WO2015186858A1 - 가솔린 대체 알코올계 연료 조성물 - Google Patents

가솔린 대체 알코올계 연료 조성물 Download PDF

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WO2015186858A1
WO2015186858A1 PCT/KR2014/006902 KR2014006902W WO2015186858A1 WO 2015186858 A1 WO2015186858 A1 WO 2015186858A1 KR 2014006902 W KR2014006902 W KR 2014006902W WO 2015186858 A1 WO2015186858 A1 WO 2015186858A1
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fuel composition
volume
hydrocarbon
alcohol
gasoline
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PCT/KR2014/006902
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English (en)
French (fr)
Inventor
김종근
서아영
김용환
강미숙
Original Assignee
김종근
서아영
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G, C10K; LIQUEFIED PETROLEUM GAS; ADDING MATERIALS TO FUELS OR FIRES TO REDUCE SMOKE OR UNDESIRABLE DEPOSITS OR TO FACILITATE SOOT REMOVAL; FIRELIGHTERS
    • C10L1/00—Liquid carbonaceous fuels
    • C10L1/10—Liquid carbonaceous fuels containing additives
    • C10L1/14—Organic compounds
    • C10L1/16—Hydrocarbons

Definitions

  • the present invention relates to a gasoline alternative alcohol-based fuel composition. More specifically, the present invention relates to a gasoline alternative alcohol-based fuel composition having high power performance and suppressed phase separation.
  • Gasoline also called gasoline
  • gasoline is a typical petroleum refinery and is mainly used as a fuel for ignition engines because of its high flammability.
  • gasoline since it is an essential power source for automobiles, the demand has been continuously increasing since the late 19th century.
  • the increase in gasoline consumption causes global warming due to the increase of air pollution and carbon dioxide by NOx and SOx, and therefore the use of petroleum fuel is regulated directly and indirectly by various laws.
  • the use of petroleum fuel which is widely used in various fields, cannot be limited overnight, and since the reserves of petroleum fuel are limited, it is necessary to develop an economical and stable alternative fuel.
  • alcohols especially methanol and ethanol, which have a high octane number and which can reduce the generation of NOx and SOx, have been attracting attention as gasoline alternative fuels.
  • methanol and ethanol molecules are polar molecules, they are not easily mixed with aliphatic hydrocarbons.
  • methanol and ethanol have a problem that aliphatic hydrocarbonation and phase separation occur because the surface tension is large due to an increase in attraction force due to intermolecular hydrogen bonding and even volume increases at low temperatures. Therefore, in order to use alcohol fuel as a gasoline alternative fuel, the phase separation problem must be solved first.
  • Patent No. 0374257 discloses an alcohol mixed fuel using a surfactant and isopropyl alcoholol
  • Patent No. 0141640 discloses an alcohol mixed fuel using a butyl cellosolve as an ether as an aliphatic compound.
  • surfactants with high melting point are inactivated at sub-zero temperatures, they contribute to the phase separation phenomenon, and butylcellosolve shows a disadvantage in that phase separation with aliphatic hydrocarbon compounds occurs when contacted with moisture. Furnace has difficulty solving the phase separation problem.
  • the present inventors have come to invent a gasoline alternative alcohol-based fuel composition that can not only replace gasoline fuel due to its high power performance, but also suppresses phase separation.
  • An object of the present invention is to provide a gasoline alternative alcohol-based fuel composition capable of exhibiting the same power performance as gasoline with high theoretical performance ratio and calorific value.
  • Another object of the present invention is to provide a gasoline-alcohol-based fuel composition in which phase separation is suppressed.
  • Another object of the present invention is to provide a gasoline alternative alcohol-based fuel composition having a low cost compared to gasoline and economical efficiency.
  • Gasoline alternative alcohol-based fuel composition (A) 10 to 60% by volume methanol or ethanol; (B) 10 to 55% by volume of alkane hydrocarbons; (C) 5 to 35% by volume of alkene hydrocarbons; (D) 0.5 to 15% by volume hydrocarbon additive having a molecular formula of C n H 2n + 2 O (n is 4 to 10); (E) 10 to 25% by volume aromatic compound; And (F) 2 to 10% by volume of an aliphatic hydrocarbon compound or an isomer thereof, wherein the% by volume means the percentage of the volume occupied by each component in the total fuel composition.
  • the (B) alkane-based hydrocarbon may be an aliphatic paraffinic hydrocarbon having 4 to 12 carbon atoms.
  • the (C) alkene hydrocarbon may be an aliphatic olefin hydrocarbon having 4 to 12 carbon atoms.
  • the (D) hydrocarbon additive may be a mixture of one or more n-alcohols or isomers thereof and ethers each having a molecular formula of C n H 2n + 2 O (n is 4 to 10).
