며, 제2 아실화제의 하이드로카르빌 치환체의 수평균분자량은 약 700 내지 약 1300 범위이고, 일 구체예에서는 약 800 내지 약 1000 범위일 수 있다. 제1의 하이드로카르빌 치환된 카르복시산 아실화제는 폴리이소부텐 치환된 숙신산무수물일 수 있으며, 이 폴리이소부텐 치환체는 수평균분자량이 약 1500 내지 약 3000, 일 구체예에서는 약 1800 내지 약 2300인 것이다. 이 제1의 폴리이소부텐 치환된 숙신산무수물은 폴리이소부텐 치환체의 당량당 숙신산기 약 1.3개 이상, 및 일 구체예에서는 약 1.3 내지 약 2.5개, 및 다른 일 구체예에서는 약 1.7 내지 약 2.1개인 것을 특징으로 할 수 있다. 이 제1 연료 용해성 산물(i)(a)에 사용된 아민은 알칸올 아민일 수 있고 그 산물은 에스테르/염형태일 수 있다. 제2의 하이드로카르빌 치환된 카르복시산 아실화제는 폴리이소부텐 치환된 숙신산무수물일 수 있고, 이 제2 폴리이소부텐 치환된 숙신산무수물의 폴리이소부텐 치환체는 수평균분자량이 약 700 내지 약 1300, 및 일 구체예에서는 약 800 내지 약 1000인 것이다. 이 제2의 폴리이소부텐 치환된 숙신산무수물은 폴리이소부텐 치환체의 당량당 숙신산기 약 1.0 내지 약 1.3개, 및 일 구체예에서는 약 1.0 내지 약 1.2개인 것을 특징으로 할 수 있다. 이 제2 연료 용해성 산물(i)(b)에 사용된 아민은 알칸올 아민일 수 있고 그 산물은 에스테르/염 형태이거나, 또는 상기 아민은 알킬렌 폴리아민이고 그 산물은 숙신이미드 형태일 수 있다. 연료 용해성 산물(i)은 약 1 내지 약 99 중량%, 및 일 구체예에서는 약 30 내지 약 70중량%인 산물 (i)(a); 및 약 99 내지 약 1중량%, 및 일 구체예에서는 약 70 내지 약 30중량%인 산물 (i)(b)로 구성될 수 있다.
일 구체예에서, 연료 용해성 산물(i)은 (i)(a) 하이드로카르빌 치환체의 탄소원자수가 약 50 내지 약 500개인 제1의 하이드로카르빌 치환된 카르복시산 아실화제; 및 (i)(b) 하이드로카르빌 치환체의 탄소원자수가 약 50 내지 약 500개인 제2의 하이드로카르빌 치환된 카르복시산 아실화제를 포함하고; 상기 제1의 아실화제와 제2의 아실화제는 동일하거나 상이할 수 있으며; 상기 제1의 아실화제와 제2의 아실화제는 2 이상의 1차 아미노기, 2 이상의 2차 아미노기, 1 이상의 1차 아미노기 및 1 이상의 2차 아미노기, 2 이상의 하이드록시기, 또는 1 이상의 1차 또는 2차 아미노기 및 1 이상의 하이드록시기를 가진 화합물 유래의 연결기에 의해 함께 커플링되며; 이와 같이 커플링된 아실화제가 암모니아 또는 아민과 반응한다. 제1아실화제의 하이드로카르빌 치환체의 분자량은 제2 아실화제의 하이드로카르빌 치환체의 분자량과 동일하거나 상이할 수 있다. 일 구체예에서, 제1 및/또는 제2 아실화제의 하이드로카르빌 치환체의 수평균분자량은 약 1500 내지 약 3000 범위이고, 다른 일 구체예에서는 약 1800 내지 약 2300이다. 일 구체예에서, 제1 및/또는 제2 아실화제의 하이드로카르빌 치환체의 수평균분자량은 약 700 내지 약 1300 범위이고, 다른 일 구체예에서는 약 800 내지 약 1000이다. 제1 및/또는 제2 하이드로카르빌 치환된 카르복시산 아실화제는 폴리이소부텐 치환된 숙신산무수물일 수 있고, 이 폴리이소부텐 치환체의 수평균분자량은 약 1500 내지 약 3000 범위이며, 일 구체예에서는 약 1800 내지 약 2300이다. 