WO2015080469A1 - 항공 가솔린 조성물 - Google Patents

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WO2015080469A1
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gasoline composition
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aviation
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이승준
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지에스칼텍스 주식회사
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    • C10L2200/043—Kerosene, jet fuel

Definitions

  • the present invention relates to aviation gasoline compositions.
  • Gasoline the most widely known petroleum product, refers to a liquid that boils in the range of 30 ⁇ 200 °C when fractionated crude oil. Gasoline is often referred to as gasoline. As the name suggests, gasoline is easy to evaporate at room temperature and is flammable.
  • Gasoline is widely used in the fields of automobile, aviation, and industry. Most cars use gasoline as fuel, and aviation gasoline is used as fuel for light aircraft with propellers. Industrial gasoline is used for dry cleaning, rubber industry, paint, and washing.
  • aviation gasoline is gasoline refined specifically for use in aircraft gasoline engines, and generally has a low distillation temperature, a high octane number, and low impurities.
  • branched C5 paraffin such as iso-pentane
  • an aromatic compound such as toluene was used in an amount of about 5% by volume or more compared to the total aviation gasoline composition.
  • an aromatic compound is a toxic substance, there is a problem that is harmful to human body and environment.
  • the present invention is to improve the safety and combustion performance of aviation gasoline, and to minimize the amount of toxic substances aromatic compounds, compared to the conventional aviation gasoline composition using a side chain type C5 paraffins and a large amount of toxic substances aromatic compounds, 75 volumes of hard alkylate % To 95% by volume; And from 5% to 25% by volume of a mixed C5 fraction containing linear C5 paraffins and C5 olefins.
  • the present invention provides 75 to 95 volume percent light alkylate; And 5% by volume to 25% by volume of a mixed C5 fraction containing linear C5 paraffins and C5 olefins.
  • It may further comprise 0.1% by volume to 5% by volume of the aromatic compound.
  • Tetra ethyl lead may further include 0.01 ml / l to 0.53 ml / l.
  • the boiling point of the hard alkylate may be 170 ° C. or less.
  • the mixed C5 fraction may be a pyrolysed naphtha cracked residue oil, a hydrocracked naphtha cracked residue oil or a fluidized catalytic cracking heavy oil cracked residue oil (FCC).
  • FCC fluidized catalytic cracking heavy oil cracked residue oil
  • the volume ratio of the linear C5 paraffins and the C5 olefins may be 15:85 to 95: 5.
  • the C5 olefin is 1-pentene, 2-pentene, 2-methyl-1-butene, 2-methyl-2-butene, 2-methyl -2-butene), 1,3-pentadiene (1,3-pentadiene), 1,4-pentadiene (1,4-pentadiene), 2,3-pentadiene (2,3-pentadiene), cyclopentene (cyclopentene), cyclopentadiene (cyclopentadiene) may be one or more selected from the group consisting of a mixture thereof.
  • the aromatic compound is composed of benzene, toluene, xylene, xylene, ethylbenzene, aniline, toluidine, phenol, cresol, and mixtures thereof. It may be one or more selected from the group.
  • the motor octane number of the aviation gasoline composition may be greater than or equal to 99.6.
  • Reid Vapor Pressure (RVP) of the aviation gasoline composition may be 38.0 kPa to 49.0 kPa.
  • a performance number of the aviation gasoline composition may be 130.0 or more.
  • the present invention provides 75 to 95 volume percent light alkylate; And 5 vol% to 25 vol% of a mixed C5 fraction containing linear C5 paraffins and C5 olefins, wherein the aerobic gasoline composition comprises the use of a mixed C5 fraction containing linear C5 paraffins and C5 olefins.
  • Combustion performance can be improved, and the amount of aromatic compounds, which are toxic substances, can be minimized.
  • FIG. 1 shows the relationship between the tetra ethyl lead content (TEL: tetra ethyl lead) according to ASTM D909-01.
  • the present invention provides 75 to 95 volume percent light alkylate; And 5% by volume to 25% by volume of a mixed C5 fraction containing linear C5 paraffins and C5 olefins.
  • Aviation gasoline composition according to the present invention may further comprise 0.1% by volume to 5% by volume of aromatic compounds.
  • the aviation gasoline composition according to the present invention may further include 0.01 ml / l to 0.53 ml / l of tetra ethyl lead (TEL).
  • TEL tetra ethyl lead
  • the aviation gasoline composition according to the present invention preferably comprises 75% by volume to 95% by volume of light alkylate, and more preferably includes 75% by volume to 85% by volume of light alkylate, but is not limited thereto.
  • the volume of the light alkylate is less than the above range, there is a problem that can reduce the main combustion performance, such as anti-knock performance or calorific value of aviation gasoline, the volume of the light alkylate exceeds the above range In this case, there is a problem that can not start the poor startability or abnormal combustion due to failure to meet the vapor pressure or distillation properties required by the aviation engine.
  • Alkylate is an alkylation reaction product, and refers to a high octane gasoline component synthesized mainly by alkylation.
  • butane fraction containing isobutane as a main component and butylene, isobutylene or propylene are reacted with hydrogen fluoride or sulfuric acid as a catalyst.
  • the main component is a branched paraffin mixture of various structures or by-products of C4 to C9. A certain amount is included.
  • the C4 to C9 by-products are also mostly composed of saturated hydrocarbons (usually 99.8 vol% or more), such as C4 to C9 paraffins, the C4 to C9 by-products of the alkylate, olefin (typically less than 0.1 vol%) and aromatic compounds ( 0.1 volume% or so) is only a small amount.
  • the alkylate has a boiling point of about 185 ° C., and the alkylate cannot be used as an aviation gasoline composition.
  • the aviation gasoline composition according to the present invention used light alkylate.
  • the boiling point of the hard alkylate is preferably 170 ° C. or less, which can be prepared by distillation and rerun of the alkylate. If the boiling point of the light alkylate exceeds 170 ° C., it may cause deterioration in oxidation stability and incomplete combustion of aviation gasoline.