  • the gasoline alternative alcohol-based fuel composition may include ( n ) at least 2% by volume of n-alcohol having a molecular formula of C n H 2n + 2 O (n is 4 to 10) as a hydrocarbon additive mixture.
  • the aromatic compound (E) may be a compound in which one or two hydrogens are substituted with a methyl group in a benzene derivative having a molecular formula of C 6 H 6 .
  • the (F) aliphatic hydrocarbon compound or an isomer thereof may be a compound having 3 to 5 carbon atoms and a molecular formula of C n H 2n + 2 .
  • the gasoline alternative alcohol-based fuel composition may further comprise 0.5 to 1.5% by volume of one or more additives selected from (G) corrosion inhibitors, antioxidants, detergents, lubricants.
  • the present invention provides a gasoline alternative alcohol-based fuel composition that is economical because it is cheaper than gasoline fuel but exhibits the same power performance as gasoline, and has reduced generation of nitrogen oxides and sulfur oxides during combustion.
  • the gasoline alternative alcohol-based fuel composition according to the present invention has a storage stability that the phase separation phenomenon is suppressed even at below zero temperature.
  • Figure 1 shows a picture taken in time order to remove the phase separation phenomenon in the alternative fuel composition according to the present invention.
  • Figure 2 is a sample of each Example and Comparative Example.
  • Figure 2 (a) is a sample picture for confirming whether the phase separation resolved at room temperature
  • Figure 2 (b) is a sample picture for confirming whether the phase separation resolved at minus 20 °C.
  • the present invention relates to a gasoline alternative alcohol-based fuel composition having high power performance and suppressed phase separation.
  • Gasoline alternative alcohol-based fuel composition (A) 10 to 60% by volume methanol or ethanol; (B) 10 to 55% by volume of alkane hydrocarbons; (C) 5 to 35% by volume of alkene hydrocarbons; (D) 0.5 to 15% by volume hydrocarbon additive having a molecular formula of C n H 2n + 2 O (n is 4 to 10); (E) 10 to 25% by volume aromatic compound; And (F) 2 to 10% by volume of an aliphatic hydrocarbon compound or an isomer thereof, wherein the% by volume means the percentage of the volume occupied by each component in the total fuel composition.
  • the methanol or ethanol used in the fuel composition of the present invention is not particularly limited and includes all kinds of methanol or ethanol which are industrially synthesized or purified or derived from biomass.
  • the methanol and ethanol have a relatively high octane number, but generates a small amount of nitrogen oxides and sulfur oxides compared to gasoline during combustion, thereby making it possible to make an environmentally friendly fuel composition.
  • the theoretical performance ratio (A / F) of gasoline is 15 (air): 1 (gasoline)
  • methanol is only 6.45: 1 and ethanol is also less than the theoretical performance ratio of gasoline.
  • the following hydrocarbon compounds for example, the following (B), (C) and (E) compositions of the present invention and alcohols.
  • Methanol or ethanol according to the invention is preferably included in 10 to 60% by volume, more preferably 15 to 55% by volume relative to the total fuel composition.
  • the alkane hydrocarbon used in the fuel composition of the present invention is a compound having a molecular formula of C n H 2n + 2 , and is added to supplement the air-fuel ratio and calorific value of methanol or ethanol.
  • the type of hydrocarbon is not particularly limited, but is preferably an aliphatic paraffinic hydrocarbon having 4 to 12 carbon atoms, and is used at 10 to 55% by volume relative to the total fuel composition in consideration of compatibility with alcohols and economics. It is preferable.
  • a single compound satisfying the molecular formula (C n H 2n + 2 , n is 4 to 12) through purification or synthesis may be used as an alkane hydrocarbon, but C n H Naphtha or alkylate in which a compound having a molecular formula of 2n + 2 (where n is a natural number of 4 to 8) and other hydrocarbon compounds may be used as a gasoline component.
  • C n H Naphtha or alkylate in which a compound having a molecular formula of 2n + 2 (where n is a natural number of 4 to 8) and other hydrocarbon compounds may be used as a gasoline component.
  • naphtha having a distillation temperature of 35 to 190 ° C examples thereof include full-range naphtha and straight-run naphtha.
  • the alkene hydrocarbon used in the fuel composition of the present invention is a compound having a molecular formula of C n H 2n , and is added to supplement the air-fuel ratio and calorific value of methanol or ethanol.
  • the type of hydrocarbon is not particularly limited, it is preferably an aliphatic olefin hydrocarbon having 4 to 12 carbon atoms, and is used at 5 to 35% by volume relative to the total fuel composition in consideration of compatibility with alcohols and economics. It is preferable.
  • a single compound that satisfies the molecular formula (C n H 2n , n is 4 to 12) through purification or synthesis may be used as the alkene hydrocarbon, but C n H 2n Naphtha or alkylate, in which a compound having a molecular formula (where n is a natural number of 4 to 8) and other hydrocarbon compounds, may be used as a gasoline component.