이 제1 및/또는 제2 폴리이소부텐 치환된 숙신산무수물은 폴리이소부텐 치환체 당량당 숙신산기 약 1.3개 이상, 및 일 구체예에서는 약 1.3 내지 약 2.5개, 및 다른 일 구체예에서는 약 1.7 내지 약 2.1개인 것을 특징으로 할 수 있다. 이 제1 및/또는 제2 하이드로카르빌 치환된 카르복시산 아실화제는 폴리이소부텐 치환된 숙신산무수물일 수 있고, 이 폴리이소부텐 치환체의 수평균분자량은 약 700 내지 약 1300 범위이며, 일 구체예에서는 약 800 내지 약 1000이다. 이 제1 및/또는 제2 폴리이소부텐 치환된 숙신산무수물은 폴리이소부텐 치환체 당량당 숙신산기 약 1.0 내지 약 1.3개, 및 일 구체예에서는 약 1.0 내지 약 1.2개인 것을 특징으로 할 수 있다. 연결기는 2 이상의 1차 아미노기, 2 이상의 2차 아미노기, 1 이상의 1차 아미노기 및 1 이상의 2차 아미노기, 또는 1 이상의 1차 또는 2차 아미노기 및 1 이상의 하이드록시기를 가진 전술한 임의의 아민 또는 하이드록시아민에서 유래하는 것일 수 있다. 연결기는 또한 폴리올에서 유래하는 것일 수 있다. 폴리올은 화학식 R-(OH)m으로 표시되는 화합물일 수 있으며, 이 식에서 R은 m의 원자가를 가진 유기 기이고, 또한 R은 탄소-산소 결합을 통해 OH 기에 결합되어 있으며, m은 2 내지 약 10 사이의 정수이고, 일 구체예에서는 2 내지 약 6 사이의 정수이다. 폴리올은 글리콜일 수 있다. 특히 알킬렌 글리콜이 유용하다. 사용될 수 있는 폴리올의 예로는 에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 테트라에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 디프로필렌 글리콜, 트리프로필렌 글리콜, 디부틸렌 글리콜, 트리부틸렌 글리콜, 1,2-부탄디올, 2,3-디메틸-2,3-부탄디올, 2,3-헥산디올, 1,2-사이클로헥산디올, 펜타에리트리톨, 디펜타에리트리톨, 1,7-헵탄디올, 2,4-헵탄디올, 1,2,3-헥산트리올, 1,2,4-헥산트리올, 1,2,5-헥산트리올, 2,3,4-헥산트리올, 1,2,3-부탄트리올, 1,2,4-부탄트리올, 2,2,6,6-테트라키스-(하이드록시메틸)사이클로헥산올, 1,10-데칸디올, 디지털로스, 2-하이드록시메틸-2-메틸-1,3-프로판디올(트리메틸올에탄), 또는 2-하이드록시메틸-2-에틸-1,3-프로판디올(트리메틸올프로판) 등이 있다. 이들의 2 이상의 혼합물도 사용할 수 있다.
이러한 결합 산물의 제조에 사용되는 반응물의 비는 다양한 범위로 상이할 수 있다. 일반적으로, 제1 및 제2 아실화제의 각 당량당 연결 화합물을 적어도 약 1 당량 사용한다. 연결 화합물의 상한값은 제1 및 제2 아실화제의 각 당량당 연결 화합물 약 2 당량이다. 일반적으로 제1 아실화제 대 제2 아실화제의 당량비는 약 4:1 내지 약 1:4 이고, 일 구체예에서는 약 1.5:1 이다.
제1 및 제2 아실화제의 당량 수는 각 아실화제에 존재하는 카르복시 작용기의 총 수에 의존적이다. 각 아실화제의 당량 수를 결정하는 데 있어서, 카르복시산 아실화제로서 반응할 수 없는 카르복시 작용기는 제외되어야 한다. 하지만, 아실화제에 존재하는 각 카르복시기당 각 아실화제는 1 당량인 것이 일반적이다. 예를 들면, 올레핀 중합체 1 몰과 말레산무수물 1 몰을 반응시켜 얻는 무수물에서는 2 당량이다.