  • the aviation gasoline composition according to the present invention preferably comprises 5% to 25% by volume of the mixed C5 fraction, and more preferably 15% to 25% by volume of the mixed C5 fraction, but is not limited thereto.
  • the volume of the mixed C5 fraction is less than the above range, there is a problem that does not meet the vapor pressure or distillation properties required by the aviation engine may cause poor starting or abnormal combustion, the volume of the mixed C5 fraction exceeds the above range In this case, there is a problem that may cause vapor lock or abnormal combustion due to failure to meet the vapor pressure or distillation properties required by the aviation engine.
  • the mixed C5 fraction according to the present invention is characterized in that it contains a large amount of C5 olefin, the C5 olefin in the mixed C5 fraction is intentionally or unintentionally mixed.
  • the mixed C5 fraction may be a pyrolysed naphtha cracked residue oil, a hydrocracked naphtha cracked residue oil or a fluidized catalytic cracking heavy oil cracked residue oil (FCC).
  • FCC fluidized catalytic cracking heavy oil cracked residue oil
  • the mixed C5 fraction may be decomposed under a specific catalyst at a specific temperature and a certain pressure condition.
  • the naphtha cracking residue can be pyrolysed in the presence of a specific catalyst at specific temperature and pressure conditions, or hydrocracked after pyrolysis to prepare a mixed C5 fraction containing linear C5 paraffins and C5 olefins.
  • a specific catalyst at specific temperature and pressure conditions
  • hydrocracked after pyrolysis to prepare a mixed C5 fraction containing linear C5 paraffins and C5 olefins.
  • pyrolysed it is possible to remove in advance the hetero compounds and metal components containing sulfur, nitrogen, oxygen, etc. which are impurities included in the naphtha decomposition residue.
  • linear C5 from naphtha cracking residues produced through hydrocracked reactions that occur as side reactions in the BTX process which reforms naphtha under specific catalysts at specific temperature and pressure conditions to produce benzene, toluene and xylene.
  • Mixed C5 fractions containing paraffins and C5 olefins can be prepared.
  • the naphtha decomposition residue oil may be removed in advance before the hydrocracked, through the pretreatment, the hetero compounds and metal components containing sulfur, nitrogen, oxygen, etc., which are impurities included in the naphtha decomposition residue oil.
  • the mixed C5 fraction may contain up to 75% by volume of C4- fraction, C6 + fraction, branched C5 paraffin and mixtures thereof, in addition to linear C5 paraffins and C5 olefins.
  • the C4- oil, the C6 + oil, the branched C5 paraffin and mixtures thereof may be impurities resulting from pyrolysis, hydrocracking or fluidized catalytic catalytic cracking, and impurities contained by intentional or unintentional mixing at the source or place of use. It may be.
  • the volume ratio of the linear C5 paraffin and the C5 olefin is preferably 15:85 to 95: 5, but is not limited thereto. At this time, when the volume ratio of the linear C5 paraffins and C5 olefins is less than 15:85, there is a problem that may cause oxidation stability degradation or incomplete combustion of the aviation gasoline, and the volume ratio of the linear C5 paraffins and C5 olefins exceeds 95: 5. In this case, there is a problem in that the safety and combustion performance improvement effects of aviation gasoline or the minimization of the use amount of aromatic compounds as toxic substances cannot be significantly increased.
  • the linear C5 paraffin may be n-pentane.
  • the C5 olefin is 1-pentene, 2-pentene, 2-methyl-1-butene, 2-methyl-2-butene, 2-methyl -2-butene), 1,3-pentadiene (1,3-pentadiene), 1,4-pentadiene (1,4-pentadiene), 2,3-pentadiene (2,3-pentadiene), cyclopentene (cyclopentene), cyclopentadiene (cyclopentadiene) may be one or more selected from the group consisting of a mixture thereof.
  • branched C5 paraffins such as iso-pentane
  • the flash point is excellent and the standard exothermic enthalpy (kJ / l) is high.
  • the use of mixed C5 fractions containing linear C5 paraffins and C5 olefins has the advantage of improving the safety and combustion performance of the aviation gasoline composition.
  • the linear C5 paraffin or C5 olefin has a higher flash point and a higher calorific value than the side chain C5 paraffin, and the specific contrast is as shown in Table 1 below.
  • n-pentane, 1-pentene, and 2-methyl-1-butene maintain the same flash point as iso-pentane, but have a high standard exothermic enthalpy (kJ / l).
  • cis-2-pentene, trans-2-pentene and 2-methyl-2-butene not only have a good flash point compared to iso-pentane, but also a high standard exothermic enthalpy (kJ / l).
  • the linear C5 paraffins or C5 olefins maintain or have an equivalent flash point compared to the branched C5 paraffins, and the standard exothermic enthalpy (kJ / l) is about 1.8% to about 5.0% higher.
  • the flash point means the lowest temperature ignited by an external flame when the increase generated by heating the fuel is mixed with air.
  • flash point is a standard to measure the safety of kerosene and diesel. It is not measured in the case of gasoline, but the air temperature at the high altitude lowers the air temperature, so it is similar to the flash point level of C4 to C5 series fuel. Considering that it can be an important specification for aviation gasoline. In this case, the lower the flash point, the higher the risk that an explosion may occur due to an external ignition source when a small amount of fuel leaks from the fuel tank in the aircraft. Since the C5 fraction in the aviation gasoline composition has the lightest physical properties, the flash point of the C5 fraction is particularly important for safety reasons.
  • the standard exothermic enthalpy (kJ / l) means the calorific value per unit volume, and the higher the calorific value, the higher the fuel efficiency and the combustion performance of the fuel, as well as the fatal accident caused by the lowering of the combustion performance during takeoff and maximum speed flight. Can be prevented.
  • Conventional aviation gasoline composition is characterized in that an aromatic compound such as toluene is used at least about 5% by volume compared to the total aviation gasoline composition.
  • an aromatic compound such as toluene is used at least about 5% by volume compared to the total aviation gasoline composition.
  • the total aromatic compound content in the total aviation gasoline composition is 14.61% by volume, 13.54% by volume and 13.71% by volume, respectively.