  • a compound having a molecular formula (where n is a natural number of 4 to 8) and other hydrocarbon compounds may be used as a gasoline component.
  • naphtha having a distillation temperature of 35 to 190 ° C examples thereof include full-range naphtha and straight-run naphtha.
  • naphtha When naphtha is used, naphtha may comprise a mixture of (C) alkene hydrocarbons and (B) alkane hydrocarbons of the fuel composition of the present invention. In consideration of the miscibility or economical efficiency of the entire fuel, the naphtha may be included in an amount of 15 to 90% by volume, and more preferably 15 to 55% by volume, based on the total volume of the fuel composition of the present invention.
  • Hydrocarbon additives used in the fuel composition of the present invention are added to prevent low temperature phase separation of the fuel composition and to impart water resistance to the fuel composition.
  • the surfactant added to the alternative gasoline fuel in the prior art temporarily regulates the hydrophilic lipophilic balance (HLB), that is, the balance between the lipophilic group and the hydrophilic group, thereby temporarily preventing phase separation of hydrocarbon and alcohol components.
  • HLB hydrophilic lipophilic balance
  • the inventors of the present invention as the essential configuration in the gasoline alternative alcohol-based fuel composition according to the present invention It is included. Looking at the contribution of the (D) hydrocarbon additive of the present invention to the present invention is as follows.
  • the carbon compound having a molecular structure of C n H 2n + 2 O (n is 4 to 10) has an -OH group, it is well mixed with an alcohol component (samely having an -OH group), and the hydrophobic naphtha It is also well mixed because it is possible to prevent the phase separation phenomenon.
  • the hydrocarbon additive having a molecular formula of (D) C n H 2 n + 2 O (n is 4 to 10) has a hydrophobic tendency to absorb water, and thus has a relatively low water absorption property, thereby enhancing the water resistance of the mixed fuel. It can contribute.
  • C n H 2n + 2 O may be used alone or mixed with a carbon compound having a (n is 4 to 10) The molecular formula.
  • C 4 H 10 O, C 5 H 12 O, C 6 H 14 O, C 7 H 16 O, C 8 H 18 O, C 9 H 20 O, C 10 H N-alcohol having the molecular formula of 22 O or an isomer thereof and ether of C 5 H 12 O can be used separately or in combination.
  • n-alcohols include butanol, butanol, pentanol, hexanol and heptanol, octanol, octanol, nonanol, and decanol.
  • n-alcohol preferably hexanol, relative to the total fuel composition.
  • the hydrocarbon additive having a molecular formula of (D) C n H 2n + 2 O (n is 4 to 10) is 0.5 to 15% by volume, preferably 1 to 15% by volume. %, More preferably 5 to 15% by volume is preferably added.
  • the (E) aromatic compound refers to a compound in which one or two hydrogens are substituted with a methyl group in a benzene derivative having a molecular formula of C 6 H 6 .
  • the kind of the compound that can be used is not particularly limited, but it is preferable to use any one of raffinate, xylene, toluene or a mixture thereof.
  • This configuration is added to lower the ignition temperature of the mixed fuel to increase cold startability and to increase vapor pressure.
  • negative pressure is generated in the fuel tank, and thus fuel systems are crushed, thereby causing cavitation.
  • the pressure of the fuel tank should be designed to be static pressure so that such cavitation does not occur. If the static pressure is not maintained, the fuel supply becomes uneven due to the cavitation, and the output of the engine is not constant. Problems deteriorate.
  • the (F) aliphatic hydrocarbon compound or an isomer thereof generates a positive pressure as a substance having a high vapor pressure, it is possible to maintain a constant pressure of the fuel tank.
  • the type of the compound that can be used is not particularly limited, but it is preferable to use a compound having 3 to 5 carbon atoms and a molecular formula of C n H 2n + 2 , and specifically, propane, butane and pentane ( pentane isopentane or mixtures thereof can be used.
  • the content of the present invention (F) aliphatic hydrocarbon compound or isomer thereof is less than 2% by volume, it is difficult to generate a positive pressure, and if it exceeds 10% by volume, knocking occurs. It is preferably included in 10% by volume.
  • Gasoline alternative alcohol-based fuel composition according to the present invention may further comprise 0.5 to 1.5% by volume of the conventional (G) additive usable in the alternative fuel in addition to the above (A) to (F) configuration.
  • G conventional additive
  • additives include corrosion inhibitors, antioxidants, cleaners, lubricants and the like.
  • the picture 1 shows that the phase separation phenomenon is observed in the fuel composition prepared only in the configuration (A) to (C) and (E) to (F) of the present invention.
  • Photo 2 shows the state of adding the present invention (C) to the fuel composition of photo 1.
  • Photo 3 shows that the phase separation phenomenon decreases with time, and photo 4 shows the phase separation phenomenon completely removed. That is, the structure (D) of the present invention can effectively solve the problem of phase separation of a conventional gasoline alternative fuel, which is generated because of the difficulty of mixing methanol and hydrocarbon.