폴리아민 1 당량의 중량은 폴리아민의 분자량을 분자 내에 존재하는 질소의 총 수로 나눈 것이다. 폴리아민이 결합 화합물로서 사용되어야 하는 경우에 3차 아미노기는 계수하지 않는다. 시판용 폴리아민 혼합물 1 당량의 중량은 질소의 원자량(14)을 폴리아민에 함유된 N%로 나누어 결정할 수 있으며; 따라서 N%가 34 인 폴리아민 혼합물은 당량이 41.2 일 것이다. 암모니아 또는 모노아민의 1 당량의 중량은 그 분자량과 동일하다.
폴리올 1 당량의 중량은 그 분자량을 그 분자 내에 존재하는 하이드록시기의 총 수로 나눈 값이다. 즉, 에틸렌 글리콜 1 당량의 중량은 그 분자량의 1/2 이다.
연결 화합물로서 사용되어야 하는 하이드록시아민 1당량의 중량은 그 분자량을 그 분자내에 존재하는 -OH, >NH 및 -NH2기의 총 수로 나눈 분자량과 동일하다.
제1 및 제2 아실화제는 종래의 에스테르 및/또는 아미드 형성 기법에 따라 연결 화합물과 반응할 수 있다. 이 기법은 일반적으로 아실화제를 연결 화합물과, 경우에 따라 일반적으로 액체이고 실질적으로 불활성인 유기 액체 용매/희석제의존재하에 가열하는 것을 수반한다. 가열 온도는 약 30℃ 이상의 온도 내지 반응 성분 및/또는 산물의 분해 온도 중 최저 온도 이하의 온도를 사용할 수 있다. 이 온도는 약 50℃ 내지 약 130℃ 범위이고, 일 구체예에서 아실화제가 무수물인 경우에는 약 80℃ 내지 약 100℃가 사용될 수 있다. 한편, 아실화제가 산인 경우에 이 온도는 약 100℃ 내지 약 300℃ 범위일 수 있고, 종종 약 125℃ 내지 약 250℃ 범위의 온도가 사용되기도 한다.
이와 같은 반응에 의해 제조된 연결 산물은 각 아실화제의 첨가량, 및 연결 화합물 상에 존재하는 반응성 부위의 수에 따라 달라지는 통계적 혼합물 형태일 수 있다. 예를 들면, 동량 몰 비의 제1 아실화제와 제2 아실화제를 에틸렌 글리콜과 반응시킨 경우에, 그 산물은 (1) 제1 아실화제 1 분자가 에틸렌 글리콜을 통해 제2 아실화제 1분자에 연결된 화합물 약 50%; (2) 제1 아실화제 2 분자가 에틸렌 글리콜을 통해 함께 연결되어 있는 화합물 약 25%; 및 (3) 제2 아실화제 2 분자가 에틸렌 글리콜을 통해 함께 연결되어 있는 화합물 약 25%로 이루어진 혼합물로 구성될 것이다.
연결된 아실화제와 암모니아 또는 아민 사이의 반응은 종래의 기법을 사용하여 염, 에스테르/염, 아미드 또는 이미드 형성 조건하에 실시할 수 있다. 전형적으로는, 이 성분들을 함께 혼합하고 약 20℃ 내지 반응 성분 및/또는 산물의 분해 온도 중 가장 낮은 분해 온도 이하 범위의 온도, 일 구체예에서는 약 50℃ 내지 약 130℃이고, 다른 일 구체예에서는 약 80℃ 내지 약 110℃인 온도로, 경우에 따라 목적하는 염 산물이 형성될 때까지 일반적으로 액체이고 실질적으로 불활성인 유기액체 용매/희석제의 존재 하에 가열한다.
이와 같은 연료 용해성 산물(i)의 제조를 예시하기 위하여 다음과 같은 실시예를 제공한다.