  • the total aromatic compound content means the total content of the by-products of the alkylate contained in the aromatic compound, but the by-product content of such alkylates is usually less than 0.1% by volume.
  • the aviation gasoline composition according to the present invention preferably further comprises 0.1% by volume to 5% by volume of the aromatic compound, more preferably 0.1% by volume to 3% by volume, but is not limited thereto.
  • the aromatic compound further contains in excess of the volume range, there is a problem that is harmful to the human body and the environment due to the increase of harmfulness, acute toxicity and carcinogens.
  • the aromatic compound further contains less than the volume range, if the motor octane number of the aviation gasoline composition can be sufficiently increased, there is no problem that the anti-knock performance of the aviation gasoline is lowered. It may be replaced with a chelate. In this case, only a small amount of aromatic compounds (usually around 0.1% by volume) as impurities present in the aviation gasoline composition.
  • aromatic compounds cause incomplete combustion and aviation engine sediment generation, minimizing the amount of the aromatic compounds can improve safety and combustion performance, and aromatic compounds are considerably expensive compared to other components of the aviation gasoline composition. There is an advantage that can contribute to the reduction of production cost by minimizing the usage.
  • the aviation gasoline composition according to the present invention is characterized by excellent safety and combustion performance, even if the amount of aromatic compounds used as toxic substances is minimized.
  • the aromatic compound is a component for increasing the motor octane number of the aviation gasoline composition, while harmful, acute toxicity and carcinogens, benzene, toluene, xylene, ethylbenzene, aniline It may be at least one selected from the group consisting of toluidine (toluidine), phenol (phenol), cresol and mixtures thereof.
  • the aviation gasoline composition according to the present invention preferably further comprises 0.01 ml / l to 0.53 ml / l of tetraethyl lead (TEL), more preferably 0.42 ml / l to 0.53 ml / l. Preferred but not limited thereto.
  • TEL tetraethyl lead
  • the tetraethyl lead is In the case of including more than the volume range, there is a problem that is harmful to the human body and the environment like the aromatic compound.
  • the motor octane number of the aviation gasoline composition may be greater than or equal to 99.6.
  • Reid Vapor Pressure (RVP) of the aviation gasoline composition may be 38.0 kPa to 49.0 kPa.
  • RVP Reid Vapor Pressure
  • the aviation gasoline composition has a problem that it is difficult to maintain the liquid phase.
  • the aviation gasoline composition maintains a motor octane number of 99.6 or more, and maintains a Reid Vapor Pressure (RVP) of 38.0 kPa to 49.0 kPa, thereby achieving the international standard ASTM D910 (Grade 100 / Grade). 100LL / Grade 100VLL) and Def-Stan 91-90.
  • RVP Reid Vapor Pressure
  • a performance number of the aviation gasoline composition may be 130.0 or more.
  • the figure of merit of an aviation gasoline composition is a number used to evaluate the anti-knock performance of aviation gasoline, which is determined to be proportional to the highest power of an aviation engine, which is tetra ethyl lead (TEL). It tends to increase in proportion to content.
  • the aviation gasoline composition according to the present invention can improve the safety and combustion performance of the aviation gasoline by using a mixed C5 fraction containing linear C5 paraffins and C5 olefins, and can minimize the amount of aromatic compounds that are toxic substances.
  • the mixed C5 fraction containing linear C5 paraffins and C5 olefins was prepared by receiving hydrogenated naphtha decomposition residue after pyrolysis at Lotte Chemical Co., Ltd. Yeosu Plant. 80 liters of light alkylate having a boiling point of 123 ° C, 17 liters of prepared C5 fraction, 3 liters of toluene, and 0.40 ml / l of tetraethyl lead (TEL) prepared by GS Caltex Yeosu Plant To prepare an aviation gasoline composition.
  • TEL ml / l of tetraethyl lead
  • the prepared mixed C5 fraction was n-pentane 4.0 l and 1-pentene, cis-2-pentene, trans-2-pentene, 2-methyl-1-butene and 2-methyl-2-butene 9.4 liters of C5 olefin made up.
  • the first experimental results of the performance index (Performance Number) of the aviation gasoline composition according to the embodiment is 129.6, slightly below the international standard (130.0 or more) of the aviation gasoline, Tetra specified in FIG.
  • the index of performance is 130.1, and 0.03 ml / of tetra ethyl lead (TEL).
  • TEL tetra ethyl lead
  • the aviation gasoline composition according to the first embodiment satisfies all the specifications according to the test items of ASTM D910 (Grade 100 / Grade 100LL / Grade 100VLL) and Def-Stan 91-90 which are international standards of aviation gasoline.
  • ASTM D910 Grade 100 / Grade 100LL / Grade 100VLL
  • Def-Stan 91-90 which are international standards of aviation gasoline.
  • the aviation gasoline composition according to the embodiment maintained a Reid Vapor Pressure (RVP) of 39.2 to 43.2 kPa while maintaining a motor Octane Number of at least 100.1, thereby improving safety and combustion performance.
  • RVP Reid Vapor Pressure
  • the aviation gasoline composition according to the third embodiment has the highest performance index of 136.5.

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Abstract

본 발명은 경질 알킬레이트 75 부피% 내지 95 부피%; 및 선형 C5 파라핀 및 C5 올레핀을 함유하는 혼합 C5 유분 5 부피% 내지 25 부피%를 포함하는 항공 가솔린 조성물에 관한 것이다.

Description

항공 가솔린 조성물
본 발명은 항공 가솔린 조성물에 관한 것이다.
석유제품으로 가장 널리 알려진 가솔린은 원유를 분별증류 하였을 때, 30~200℃ 범위에서 끓는 액체를 말한다. 가솔린은 흔히 휘발유라고 부르기도 하는데, 이름을 통해 알 수 있듯이 상온에서 증발하기 쉽고 인화성이 좋아 공기와 혼합되면 폭발성을 지닌다.