  • phase separation does not occur at both room temperature and minus 20 °C conditions.
  • the comparative example in which the content (particularly hexanol) of the composition (D) of the present invention is different from the present invention can be confirmed that the phase separation phenomenon is suppressed only at room temperature, and the phase separation phenomenon is not inhibited at low temperature.
  • the present invention relates to gasoline alternative alcohol based fuel compositions, and is particularly applicable to industries related to gasoline alternative alcohol based fuel compositions.

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Abstract

본 발명에 따른 가솔린 대체 알코올계 연료 조성물은, (A) 메탄올 또는 에탄올 10 내지 60 부피%; (B) 알칸계 탄화수소 10 내지 55 부피%; (C) 알켄계 탄화수소 5 내지 35 부피%; (D) CnH2n+2O(n은 4 내지 10)의 분자식을 갖는 탄화수소 첨가제 0.5 내지 15 부피%; (E) 방향족 화합물 10 내지 25 부피%; 및 (F) 지방족 탄화수소 화합물 또는 그 이성질체 2 내지 10 부피%를 포함한다(단, 상기 부피%는 전체 연료 조성물 중 각 구성이 차지하는 부피의 % 비율을 의미한다). 상기 (D) 탄화수소 첨가제로는, 각각 CnH2n+2O(n은 4 내지 10)의 분자식을 갖는 n-알코올 또는 그 이성질체와, 에테르(ether)의 혼합물을 사용한다.

Description

가솔린 대체 알코올계 연료 조성물
본 발명은 가솔린 대체 알코올계 연료 조성물에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 동력성능이 높고 상분리 현상이 억제된 가솔린 대체 알코올계 연료 조성물에 관한 것이다.
소위 휘발유로 불리는 가솔린은 대표적인 석유 정제품으로, 인화성이 좋기 때문에 주로 착화엔진의 연료로 사용되고 있다. 특히, 자동차에 있어서는 필수적인 동력원이기 때문에 그 수요는 19세기 후반부터 지속적으로 증가해 왔다. 반면, 가솔린 사용량의 증가는 질소산화물(NOx)이나 황산화물(SOx)에 의한 대기오염과 이산화탄소 증가에 따른 지구온난화를 야기하기 때문에, 석유연료의 사용은 각종 법률에 직·간접적으로 규제되고 있기도 하다. 그러나, 다양한 분야에서 광범위 하게 사용되는 석유연료의 사용을 하루아침에 제한할 수는 없는 것이고, 석유연료의 매장량도 한계가 있기 때문에, 경제적이고 안정적인 대체연료의 개발이 필요한 실정이다.
대체연료와 관련하여, 최근에는 옥탄가가 높고, 질소산화물(NOx)이나 황산화물(SOx)의 발생을 감소시킬 수 있는 알코올, 특히 메탄올과 에탄올이 가솔린 대체 연료로 주목받고 있다. 다만, 가솔린 대비 알코올 연료의 발열량은 매우 적기 때문에, 알콜올과 탄화수소 화합물을 혼합하여 사용하는 기술이 제안되고 있다. 그러나 메탄올과 에탄올 분자는 극성분자이기 때문에 지방족 탄화수소와의 혼합이 쉽지 않다. 더욱이, 메탄올과 에탄올은 분자 간 수소결합에 따른 인력 증가로 표면장력이 크고, 저온에서 부피마저 증가하기 때문에 지방족 탄화수소화와 상분리가 일어나는 문제를 갖고 있다. 그러므로 알코올 연료를 가솔린 대체 연료로 사용하기 위해서는 상분리 문제가 먼저 해결되어야 한다.
상분리 문제를 해결하기 위하여, 알코올 혼합연료에 계면활성제나 지방족 화합물인 에테르를 첨가하는 기술, 초음파 분산을 이용하는 기술 등이 제안된바 있다. 특히, 등록특허 제0374257호는 계면활성제와 이소프로필 알콜올을 사용한 알코올 혼합연료를 개시하였고, 등록특허 제0741640호는 지방족 화합물인 에테르로서 뷰틸셀로솔브를 사용한 알코올 혼합연료를 개시하였다. 그러나 녹는점이 높은 계면활성제는 영하의 온도에서는 비활성화 되기 때문에 상분리 현상에 기여하는 바가 제한적이고, 뷰틸셀로솔브는 수분과 접촉할 경우 지방족 탄화수소 화합물과 상분리가 일어나는 단점을 보이는바, 상기와 같은 종래기술로는 상분리 문제를 해결하는데 어려움이 있다.
이러한 종래기술의 문제를 해결하고자, 본 발명자는 동력 성능이 높아 가솔린 연료를 대체할 수 있을 뿐 아니라, 상분리 현상이 억제된 가솔린 대체 알코올계 연료 조성물을 발명하기에 이르렀다.