이온 또는 비이온 화합물(ii)
이온 또는 비이온 화합물(ii)은 친수성-친지성 평형가(HLB, 계면활성제 상에 존재하는 극성(친수성)기와 비극성(친지성)기의 크기 및 강도를 의미한다)가 약 1 내지 약 40 범위, 및 일 구체예에서는 약 4 내지 약 15인 것이다. 이 화합물의 예는 문헌[McCutcheon's Emulsifiers and Detergents, 1998, North American & International Edition]에 개시되어 있다. 북미판 1 내지 235 페이지와 국제판 1 내지 199 페이지에는 HLB가 약 1 내지 약 40, 일 구체예에서는 약 1 내지 약 30, 다른 일 구체예에서는 약 1 내지 20, 다른 일 구체예에서는 약 1 내지 약 10 범위인 이온 및 비이온 화합물이 개시되어 있어 참조 인용하였다. 유용한 화합물로는 알칸올아미드, 알킬아릴설포네이트, 아민 옥사이드, 폴리(옥시알킬렌) 화합물, 예컨대 알킬렌 옥사이드 반복 단위를 포함하는 블록 공중합체, 카르복시화 알콜 에톡시화물, 에톡시화 알콜, 에톡시화 알킬 페놀, 에톡시화 아민 및 아미드, 에톡시화 지방산, 에톡시화 지방산 에스테르 및 오일, 지방산 에스테르, 지방산 아미드, 글리세롤 에스테르, 글리콜 에스테르, 소르비탄 에스테르, 이미다졸린 유도체, 레시틴 및 유도체, 리그닌 및 유도체, 모노글리세라이드 및 유도체, 올레핀 설포네이트, 포스페이트 에스테르 및 유도체, 프로폭시화 및 에톡시화 지방산 또는 알콜 또는 알킬 페놀, 소르비탄 유도체, 슈크로스 에스테르 및 유도체, 설페이트 또는 알콜 또는 에톡시화 알콜 또는 지방산 에스테르, 도데실 벤젠 및 트리데실 벤젠의 설포네이트 또는 축합된 나프탈렌 또는 석유, 설포숙시네이트 및 유도체, 및 트리데실 및 도데실 벤젠 설폰산이 있다.
일 구체예에서, 이온 또는 비이온 화합물(ii)은 탄소원자수가 약 12 내지 약 30개인 아실화제와 암모니아 또는 아민을 반응시켜 제조한 연료 용해성 산물이다. 아실화제는 탄소원자수가 약 12 내지 약 24개이고, 일 구체예에서는 약 12개 내지 약 18개이다. 아실화제는 카르복시산이거나 이의 반응성 등가물일 수 있다. 반응 성 등가물에는 산 할라이드, 무수물, 에스테르 등이 있다. 이 아실화제는 일가산 또는 다가산일 수 있다. 다가산으로는 트리카르복시산 및 테트라카르복시산이 사용될 수 있으나 바람직한 것은 디카르복시산이다. 이 아실화제는 지방산일 수 있다. 그 예로는 미리스트산, 팔미트산, 스테아르산, 올레산, 리놀레산, 리놀렌산 등이 있다. 이러한 아실화제는 하기 화학식으로 각각 표시되는 숙신산 또는 숙신산무수물일 수 있다.
이 식에서, R은 각각 탄소원자수가 약 10개 내지 약 28개, 및 일 구체예에서는 약 12개 내지 약 20개인 하이드로카르빌기이다. 그 예로는 테트라프로필렌 치환된 숙신산 또는 숙신산무수물, 헥사데실 숙신산 또는 숙신산무수물 등이 있다. 아민은 연료 용해성 산물(i)을 제조하는데 유용한 것으로서 전술한 임의의 아민일 수있다. 아실화제와 암모니아 또는 아민의 반응 산물은 염, 에스테르, 아미드, 이미드 또는 이들의 배합물일 수 있다. 염은 아실화제 분자의 잔기와 암모니아 또는 아민을 포함하여 카르복시기 중 하나가 그 기 내의 질소 원자에 이온 결합하게 되는 내부 염; 또는 이온 염 기가 동일 분자의 부분이 아닌 질소 원자에 형성되어 있는 외부 염일 수 있다. 아실화제와 암모니아 또는 아민 사이의 반응은 목적하는 산물을 형성시키는 조건하에 실시한다. 전형적으로는 아실화제와 암모니아 또는 아민을 함께 혼합하고 약 50 내지 약 250℃ 범위의 온도, 및 일 구체예에서는 약 80 내지 약 200℃의 온도로 가열하고; 경우에 따라 일반적으로 액체이며 실질적으로 불활성인 유기 액체 용매/희석액의 존재 하에 목적한 산물이 형성될 때까지 가열한다. 일 구체예에서, 아실화제와 암모니아 또는 아민은 암모니아 또는 아민 1 당량당 아실화제 약 0.3 내지 3 당량을 제공하기에 충분한 양으로 반응시킨다. 일 구체예에서, 이 반응비는 약 0.5:1 내지 약 2:1 범위이고, 일 구체예에서는 약 1:1 이다.