가솔린은 자동차, 항공, 공업 등의 분야에 널리 쓰이고 있다. 대부분의 자동차들이 가솔린을 연료로 사용하고 있으며, 항공 가솔린은 프로펠러가 달린 경비행기의 연료로 사용되고 있다. 공업 가솔린은 드라이 크리닝이나 고무공업용, 도료용, 세척용 등으로 사용되고 있다.
특히, 항공 가솔린이란 특별히 항공기용 가솔린 기관에 적합하도록 정제된 가솔린으로 일반적으로 증류 온도가 낮고, 옥탄가가 높으며, 불순물이 적다.
종래 항공 가솔린 조성물에는 C5 유분으로 iso-펜탄(iso-pentane) 등 측쇄형 C5 파라핀이 사용되었다. 또한, 종래 항공 가솔린 조성물에는 톨루엔 등 방향족 화합물이 전체 항공 가솔린 조성물 대비 약 5 부피% 이상 사용되었는바, 이러한 방향족 화합물은 독성 물질로서, 인체 및 환경에 유해한 문제점이 있었다.
본 발명은 측쇄형 C5 파라핀과 독성 물질인 방향족 화합물 다량을 사용한 종래 항공 가솔린 조성물 대비, 항공 가솔린의 안전성 및 연소성능을 향상시키고, 독성 물질인 방향족 화합물 사용량을 최소화하기 위한 것으로, 경질 알킬레이트 75 부피% 내지 95 부피%; 및 선형 C5 파라핀 및 C5 올레핀을 함유하는 혼합 C5 유분 5 부피% 내지 25 부피%를 포함하는 항공 가솔린 조성물을 제공하고자 한다.
그러나, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 경질 알킬레이트 75 부피% 내지 95 부피%; 및 선형 C5 파라핀 및 C5 올레핀을 함유하는 혼합 C5 유분 5 부피% 내지 25 부피%를 포함하는 항공 가솔린 조성물을 제공한다.
방향족 화합물 0.1 부피% 내지 5 부피%를 더 포함할 수 있다.
테트라에틸납(TEL: tetra ethyl lead) 0.01 ㎖/ℓ 내지 0.53 ㎖/ℓ를 더 포함할 수 있다.
상기 경질 알킬레이트의 끓는점이 170℃ 이하일 수 있다.
상기 혼합 C5 유분은 열분해된(pyrolysed) 나프타 분해 잔사유, 수소화분해된(hydrocracked) 나프타 분해 잔사유 또는 유동층 촉매접촉분해(FCC: fluidized catalytic cracking)된 중질유 분해 잔사유일 수 있다.
상기 선형 C5 파라핀 및 상기 C5 올레핀의 부피비는 15:85 내지 95:5 일 수 있다. 상기 C5 올레핀은 1-펜텐(1-pentene), 2-펜텐(2- pentene), 2-메틸-1-부텐(2-methyl-1-butene), 2-메틸-2-부텐(2-methyl-2-butene), 1,3-펜타디엔(1,3-pentadiene), 1,4-펜타디엔(1,4-pentadiene), 2,3-펜타디엔(2,3-pentadiene), 시클로펜텐(cyclopentene), 시클로펜타디엔(cyclopentadiene) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다.
상기 방향족 화합물은 벤젠(benzene), 톨루엔(toluene), 크실렌(xylene), 에틸벤젠(ethylbenzene), 아닐린(aniline), 톨루이딘(toluidine), 페놀(phenol), 크레졸(cresol) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다.
상기 항공 가솔린 조성물의 모터 옥탄가(Motor Octane Number)가 99.6 이상일 수 있다.
상기 항공 가솔린 조성물의 레이드 증기압(RVP: Reid Vapor Pressure)이 38.0 kPa 내지 49.0 kPa일 수 있다.
상기 항공 가솔린 조성물의 성능 지수(Performance Number)가 130.0 이상일 수 있다.
본 발명은 경질 알킬레이트 75 부피% 내지 95 부피%; 및 선형 C5 파라핀 및C5 올레핀을 함유하는 혼합 C5 유분 5 부피% 내지 25 부피%를 포함하는 항공 가솔린 조성물에 관한 것으로, 선형 C5 파라핀 및 C5 올레핀을 함유하는 혼합 C5 유분을 사용함으로써 항공 가솔린의 안전성 및 연소성능을 향상시킬 수 있고, 독성 물질인 방향족 화합물 사용량을 최소화할 수 있다.
도 1은 ASTM D909-01에 따른 테트라에틸납 함량(TEL: tetra ethyl lead)과 성능 지수의 관계를 나타낸 것이다.
본 발명자들은 항공 가솔린 조성물에 사용되는 측쇄형 C5 파라핀의 대체 물질에 대해 연구하던 중, 선형 C5 파라핀 및 C5 올레핀을 함유하는 혼합 C5 유분을 사용함으로써, 안전성 및 연소성능이 향상된 항공 가솔린을 제조할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 경질 알킬레이트 75 부피% 내지 95 부피%; 및 선형 C5 파라핀 및 C5 올레핀을 함유하는 혼합 C5 유분 5 부피% 내지 25 부피%를 포함하는 항공 가솔린 조성물을 제공한다.
본 발명에 따른 항공 가솔린 조성물은 방향족 화합물 0.1 부피% 내지 5 부피%를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 항공 가솔린 조성물은 테트라에틸납(TEL: tetra ethyl lead) 0.01 ㎖/ℓ 내지 0.53 ㎖/ℓ를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 항공 가솔린 조성물은 경질 알킬레이트 75 부피% 내지 95 부피%를 포함하는 것이 바람직하고, 경질 알킬레이트 75 부피% 내지 85 부피%를 포함하는 것이 더욱 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 이때, 경질 알킬레이트의 부피가 상기 범위 미만인 경우, 항공 가솔린의 안티노크(anti-knock) 성능 또는 발열량 등의 주요 연소성능을 저하시킬 수 있는 문제점이 있고, 경질 알킬레이트의 부피가 상기 범위를 초과하는 경우, 항공 엔진이 요구하는 증기압 또는 증류성상을 충족하지 못하여 시동성 불량 또는 이상 연소를 유발할 수 있는 문제점이 있다.