본 발명의 목적은 이론공연비와 발열량이 높아 가솔린과 동등한 동력 성능을 발휘할 수 있는 가솔린 대체 알코올계 연료 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상분리 현상이 억제된 가솔린 대체 알코올계 연료 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 가솔린 대비 가격이 저렴하여 경제성이 우수한 가솔린 대체 알코올계 연료 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 연소시 질소산화물이나 황산화물의 발생이 감소된 친환경적인 가솔린 대체 알코올계 연료 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 상기 목적 및 기타 목적들은 하기 상세히 설명되는 본 발명에 의해 모두 달성될 수 있다.
본 발명에 따른 가솔린 대체 알코올계 연료 조성물은, (A) 메탄올 또는 에탄올 10 내지 60 부피%; (B) 알칸계 탄화수소 10 내지 55 부피%; (C) 알켄계 탄화수소 5 내지 35 부피%; (D) CnH2n+2O(n은 4 내지 10)의 분자식을 갖는 탄화수소 첨가제 0.5 내지 15 부피%; (E) 방향족 화합물 10 내지 25 부피%; 및 (F) 지방족 탄화수소 화합물 또는 그 이성질체 2 내지 10 부피%;를 포함한다(단, 상기 부피%는 전체 연료 조성물 중 각 구성이 차지하는 부피의 % 비율을 의미한다).
상기 (B) 알칸계 탄화수소는 탄소수가 4 내지 12인 지방족 파라핀계 탄화수소일 수 있다.
상기 (C) 알켄계 탄화수소는 탄소수가 4 내지 12인 지방족 올레핀계 탄화수소일 수 있다.
상기 (D) 탄화수소 첨가제는, 각각 CnH2n+2O(n은 4 내지 10)의 분자식을 갖는 1이상의 n-알코올 또는 그 이성질체와, 에테르(ether)의 혼합물일 수 있다.
상기 가솔린 대체 알코올계 연료 조성물은 (D) 탄화수소 첨가제 혼합물로서 CnH2n+2O(n은 4 내지 10)의 분자식을 갖는 n-알코올을 전체 연료 조성물 대비 2 부피% 이상 포함할 수 있다.
상기 (E) 방향족 화합물은 C6H6의 분자식을 갖는 벤젠 유도체에서 1개 또는 2개의 수소가 메틸기로 치환된 화합물일 수 있다.
상기 (F) 지방족 탄화수소 화합물 또는 그 이성질체는 탄소수가 3 내지 5이고 CnH2n+2의 분자식을 갖는 화합물일 수 있다.
상기 가솔린 대체 알코올계 연료 조성물은 (G) 부식방지제, 산화방지제, 세정제, 윤활향상제 중에서 선택된 1 이상의 첨가제를 0.5 내지 1.5 부피% 더 포함할 수 있다.
본 발명은 가솔린 연료 대비 제조비용은 저렴하지만 가솔린과 동등한 동력 성능을 발휘하기 때문에 경제성이 우수하고, 연소시 질소산화물이나 황산화물의 발생이 감소된 가솔린 대체 알코올계 연료 조성물을 제공하는 발명의 효과를 갖는다. 또한, 본 발명에 따른 가솔린 대체 알코올계 연료 조성물은 영하의 온도에서도 상분리 현상이 억제되는 저장 안정성을 갖는다.
이하 도면과 함께 본 발명의 구체적인 내용을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 대체 연료 조성물에서 상분리 현상이 제거되는 모습을 시간 순서에 따라 촬영한 사진을 나타낸 것이다.
도 2는 각 실시예 및 비교예의 샘플을 촬영한 것이다. 제2(a)도는 상온에서의 상분리 해소 여부를 확인하기 위한 샘플 사진이고, 제2(b)도는 영하 20℃에서의 상분리 해소 여부를 확인하기 위한 샘플 사진이다.
본 발명은 동력성능이 높고 상분리 현상이 억제된 가솔린 대체 알코올계 연료 조성물에 관한 것이다.
본 발명에 따른 가솔린 대체 알코올계 연료 조성물은, (A) 메탄올 또는 에탄올 10 내지 60 부피%; (B) 알칸계 탄화수소 10 내지 55 부피%; (C) 알켄계 탄화수소 5 내지 35 부피%; (D) CnH2n+2O(n은 4 내지 10)의 분자식을 갖는 탄화수소 첨가제 0.5 내지 15 부피%; (E) 방향족 화합물 10 내지 25 부피%; 및 (F) 지방족 탄화수소 화합물 또는 그 이성질체 2 내지 10 부피%;를 포함한다(단, 상기 부피%는 전체 연료 조성물 중 각 구성이 차지하는 부피의 % 비율을 의미한다).