일 구체예에서, 이온 또는 비이온 화합물(ii)은 디메틸에탄올 아민과 헥사데실 숙신산무수물을 약 1:1 내지 약 1:1.5의 당량비(즉, 카르보닐 대 아민 비), 일 구체예에서는 약 1:1.35의 당량비로 반응시켜 제조한 에스테르/염이다.
이온 또는 비이온 화합물(ii)은 수성 연료 유제에 약 15 중량% 이하, 및 일 구체예에서는 약 0.01 내지 약 15 중량%, 및 다른 일 구체예에서는 약 0.01 내지 약 10 중량%, 및 다른 일 구체예에서는 약 0.01 내지 약 5 중량%, 및 다른 일 구체예에서는 약 0.01 내지 약 3 중량%, 및 다른 일 구체예에서는 약 0.1 내지 약 1 중량%의 농도로 제공될 수 있다.
수용성 화합물
수용성 화합물은 아민 염, 암모늄 염, 아지드 화합물, 니트로 화합물, 알칼리 금속염, 알칼리 토금속염, 또는 이의 2종 이상의 혼합물일 수 있다. 이 화합물은 전술한 연료 용해성 산물(i) 및 이온 또는 비이온 화합물(ii)과 상이한 것이다. 이러한 수용성 화합물로는 유기 아민 질산염, 질산 에스테르, 아지드, 니트라민 및 니트로 화합물이 있다. 또한, 알칼리 및 알칼리 토금속 탄산염, 황산염, 황화물, 설폰산염 등이 있다.
특히 하기 화학식으로 표시되는 아민 또는 암모늄 염이 유용하다:
k[G(NR3)y]y+nXp-
이 식에서 G는 수소 또는 탄소원자수가 1 내지 약 8개, 및 일 구체예에서는 1 내지 약 2개인 유기기이고, y의 원자가를 가지며; R은 각각 독립적으로, 수소 또는 탄소원자수가 1 내지 약 10개, 및 일 구체예에서는 1 내지 약 5개, 및 다른 일 구체예에서는 1 내지 약 2개인 하이드로카르빌기이고; Xp-는 p의 원자가를 가진 음이온이며; k, y, n 및 p는 각각 1 이상의 정수이다. G가 H인 경우 y는 1이다. 양전하 ky+의 총합은 음전하 nXp-의 총합과 동일하다. 일 구체예에서, X는 질산염 이온이고; 일 구체예에서는 아세트산염 이온이다. 그 예로는 질산 암모늄, 아세트산 암모늄, 질산 메틸암모늄, 아세트산 메틸암모늄, 에틸렌 디아민 디아세테이트, 질산 우레아, 우레아 및 질산 구아니디늄이 있다. 특히 질산 암모늄이 유용하다.
일 구체예에서, 수용성 화합물은 유제 안정화제로서 작용하며, 즉 수성 연료 유제를 안정화시키는 작용을 한다. 따라서, 일 구체예에서 수용성 화합물은 수성 연료 유제 중에 유제 안정화 함량으로 첨가된다.
일 구체예에서, 수용성 화합물은 연소 개량제로서 작용한다. 연소 개량제는 연료 조성물의 대량 연소율을 증가시키는 성질을 특징으로 한다. 이러한 연소 개량제의 존재는 엔진의 출력을 증가시키는 효과가 있다. 따라서, 일 구체예에서 수용성 화합물은 수성 연료 유제 중에 연소 증진 함량으로 첨가된다.
수용성 화합물은 수성 연료 유제 중에 약 0.001 내지 약 1 중량%, 및 일 구체예에서는 약 0.01 내지 약 1중량%의 농도로 첨가될 수 있다.