알킬레이트는 알킬화 반응 생성물로서, 주로 알킬화법에 의해 합성한 높은 옥탄가 가솔린 성분을 말한다. 일반적으로, 이소부탄을 주성분으로 하는 부탄 유분과 부틸렌, 이소부틸렌 또는 프로필렌을 플루오르화 수소 또는 황산을 촉매로 하여 반응시킨 것으로, 주성분은 각종 구조의 측쇄형 파라핀 혼합물이나, C4~C9 부산물들이 일정량 포함되어 있다. 이때, C4~C9 부산물들 역시 대부분 C4~C9 파라핀과 같은 포화 탄화수소(통상 99.8 부피% 이상)로 구성되는바, 알킬레이트의 C4~C9 부산물로서, 올레핀(통상 0.1 부피% 미만)과 방향족 화합물(통상 0.1 부피% 내외)은 미량에 불과하다.
일반적인 알킬레이트는 끓는점이 약 185℃ 내외인 것으로, 이러한 알킬레이트는 항공 가솔린 조성물로 사용이 불가능한바, 본 발명에 따른 항공 가솔린 조성물은 경질 알킬레이트(light alkylate)를 사용하였다.
상기 경질 알킬레이트의 끓는점이 170℃ 이하인 것이 바람직한데, 이는 알킬레이트의 증류 및 재증류(rerun)을 통해 제조할 수 있다. 경질 알킬레이트의 끓는점이 170℃를 초과하는 경우, 항공 가솔린의 산화안정성 저하 및 불완전 연소를 유발할 수 있다.
본 발명에 따른 항공 가솔린 조성물은 혼합 C5 유분 5 부피% 내지 25 부피%를 포함하는 것이 바람직하고, 혼합 C5 유분 15 부피% 내지 25 부피%를 포함하는 것이 더욱 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 이때, 혼합 C5 유분의 부피가 상기 범위 미만인 경우, 항공 엔진이 요구하는 증기압 또는 증류성상을 충족하지 못하여 시동성 불량 또는 이상 연소를 유발할 수 있는 문제점이 있고, 혼합 C5 유분의 부피가 상기 범위를 초과하는 경우, 항공 엔진이 요구하는 증기압 또는 증류성상을 충족하지 못하여 증기 폐쇄(Vapor Lock) 또는 이상 연소를 유발할 수 있는 문제점이 있다.
자연계에 존재하는 C5 올레핀은 거의 0 부피%에 가깝기 때문에, 항공 가솔린 조성물 중 올레핀을 0.1 부피% 이상 포함시키기 위해서는 의도적 또는 비의도적으로 올레핀을 혼합하여야만 한다. 즉, 본 발명에 따른 혼합 C5 유분은 C5 올레핀을 다량 함유하고 있는 것을 특징으로 하는바, 혼합 C5 유분 내 C5 올레핀이 의도적 또는 비의도적으로 혼합된 것이다. 상기 혼합 C5 유분은 열분해된(pyrolysed) 나프타 분해 잔사유, 수소화분해된(hydrocracked) 나프타 분해 잔사유 또는 유동층 촉매접촉분해(FCC: fluidized catalytic cracking)된 중질유 분해 잔사유일 수 있다. 이때, 혼합 C5 유분은 특정 온도 및 특정 압력 조건에서 특정 촉매 하에 분해된 것일 수 있다.
나프타 분해 잔사유를 특정 온도 및 특정 압력 조건에서 특정 촉매 존재 하에 열분해(pyrolysed)하거나 열분해 후 수소화처리를 통해 선형 C5 파라핀 및 C5 올레핀을 함유하는 혼합 C5 유분을 준비할 수 있다. 또한, 나프타 분해 잔사유는 열분해되기(pyrolysed) 전, 전처리를 통해 나프타 분해 잔사유에 포함된 불순물인 황, 질소, 산소 등이 함유된 헤테로 화합물 및 금속 성분 등을 미리 제거할 수 있다.
또한, 나프타를 특정 온도 및 특정 압력 조건에서 특정 촉매 하에 개질(reforming)하여 벤젠, 톨루엔, 크실렌을 생산하는 BTX 공정에서 부 반응으로 일어나는 수소화분해(hydrocracked)를 통해 생성된 나프타 분해 잔사유로부터 선형 C5 파라핀 및 C5 올레핀을 함유하는 혼합 C5 유분을 준비할 수 있다. 또한, 나프타 분해 잔사유는 수소화분해되기(hydrocracked) 전, 전처리를 통해 나프타 분해 잔사유에 포함된 불순물인 황, 질소, 산소 등이 함유된 헤테로 화합물 및 금속 성분 등을 미리 제거할 수 있다. 이와 같이, 혼합 C5 유분으로 BTX 공정 중 수소화분해된 (hydrocracked) 나프타 분해 잔사유를 사용하는 경우, 혼합 C5 유분을 15 부피% 미만으로 사용하더라도, 항공 엔진이 요구하는 증기압 또는 증류성상을 충족시킬 수 있는 이점이 있다. 또한, 중질유 분해 잔사유를 특정 온도 및 특정 압력 조건에서 특정 촉매 존재하에 유동층 촉매접촉분해(FCC: fluidized catalytic cracking)를 통해 선형 C5 파라핀 및 C5 올레핀을 함유하는 혼합 C5 유분을 준비할 수도 있다.
상기 혼합 C5 유분은 선형 C5 파라핀 및 C5 올레핀 외에, C4- 유분, C6+ 유분, 측쇄형 C5 파라핀 및 이들의 혼합물을 75 부피% 이내로 함유할 수 있다. 이때, C4- 유분, C6+ 유분, 측쇄형 C5 파라핀 및 이들의 혼합물은 열분해, 수소화분해 또는 유동층 촉매접촉분해에 따른 불순물일 수 있고, 공급처 또는 사용처에서 의도적 또는 비의도적인 임의 혼합에 의해 함유되는 불순물일 수도 있다.