(A) 메탄올 또는 에탄올
본 발명 연료 조성물에 사용되는 메탄올 또는 에탄올은 특별히 제한되지 않으며, 공업적으로 합성 또는 정제되거나 바이오매스로부터 유래되는 모든 종류의 메탄올 또는 에탄올을 포함한다. 상기 메탄올과 에탄올은 비교적 높은 옥탄가를 가지면서도 연소시 가솔린 대비 적은 량의 질소산화물 및 황산화물의 발생시키기 때문에 친환경적인 연료 조성물을 만들 수 있게 한다. 그러나 가솔린의 이론공연비(A/F)는 15(공기) : 1(가솔린)인 반면, 메탄올은 6.45:1에 불과하고 에탄올도 그것도 가솔린의 이론공연비에 못 미치기 때문에, 이들 알코올을 연료로 사용하기 위해서는 하기 탄화수소 화합물, 예를 들어 본원발명의 하기 (B) 구성, (C) 구성 및 (E) 구성과 알코올을 혼합하여 알코올 연료의 공연비와 발열량을 높이는 것이 필요하다.
혼합연료 중 메탄올 또는 에탄올의 함량이 전체 혼합연료 대비 10 부피% 미만이면 대체연료로서의 효과가 미약하고, 그 함량이 60 부피%를 초과하면 혼합되는 탄화수소의 함량이 줄어들어 충분한 동력성능을 발휘하기 어려우므로 본 발명에 따른 메탄올 또는 에탄올은 전체 연료 조성물 대비 10 내지 60 부피%, 더 바람직하게는 15 내지 55 부피 %로 포함되는 것이 좋다.
(B) 알칸계 탄화수소
본 발명 연료 조성물에 사용되는 알칸계 탄화수소는 CnH2n+2의 분자식을 갖는 화합물로서, 메탄올 또는 에탄올의 공연비와 발열량을 보충하기 위해 첨가된다. 탄화수소의 종류는 특별히 한정되지는 않으나, 탄소수가 4 내지 12인 지방족 파라핀계 탄화수소인 것이 바람직하며, 알코올 성분과의 혼화성이나 경제성 등을 고려할 때, 전체 연료 조성물 대비 10 내지 55 부피%로 사용되는 것이 바람직하다.
본 발명 일실시예에 의할 때, 정제 또는 합성 과정을 거쳐 상기 분자식(CnH2n+2, n은 4 내지 12)을 만족하는 단일의 화합물이 알칸계 탄화수소로 사용될 수도 있으나, CnH2n+2의 분자식(단, n은 4 내지 8의 자연수)을 갖는 화합물과 그 외 탄화수소 화합물이 혼합되어 있는 나프타(naphtha)나 알킬레이트(Alkylate)를 가솔린 성분으로서 사용할 수도 있다. 구체적으로 35 내지 190℃의 증류 온도 성상을 갖는 나프타를 사용하는 것이 좋은데, 그 예로는 풀레인지나프타(Full-range naphtha), 스트레이트 런 나프타(Straight-run naphtha)를 들 수 있다.
(C) 알켄계 탄화수소
본 발명 연료 조성물에 사용되는 알켄계 탄화수소는 CnH2n의 분자식을 갖는 화합물로서, 메탄올 또는 에탄올의 공연비와 발열량을 보충하기 위해 첨가된다. 탄화수소의 종류가 특별히 한정되지는 않으나, 탄소수가 4 내지 12인 지방족 올레핀계 탄화수소인 것이 바람직하며, 알코올 성분과의 혼화성이나 경제성 등을 고려할 때, 전체 연료 조성물 대비 5 내지 35 부피%로 사용되는 것이 바람직하다.
본 발명 일실시예에 의할 때, 정제 또는 합성 과정을 거쳐 상기 분자식(CnH2n, n은 4 내지 12)을 만족하는 단일의 화합물이 알켄계 탄화수소로 사용될 수도 있으나, CnH2n의 분자식(단, n은 4 내지 8의 자연수)을 갖는 화합물과 그 외 탄화수소 화합물이 혼합되어 있는 나프타(naphtha)나 알킬레이트(Alkylate)를 가솔린 성분으로서 사용할 수도 있다. 구체적으로 35 내지 190℃의 증류 온도 성상을 갖는 나프타를 사용하는 것이 좋은데, 그 예로는 풀레인지나프타(Full-range naphtha), 스트레이트런 나프타(Straight-run naphtha)를 들 수 있다.
나프타를 사용할 경우, 나프타는 본 발명 연료 조성물의 (C) 알켄계 탄화수소와 상기 (B) 알칸계 탄화수소의 혼합물을 포함할 수 있다. 전체 연료의 혼화성이나 경제성을 고려할 때 상기 나프타는 본 발명 연료 조성물 전체 부피 대비 15 내지 90 부피% 포함되는 것이 바람직하며, 더 바람직하게는 15 내지 55 부피%로 포함될 수 있다.