세탄 개량제
일 구체예에서, 수성 연료 유제는 세탄 개량제를 함유한다. 유용한 세탄 개량제로는 과산화물, 질산염, 아질산염, 니트로카바메이트 등이 있으며, 이에 제한되지 않는다. 유용한 세탄 개량제로는 니트로프로판, 디니트로프로판, 테트라니트로메탄, 2-니트로-2-메틸-1-부탄올, 2-메틸-2-니트로-1-프로판올 등이 있으며, 이에 제한되지 않는다. 또한, 일가 또는 다가일 수 있는 치환 또는 비치환된 지방족 또는 지환족 알콜의 질산염 에스테르도 포함된다. 그 예로는 탄소원자수가 약 10개 이하, 일 구체예에서는 약 2 내지 약 10개인 치환 및 비치환된 알킬 또는 사이클로알킬 질산염이 있다. 알킬기는 선형이거나 분지형 또는 선형이나 분지형 알킬기의 혼합물일 수 있다. 그 예로는 메틸 질산염, 에틸 질산염, n-프로필 질산염, 이소프로필 질산염, 알릴 질산염, n-부틸 질산염, 이소부틸 질산염, sec-부틸 질산염,tert-부틸 질산염, n-아밀 질산염, 이소아밀 질산염, 2-아밀 질산염, 3-아밀 질산염, tert-아밀 질산염, n-헥실 질산염, n-헵틸 질산염, n-옥틸 질산염, 2-에틸헥실 질산염, sec-옥틸 질산염, n-노닐 질산염, n-데실 질산염, 사이클로펜틸 질산염, 사이클로헥실 질산염, 메틸사이클로헥실 질산염, 및 이소프로필사이클로헥실 질산염이 있다. 또한, 알콕시 치환된 지방족 알콜의 질산염 에스테르, 예컨대 2-에톡시에틸 질산염, 2-(2-에톡시-에톡시)에틸 질산염, 1-메톡시프로필-2-질산염, 4-에톡시부틸 질산염 등은 물론 디올 질산염, 예컨대 1,6-헥사메틸렌 디니트레이트도 유용하다. 유용한 세탄 개량제는 2-에틸헥실 질산염이다.
수성 연료 유제 중에 첨가되는 세탄 개량제의 농도는 목적하는 세탄가를 갖는 유제를 제공하기에 충분한 임의의 농도일 수 있다. 일 구체예에서, 세탄 개량제의 농도는 약 10 중량% 이하, 및 일 구체예에서는 약 0.05 내지 약 10 중량%, 및 다른 일 구체예에서는 약 0.05 내지 약 5 중량%, 및 또 다른 일 구체예에서는 약 0.05 내지 약 1 중량%이다.
부가 첨가제
전술한 물질 외에도, 당업자에게 공지된 다른 연료 첨가제가 본 발명의 수성 연료 유제 중에 사용될 수 있다. 그 예로는 염료, 방청제(예컨대 알킬화된 숙신산 및 숙신산무수물), 정균제, 검 억제제, 금속 불활성제, 상부 실린더 윤활제 등이 있다. 이러한 부가 첨가제는 수성 연료 유제의 총 중량을 기준으로 약 1 중량% 이하, 및 일 구체예에서는 약 0.01 내지 약 1 중량%의 농도로 사용할 수 있다.
본 발명의 수성 연료 유제에 함유된 전술한 유화제를 비롯한 화학적 첨가제의 총 농도는 약 0.05 내지 약 30중량% 범위, 및 일 구체예에서는 약 0.1 내지 약 20중량%, 및 다른 일 구체예에서는 약 0.1 내지 약 15 중량% 범위, 및 다른 일 구체예에서는 약 0.1 내지 약 10 중량%, 및 다른 일 구체예에서는 약 0.1 내지 약 5중량% 범위일 수 있다.
유기 용매
전술한 유화제를 비롯한 첨가제는 실질적으로 불활성이고 일반적인 액체인 유기 용매, 예컨대 나프타, 벤젠, 톨루엔, 크실렌 또는 디젤 연료 등으로 희석되어 첨가제 농축물로 제조된 후 연료 및 물과 혼합되어 수성 연료 유제를 형성한다. 이 농축물은 일반적으로 상기 용매의 약 10 내지 약 90 중량%로 함유된다.
수성 연료 유제는 유기 용매를 약 60 중량% 이하, 및 일 구체예에서는 약 0.01 내지 약 50 중량%, 및 다른 일 구체예에서는 약 0.01 내지 약 20 중량%, 및 다른 일 구체예에서는 약 0.1 내지 약 5 중량%, 및 다른 일 구체예에서는 약 0.1 내지 약 3 중량%로 함유할 수 있다.