상기 선형 C5 파라핀 및 상기 C5 올레핀의 부피비는 15:85 내지 95:5 인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 이때, 선형 C5 파라핀 및 C5 올레핀의 부피비가 15:85 미만인 경우에는 항공 가솔린의 산화안정성 저하 또는 불완전 연소 등을 발생시킬 수 있는 문제점이 있고, 선형 C5 파라핀 및 C5 올레핀의 부피비가 95:5를 초과하는 경우에는 항공 가솔린의 안전성 및 연소성능 향상 효과 또는 독성 물질인 방향족 화합물 사용량 최소화 효과를 현저히 높일 수 없는 문제점이 있다. 상기 선형 C5 파라핀은 n-펜탄(n-pentane)일 수 있다.
상기 C5 올레핀은 1-펜텐(1-pentene), 2-펜텐(2- pentene), 2-메틸-1-부텐(2-methyl-1-butene), 2-메틸-2-부텐(2-methyl-2-butene), 1,3-펜타디엔(1,3-pentadiene), 1,4-펜타디엔(1,4-pentadiene), 2,3-펜타디엔(2,3-pentadiene), 시클로펜텐(cyclopentene), 시클로펜타디엔(cyclopentadiene) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다.
종래 항공 가솔린 조성물에는 C5 유분으로 iso-펜탄(iso-pentane) 등 측쇄형 C5 파라핀이 사용되었으나, 본 발명에서는 측쇄형 C5 파라핀의 대체 물질로 인화점이 우수하고 표준 발열 엔탈피(kJ/ℓ)가 높은 선형 C5 파라핀 및 C5 올레핀을 함유하는 혼합 C5 유분을 사용하였는바, 항공 가솔린 조성물의 안전성 및 연소성능을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
이때, 선형 C5 파라핀 또는 C5 올레핀은 측쇄형 C5 파라핀 대비 높은 인화점과 높은 발열량을 가지는 것으로, 구체적인 대비는 하기 표 1에 기재된 바와 같다.
표 1
C5 유분 인화점(℃) 몰질량(g/mol) 밀도(g/ℓ) 표준 발열 엔탈피(kJ/mol) 환산 표준 발열 엔탈피(kJ/ℓ) 환산 표준 발열 엔탈피 비교(%)
측쇄형 C5 파라핀 iso-펜탄 -51 72.15 616 -3504.4 -29919.76 100.0
선형 C5 파라핀 n-펜탄 -49 72.15 626 -3509.0 -30445.38 101.8
C5 올레핀 1-펜텐 -51 70.13 641 -3349.7 -30616.82 102.3
cis-2-펜텐 -18 70.13 650 -3343.2 -30986.45 103.6
trans-2-펜텐 -18 70.13 649 -3338.7 -30897.14 103.3
2-메틸-1-부텐 -48 70.13 650 -3335.74 -30917.31 103.3
2-메틸-2-부텐 -20 70.13 662 -3328.6 -31420.69 105.0
상기 표 1에 나타난 바와 같이, n-펜탄, 1-펜텐, 및 2-메틸-1-부텐은 iso-펜탄 대비 인화점은 동등한 수준을 유지하나, 표준 발열 엔탈피(kJ/ℓ)가 높다. cis-2-펜텐, trans-2-펜텐 및 2-메틸-2-부텐은 iso-펜탄 대비 인화점이 우수할 뿐만 아니라, 표준 발열 엔탈피(kJ/ℓ) 또한 높다.
즉, 선형 C5 파라핀 또는 C5 올레핀은 측쇄형 C5 파라핀 대비 인화점은 동등한 수준을 유지하거나 우수하고, 표준 발열 엔탈피(kJ/ℓ)는 약 1.8% 내지 약 5.0% 높다.
이때, 인화점은 연료가 가열되어 발생한 증가가 공기와 혼합되었을 때, 외부의 불꽃에 의해 착화되는 가장 낮은 온도를 의미하는 것이다. 일반적으로 인화점은 등유 및 경유의 안전성을 평가하기 위해 측정하는 규격으로, 통상적인 가솔린의 경우 측정하지 않으나, 높은 고도에서 항공 비행시 대기온도가 낮아져 C4 내지 C5 계열 연료의 인화점 수준과 유사한 환경이 될 수 있다는 점을 고려한다면, 항공 가솔린의 경우에는 중요한 규격이다. 이때, 인화점이 낮을수록 항공기 내 연료탱크에서 연료가 소량 누출되었을 때, 외부 점화원에 의해 폭발 사고가 발생할 위험성이 높다. 항공 가솔린 조성물 내 C5 유분이 가장 가벼운 물성을 가지므로, C5 유분의 인화점이 안전상 특히 중요하다.
또한, 표준 발열 엔탈피(kJ/ℓ)는 단위 부피당 발열량을 의미하는 것으로, 발열량이 높을수록 연료의 연비, 출력 등 연소성능을 향상시킬 뿐만 아니라, 이륙 및 최대속도 비행시 연소성능 저하에 의한 치명적인 사고를 예방할 수 있다.
종래 항공 가솔린 조성물에는 톨루엔 등 방향족 화합물이 전체 항공 가솔린 조성물 대비 약 5 부피% 이상 사용된 것을 특징으로 한다. 구체적으로, A사, B사 및 C사 제품의 항공 가솔린 조성물을 분석한 결과, 전체 항공 가솔린 조성물 내 총 방향족 화합물 함량이 각각 14.61 부피%, 13.54 부피% 및 13.71 부피%인 것으로 확인된다. 이때, 총 방향족 화합물 함량은 방향족 화합물에 알킬레이트의 부산물이 포함된 총 함량을 의미하나, 이러한 알킬레이트의 부산물 함량은 통상 0.1 부피% 미만이다.
본 발명에 따른 항공 가솔린 조성물은 방향족 화합물 0.1 부피% 내지 5 부피%를 더 포함하는 것이 바람직하고, 0.1 부피% 내지 3 부피%를 더 포함하는 것이 보다 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 이때, 방향족 화합물이 상기 부피 범위를 초과하여 더 포함하는 경우, 유해성, 급성 독성 및 발암 물질의 증가로 인하여 인체 및 환경에 유해한 문제점이 있다.