(D) CnH2n+2O(n은 4 내지 10)의 분자식을 갖는 탄화수소 첨가제
본 발명 연료 조성물에 사용되는 탄화수소 첨가제는 연료 조성물의 저온 상분리 현상을 방지하고, 연료 조성물에 내수성을 부여하기 위해 첨가된다. 특히, 종래기술에서 가솔린 대체 혼합연료에 첨가되던 계면활성제는 HLB(hydrophilic lipophilic balance) 즉, 친유성기(lipophilic group)와 친수성기(hydrophilic group)간 균형을 적절히 조절함으로써 탄화수소와 알코올 성분의 상분리 현상을 일시적으로 해소하기도 하였지만, 혼합연료가 장기간 보관되거나 저온에서 보관되는 경우에는 상분리 현상을 막을 수 없었기에, 본 발명의 발명자는 상기 (D) 구성을 본 발명에 따른 가솔린 대체 알코올계 연료 조성물에 필수구성으로 포함시킨 것이다. 본 발명의 상기 (D) 탄화수소 첨가제가 본 발명에 기여하는 바를 살펴보면 다음과 같다.
일반적으로, CnH2n+1의 탄화수소 화합물에 -OH 기가 결합된 화합물은 극성을 띠지만, 탄소수가 많아지면서는 극성일지라도 소수성이 강해지는 경향성을 갖게 된다. 특히, 탄소수가 3 이하일 경우에는 친수성을 띠고, 4 이상일 경우에는 소수성 경향을 띠는 것이다. 따라서, CH4O, C2H6O, C3H8O는 친수성 성질이 강하여 수분과는 잘 혼합되는 반면, 비극성이자 소수성인 나프타(보통 탄소수 4 내지 9의 탄소화합물을 포함함), 예를 들어 풀레인지나프타(Full-range naphtha), 스트레이트런 나프타(Straight-run naphtha) 또는 알킬레이트와는 혼합이 어려운 것이다. 그러나, CnH2n+2O(n은 4 내지 10)의 분자 구조를 갖는 탄소 화합물은 -OH 기를 갖기 때문에 (동일하게 -OH기를 가진) 알코올 성분과 혼합이 잘 이루어지고, 소수성의 나프타와도 잘 혼합되기 때문에 상분리 현상을 방지할 수 있는 것이다. 또한, 상기 (D) CnH2n+2O(n은 4 내지 10)의 분자식을 갖는 탄화수소 첨가제는 소수성의 경향성을 갖기에 수분을 흡수하는 성질이 비교적 낮고, 그로인해 혼합연료의 내수성 강화에도 기여할 수 있는 것이다.
사용가능한 (D) 탄화수소 첨가제는 특별히 한정되지 않으며, CnH2n+2O(n은 4 내지 10)분자식을 갖는 탄소 화합물을 단독으로 또는 혼합하여 사용할 수 있다. 바람직한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 각각 C4H10O, C5H12O, C6H14O, C7H16O, C8H18O, C9H20O, C10H22O의 분자식을 갖는 n-알코올 또는 그 이성질체, 그리고 C5H12O의 에테르(ether)를 따로 또는 혼합하여 사용할 수 있다. n-알코올로는 부탄올(butanol), 펜탄올(pentanol), 헥산올(hexanol) 및 헵탄올(heptanol), 옥탄올(octanol), 노난올(nonanol), 데칸올(decanol)을 들 수 있다. 2종 이상의 탄화수소 첨가제를 혼합 사용시에는 전체 연료 조성물 대비 2 부피% 이상의 n-알코올, 바람직하게는 헥산올(hexanol)이 포함되는 것이 좋다.
전체 연료 조성물의 경제성이나 발열량 등을 고려할 때, 상기 (D) CnH2n+2O(n은 4 내지 10)의 분자식을 갖는 탄화수소 첨가제는 0.5 내지 15 부피%, 바람직하게는 1 내지 15 부피%, 더 바람직하게는 5 내지 15 부피%가 첨가되는 것이 좋다.
(E) 방향족 화합물
해당 구성은 연료의 발열량을 증가시키고 엔진의 출력을 높이기 위해 첨가된다. 구체적으로 상기 (E) 방향족 화합물은 C6H6의 분자식을 갖는 벤젠 유도체에서 1개 또는 2개의 수소가 메틸기로 치환된 화합물을 말한다. 사용가능한 화합물의 종류는 특별히 한정되지 않으나, 라피네이트(raffinate), 자일렌(xylene), 톨루엔(toluene) 또는 이들의 혼합물 중 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명 (E) 방향족 화합물의 함량이 전체 연료 조성물의 부피 대비 10 부피% 미만이면 엔진의 출력을 높이기 어렵고, 25 부피%를 초과하면 유해 가스의 배출 가능성이 높아지기 때문에 10 내지 25 부피% 포함되는 것이 좋다.