부동제
일 구체예에서, 본 발명의 수성 연료 유제는 부동제를 함유한다. 부동제는 전형적으로 알콜이다. 그 예로는 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 메탄올, 에탄올, 글리세롤 및 이의 2종 이상의 혼합물이 있으며, 이에 제한되지 않는다. 부동제는 전형적으로 수성 연료 유제에 사용된 물의 동결을 방지하기에 충분한 농도로 사용된다. 그 농도는 따라서 연료가 보관되거나 사용되는 온도에 따라 달라진다. 일 구체예에서, 농도는 수성 연료 유제의 중량을 기준으로 약 20 중량% 이하 수준이고, 다른 일 구체예에서는 약 0.1 내지 약 20 중량%이며, 다른 일 구체예에서는 약 1 내지 약 10 중량% 수준이다.

Claims (12)

  1. (1) 완전히 제형된 수성 탄화수소 연료 유제에 함유되는 탄화수소 연료 총량의 일부분,
    (2) 완전히 제형된 수성 탄화수소 연료 유제에 함유되는 거의 모든 유화제로서, (ⅰ) 탄소원자수가 약 50 내지 약 500개인 적어도 하나의 하이드로카르빌 치환된 카르복시산 아실화제를 암모니아 또는 아민과 반응시켜 제조한 적어도 하나의 연료 용해성 산물; (ⅱ) 친수성-친지성 평형가가 약 1 내지 약 40인 적어도 하나의 이온 또는 비이온 화합물; (ⅲ) (ⅰ) 및 (ⅱ)의 혼합물; 또는 (ⅳ) (ⅰ), (ⅱ) 또는 (ⅲ)과 배합된 아민염, 암모늄, 아지드 화합물, 니트로 화합물, 질산염 에스테르, 니트라민, 알칼리 금속염, 알칼리 토금속염 및 이의 혼합물로 구성된 그룹 중에서 선택된 수용성 화합물로 구성된 그룹에서 선택되는 유화제; 및
    (3) 완전히 제형된 수성 탄화수소 연료 유제에 함유되는 거의 모든 물로서, 물, 물 부동액, 물 질산암모늄, 또는 이들의 배합물로 구성된 그룹 중에서 선택된 것인 물을 포함하여,
    완전히 제형된 수성 탄화수소 연료 유제를 제조하는 데 사용되는, 평균 입자 비말 크기가 1 마이크론 이하인 안정한 농축된 수성 탄화수소 유제를 생성하는 농축된 수성 탄화수소 유제.
  2. 제 1 항에 있어서, 농축물 내에 유화제 총량 및 물 총량이 함유되는 것을 특징으로 하는 농축된 수성 탄화수소 유제.
  3. 제 1 항에 있어서, 탄화수소 연료의 일부분은 완전히 제형된 수성 탄화수소 연료의 약 0.5 중량% 내지 약 70 중량%의 범위이고; 유화제 총량은 완전히 제형된 수성 탄화수소 연료 유제의 약 0.05 중량% 내지 약 20 중량%의 범위이며; 물의 총량은 완전히 제형된 수성 탄화수소 연료 유제의 약 5 중량% 내지 약 50 중량%의 범위인 것을 특징으로 하는 농축된 수성 탄화수소 유제.
  4. 제 1 항에 있어서, 탄화수소 연료의 일부분은 완전히 제형된 수성 탄화수소 연료의 약 1 중량% 내지 약 40 중량%의 범위이고; 유화제 총량은 완전히 제형된 수성 탄화수소 연료 유제의 약 0.1 중량% 내지 약 10 중량%의 범위이며; 물의 총량은 완전히 제형된 수성 탄화수소 연료 유제의 약 15 중량% 내지 약 50 중량%의 범위인 것을 특징으로 하는 농축된 수성 탄화수소 유제.
  5. 제 1 항에 있어서, 농축된 수성 탄화수소 유제가 약 0.1 마이크론 내지 약 1 마이크론 범위의 평균 입자 비말 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 농축된 수성 탄화수소 유제.