이때, 방향족 화합물이 상기 부피 범위 미만을 더 포함하더라도, 항공 가솔린 조성물의 모터 옥탄가를 충분히 높일 수 있어 항공 가솔린의 안티노크(anti-knock) 성능이 저하되는 문제점이 없다면, 방향족 화합물의 전량을 경질 알킬레이트로 대체하여도 좋다. 이러한 경우, 항공 가솔린 조성물 내 존재하는 불순물로서 방향족 화합물(통상 0.1 부피% 내외)은 미량에 불과하다.
방향족 화합물 중 톨루엔의 경우, 경질 알킬레이트와 비교할때, 질량당 순 발열량이 현저히 낮으므로, 항공 가솔린 조성물에 톨루엔 등 방향족 화합물이 많이 포함되어 있을수록 연비, 출력 등 연소성능이 저하되는 문제점이 있다.
또한, 방향족 화합물은 불완전 연소 및 항공 엔진 퇴적물 발생의 원인이 되므로, 이의 사용량을 최소화함으로써 안전성 및 연소성능을 향상시킬 수 있고, 방향족 화합물은 항공 가솔린 조성물의 다른 성분에 비해 상당히 고가에 해당하므로, 이의 사용량을 최소화함으로써 생산원가 절감에 기여할 수 있는 이점이 있다.
즉, 본 발명에 따른 항공 가솔린 조성물은 독성 물질인 방향족 화합물 사용량을 최소화하더라도, 안전성 및 연소성능이 우수한 특징이 있다.
상기 방향족 화합물은 항공 가솔린 조성물의 모터 옥탄가를 높이기 위한 성분인 반면 유해성, 급성 독성 및 발암 물질로서, 벤젠(benzene), 톨루엔(toluene), 크실렌(xylene), 에틸벤젠(ethylbenzene), 아닐린(aniline), 톨루이딘(toluidine), 페놀(phenol), 크레졸(cresol) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다.
본 발명에 따른 항공 가솔린 조성물은 테트라에틸납(TEL: tetra ethyl lead) 0.01 ㎖/l 내지 0.53 ㎖/l를 더 포함하는 것이 바람직하고, 0.42 ㎖/l 내지 0.53 ㎖/l를 더 포함하는 것이 보다 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 이때, 테트라에틸납이 상기 부피 범위 미만을 더 포함하는 경우, 항공 가솔린 조성물의 모터 옥탄가를 충분히 높이지 못하여 항공 가솔린의 안티노크(anti-knock) 성능이 저하되는 문제점이 있고, 테트라에틸납이 상기 부피 범위를 초과하여 더 포함하는 경우, 방향족 화합물과 마찬가지로 인체 및 환경에 유해한 문제점이 있다.
상기 항공 가솔린 조성물의 모터 옥탄가(Motor Octane Number)가 99.6 이상일 수 있다.
상기 항공 가솔린 조성물의 레이드 증기압(RVP: Reid Vapor Pressure)이 38.0 kPa 내지 49.0 kPa일 수 있다. 이때, 항공 가솔린 조성물의 레이드 증기압이 38.0 kPa 미만인 경우에는 항공기 시동이 걸리지 않는 문제점이 있고, 항공 가솔린 조성물의 레이드 증기압이 49.0 kPa를 초과하는 경우에는 항공 가솔린 조성물이 액상을 유지하기 어려운 문제점이 있다.
상기 항공 가솔린 조성물은 99.6 이상의 모터 옥탄가(Motor Octane Number)를 유지하고, 38.0 kPa 내지 49.0 kPa의 레이드 증기압(RVP: Reid Vapor Pressure)을 유지함으로써, 항공 가솔린의 국제 규격인 ASTM D910(Grade 100/Grade 100LL/Grade 100VLL) 및 Def-Stan 91-90을 충족시킬 수 있다.
상기 항공 가솔린 조성물의 성능 지수(Performance Number)가 130.0 이상일 수 있다. 항공 가솔린 조성물의 성능 지수란, 항공 가솔린의 안티노크(anti-knock) 성능 평가에 사용되는 수치인 것으로, 이는 항공 엔진의 최고 출력에 비례하도록 정해지며, 이는 테트라에틸납(TEL: tetra ethyl lead) 함량과 비례하여 증가하는 경향이 있다.
이때, ASTM D909-01에 따른 테트라에틸납 함량(TEL: tetra ethyl lead)과 성능 지수의 관계는 도1에 나타내었다.
따라서, 본 발명에 따른 항공 가솔린 조성물은 선형 C5 파라핀 및 C5 올레핀을 함유하는 혼합 C5 유분을 사용함으로써 항공 가솔린의 안전성 및 연소성능을 향상시킬 수 있고, 독성 물질인 방향족 화합물 사용량을 최소화할 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 하기 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
실시예
롯데케미칼 주식회사 여수공장에서 열분해 후 수소화처리된 나프타 분해 잔사유를 공급받아 선형 C5 파라핀 및 C5 올레핀을 함유하는 혼합 C5 유분을 준비하였다. GS칼텍스 주식회사 여수공장에서 제조한 끓는점이 123℃인 경질 알킬레이트(light alkylate) 80ℓ, 준비된 혼합 C5 유분 17ℓ, 톨루엔(toluene) 3ℓ 및 테트라에틸납(TEL: tetra ethyl lead) 0.40 ㎖/l를 혼합하여 항공 가솔린 조성물을 제조하였다. 이때, 준비된 혼합 C5 유분은 n-펜탄(n-pentane) 4.0ℓ 및 1-펜텐, cis-2-펜텐, trans-2-펜텐, 2-메틸-1-부텐 및 2-메틸-2-부텐으로 이루어진 C5 올레핀 9.4ℓ를 함유한다.
실험예
실시예에 따른 항공 가솔린 조성물이 항공 가솔린의 국제 규격인 ASTM D910(Grade 100/Grade 100LL/Grade 100VLL) 및 Def-Stan 91-90을 충족하는지 확인하고자, 하기 표 2와 같은 1~4차 반복 실험을 수행하였다.
표 2
실험 항목 실험 방법 항공 가솔린의 국제 규격 실험결과
1차 2차 3차 4차
구리-스트립, @100℃, 2시간 ASTM D130 최대 1b 1a 1a 1a 1a
증류 10%, EVA(℃) ASTM D86 최대 75 68.5 65.9 66.2 66.2.566.2
Recovery, 40%(℃) 최대 75 97 96.5 94.7 96.5
50%, EVA(℃) 최대 105 101.3 102.3 101.1 102.3
90%, EVA(℃) 최대 135 110.7 114.4 110.6 111.6
EP(℃) 최대 170 124 161.0 135.0 135.0
EVA 10+50(℃) 최소 135 169.8 168.2 167.3 168.4
Recovery(부피%) 최소 97.0 97.5 97.5 97.5 97.5
Residue(부피%) 최대 1.5 1.0 1.0 1.0 1.0
Loss(부피%) 최대 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5
밀도, @15℃(㎏/ℓ) ASTM D1298 - 0.7037 0.7060 0.7054 0.7047
모터 옥탄가 ASTM D2700 최소 99.6 100.9 100.1 101.0 101.4
성능 지수 ASTM D909 130.0 이상 129.6 134.3 136.5 134.6
테트라에틸납, ml TEL/L ASTM D5059 0.53 이하 0.40 0.42 0.47 0.48
레이드 증기압, @37.8℃(kPa) ASTM D5191 38.0 ~ 49.0 39.2 42.5 43.2 42.7
황(중량%) ASTM D4294 최대 0.05 0.001 0.0002 0.0003 0.0003
순발열량(MJ/kg) ASTM D3338 최소 43.5 44.178 44.172 44.174 44.196
어는점(℃) ASTM D2386 최대 -58 L-75 L-70 L-70 L-70
수분 반응도(㎖) ASTM D1094 최대 ±2 0.0 0.0 0.0 0.0
산화 안정도(5시간 숙성,) ASTM D873 최대 2 0 0 0 0
전기 전도도(Ps/m) ASTM D2624 최대 450 0 0 0 0
상기 표 2에 나타난 바와 같이, 1차 실험 결과 실시예에 따른 항공 가솔린 조성물의 성능지수(Performance Number)는 129.6으로서, 항공 가솔린의 국제 규격(130.0 이상)을 소폭 하회하였으나, 상기 도 1에 명시된 테트라에틸납 함량과 성능 지수의 비례 관계에 따라, 테트라에틸납(TEL: tetra ethyl lead) 0.01 ㎖/l를 추가 혼합할 경우130.1의 성능지수로, 테트라에틸납(TEL: tetra ethyl lead) 0.03 ㎖/l를 추가 혼합할 경우 131.1의 높은 성능 지수로 용이하게 보정 가능함을 확인할 수 있었다. 따라서, 1차 실험 결과 실시예에 따른 항공 가솔린 조성물은 항공 가솔린의 국제 규격인 ASTM D910(Grade 100/Grade 100LL/Grade 100VLL) 및 Def-Stan 91-90의 실험 항목에 따른 규격을 모두 만족함을 알 수 있었다.
반복 실험 결과 실시예에 따른 항공 가솔린 조성물은 최소 100.1의 모터 옥탄가(Motor Octane Number)를 유지하면서도, 39.2~43.2 kPa의 레이드 증기압(RVP: Reid Vapor Pressure)을 유지하였는바, 안전성 및 연소성능이 향상됨을 확인할 수 있었다.
특히, 3차 실험 결과 실시예에 따른 항공 가솔린 조성물은 136.5의 가장 높은 성능 지수를 가짐을 확인할 수 있었다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (11)

  1. 경질 알킬레이트 75 부피% 내지 95 부피%; 및
    선형 C5 파라핀 및 C5 올레핀을 함유하는 혼합 C5 유분 5 부피% 내지 25 부피%를 포함하는
    항공 가솔린 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    방향족 화합물 0.1 부피% 내지 5 부피%를 더 포함하는
    항공 가솔린 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    테트라에틸납(TEL: tetra ethyl lead) 0.01 ㎖/ℓ 내지 0.53 ㎖/ℓ를 더 포함하는
    항공 가솔린 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 경질 알킬레이트의 끓는점이 170℃ 이하인
    항공 가솔린 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 혼합 C5 유분은 열분해된(pyrolysed) 나프타 분해 잔사유, 수소화분해된(hydrocracked) 나프타 분해 잔사유 또는 유동층 촉매접촉분해(FCC: fluidized catalytic cracking)된 중질유 분해 잔사유인
    항공 가솔린 조성물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 선형 C5 파라핀 및 상기 C5 올레핀의 부피비는 15:85 내지 95:5 인
    항공 가솔린 조성물.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 C5 올레핀은 1-펜텐(1-pentene), 2-펜텐(2- pentene), 2-메틸-1-부텐(2-methyl-1-butene), 2-메틸-2-부텐(2-methyl-2-butene), 1,3-펜타디엔(1,3-pentadiene), 1,4-펜타디엔(1,4-pentadiene), 2,3-펜타디엔(2,3-pentadiene), 시클로펜텐(cyclopentene), 시클로펜타디엔(cyclopentadiene) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인
    항공 가솔린 조성물.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 방향족 화합물은 벤젠(benzene), 톨루엔(toluene), 크실렌(xylene), 에틸벤젠(ethylbenzene), 아닐린(aniline), 톨루이딘(toluidine), 페놀(phenol), 크레졸(cresol) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인
    항공 가솔린 조성물.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 항공 가솔린 조성물의 모터 옥탄가(Motor Octane Number)가 99.6 이상인
    항공 가솔린 조성물.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 항공 가솔린 조성물의 레이드 증기압(RVP: Reid Vapor Pressure)이 38.0 kPa 내지 49.0 kPa인
    항공 가솔린 조성물.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 항공 가솔린 조성물의 성능 지수(Performance Number)가 130.0 이상인
    항공 가솔린 조성물.
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