  6. 제 1 항에 있어서, 세탄 개량제, 유기 용매, 부동제, 계면활성제와 다른 공지된 연료 첨가제 및 이들의 배합물로 이루어진 그룹 중에서 선택되는 첨가제를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 농축된 수성 탄화수소 유제.
  7. (1) (a) 완전히 제형된 수성 탄화수소 연료 유제 내에 존재하는 탄화수소 연료의 약 0.5 중량% 내지 약 70 중량% 범위인 탄화수소 연료의 일부분;
    (b) 완전히 제형된 수성 탄화수소 연료 유제의 약 0.05 중량% 내지 약 20 중량%의 범위로 존재하는 거의 모든 유화제로서, (ⅰ) 탄소원자수가 약 50 내지 약 500개인 적어도 하나의 하이드로카르빌 치환된 카르복시산 아실화제를 암모니아 또는 아민과 반응시켜 제조한 적어도 하나의 연료 용해성 산물; (ⅱ) 친수성-친지성 평형가가 약 1 내지 약 40인 적어도 하나의 이온 또는 비이온 화합물; (ⅲ) (ⅰ) 및 (ⅱ)의 혼합물; 또는 (ⅳ) (ⅰ), (ⅱ) 또는 (ⅲ)과 배합된 아민염, 암모늄염, 아지드 화합물, 니트로 화합물, 질산염 에스테르, 니트라민, 알칼리 금속염, 알칼리 토금속염 및 이의 혼합물로 구성된 그룹 중에서 선택된 수용성 화합물로 구성된 그룹에서 선택되는 유화제; 및
    (c) 완전히 제형된 수성 탄화수소 연료 유제의 약 5 중량% 내지 약 50 중량%의 범위로 존재하는 거의 모든 물로서, 물, 부동액, 질산암모늄, 및 이들의 배합물 중에서 선택된 것인 물을 유화시켜,
    평균 직경이 1 마이크론 미만인 물 입자 크기의 농축된 수성 탄화수소 연료 유제를 형성하는 단계를 포함하여 농축된 수성 탄화수소 연료 유제를 제조하는 단계;
    (2) 농축된 수성 탄화수소 연료 유제를 완전히 제형된 수성 탄화수소 연료유제 내 탄화수소 총량의 약 95 중량% 내지 약 50 중량% 범위인 탄화수소 연료의 나머지 부분으로 희석하여,
    평균 입자 비말 크기가 1 마이크론 이하이고 액체 탄화수소 연료 약 50 중량% 내지 약 99 중량% 및 물 약 1 중량% 내지 약 50 중량%를 포함하는 안정한 완전히 제형된 수성 탄화수소 연료를 제조하는 단계를 포함하는, 농축된 수성 탄화수소 연료 유제로부터 수성 탄화수소 연료 유제를 제조하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 유화제의 최종 부분 및 물의 최종 부분이 완전히 제형된 수성 탄화수소 연료 유제, 탄화수소 연료 및 이들의 배합물에 첨가되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 7 항에 있어서, 농축된 수성 탄화수소 유제를 제조하는 데 유화제의 총량이 완전히 제형된 수성 탄화수소 연료 산물의 약 0.1 중량% 내지 약 20 중량% 범위로 사용되고; 물은 완전히 제형된 수성 탄화수소 연료의 약 5 중량% 내지 약 50 중량%의 범위로 첨가되며; 추가로 세탄 개량제, 유기 용매, 부동제, 계면활성제, 다른 공지된 연료 첨가제 및 그 배합물로 구성된 그룹 중에서 선택된 첨가제가 완전히 제형된 수성 탄화수소 연료 유제의 약 0.0001 중량% 내지 약 10 중량%의 범위로 농축된 수성 탄화수소 유제에 첨가되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 7 항에 있어서, 농축된 수성 탄화수소 유제를 완전히 제형된 수성 탄화수소 유제의 약 95 중량% 내지 약 40 중량%의 범위인 탄화수소 연료 부분의 잔여량으로 희석하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 7 항에 있어서, 희석 단계가 혼합, 블렌딩, 에지테이션, 교반, 유화작용, 및 이들을 조합한 방법으로 구성된 그룹 중에서 선택된 방법에 의해 실시되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 7 항에 있어서, 배취 방법, 연속 방법, 또는 이들을 조합한 방법으로 구성된 그룹 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
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