(F) 지방족 탄화수소 화합물 또는 그 이성질체
해당 구성은 혼합연료의 발화온도를 낮추어 저온 시동성을 높이고 증기압을 높이기 위해 첨가된다. 구체적으로, 연료가 활발히 소비될 경우 연료탱크에는 부압이 발생하게 되고 그에 따라 연료계들이 찌브러들게 되어 공동화(cavitation)가 발생하게 된다. 이러한 공동화가 발생하지 않도록 연료탱크의 압력은 정압으로 설계되어야 하는데, 정압이 유지되지 못하면 공동화로 인해 연료의 공급이 불균일해지고 엔진의 출력이 일정하지 않게 되어 오염가스 배출량이 많아지고 자동차의 주행성능이 악화되는 문제점이 나타난다. 그러나 상기 (F) 지방족 탄화수소 화합물 또는 그 이성질체는 증기압이 높은 물질로서 양압을 발생시키기 때문에 연료 탱크의 정압을 유지할 수 있게 하는 것이다.
사용가능한 화합물의 종류는 특별히 한정되지 않으나, 탄소수가 3 내지 5이고 CnH2n+2의 분자식을 갖는 화합물을 사용하는 것이 바람직하며, 구체적으로는 프로판(propane), 부탄(butane), 펜탄(pentane) 이소펜탄(isopentante) 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.
전체 연료 조성물의 부피 대비 본 발명 (F) 지방족 탄화수소 화합물 또는 그 이성질체의 함량이 2 부피% 미만이면 양압을 발생시키기가 어려워 공동화 현상이 발행하고, 10 부피%를 초과하면 노킹현상이 발생하기 때문에 2 내지 10 부피%로 포함되는 것이 좋다.
(G) 그 밖의 탄화수소 화합물 또는 첨가제
본 발명에 따른 가솔린 대체 알코올계 연료 조성물은 상기 (A) 내지 (F) 구성 외에 대체 연료에 사용 가능한 통상의 (G) 첨가제를 0.5 내지 1.5 부피% 더 포함할 수 있다. 사용가능한 첨가제로는 부식방지제, 산화방지제, 세정제, 윤활향상제 등을 예로 들 수 있다.
본 발명은 하기 실험례에 의하여 더 잘 이해될 수 있으며, 하기 실시예는 본 발명의 예시를 위한 것일 뿐 특허청구범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.
실험례
하기 [표 1]에 기재된 성분과 함량으로 실시예 및 비교예의 연료 조성물을 제조하였다.
[표 1] 실시예 및 비교예의 혼합 연료 조성
Figure PCTKR2014006902-appb-I000001
※ 참고로 상기 [표 1]에서, (B) 및 (C)의 나프타 혼합물로는 풀레인지나프타(Full-range naphtha), 스트레이트런 나프타(Straight-run naphtha) 및 알킬레이트의 혼합물을 사용하였다. 또한 (E) 방향족 화합물로는 라피네이트(raffinate)과 자일렌(xylene)의 혼합물을 사용하였다.
실험 1: 본 발명에 따른 대체 연료 조성물과 종래 가솔린의 품질 비교
상기 [표 1]의 실시예 1-1 조성을 가진 가솔린 대체 알코올계 연료 조성물의 품질을 중국석화 무순석유화공연구원의 휘발유 품질 기준과 비교하고 이를 [표 2]에 나타내었다.
[표 2] 실시예 1-1의 연료 조성물과 휘발유의 품질 비교
Figure PCTKR2014006902-appb-I000002
실험 2: 본 발명 (D) 구성 첨가에 따른 상분리 현상 제거 유관 관찰
상기 [표 1]의 실시예 1-1 조성과 동일하게 혼합연료 조성물을 제조하되, (A) 내지 (C) 및 (E) 내지 (F) 구성을 먼저 혼합하고, (D) 구성을 나중에 첨가하였다. (D) 구성 첨가에 따른 상분리 해소 과정은 제1도 ① 내지 ④로 나타내었다.
실험 3: 본 발명 (D) 구성 함량에 따른 상분리 현상 발생 여부
상기 [표 1]의 조성과 동일한 실시예 및 비교예의 연료 조성물을 상온 및 영하 20℃에서 24시간 방치한 뒤, 상분리 현상이 발생하는지를 관찰하였다. 상분리 현상의 발생여부를 유관으로 확인할 수 있도록, 각 실험례의 샘플 사진을 제1도에 첨부하고, 그 결과는 [표 3]에 정리하였다.
[표 3] 상온 및 영하 조건에서의 상분리 발생 여부
Figure PCTKR2014006902-appb-I000003
실험 1과 관련하여 [표 2]로부터, 본 발명의 실시예에 의해 제조된 가솔린 대체 알코올계 연료 조성물이 종래 기술에 따른 가솔린보다 옥탄가가 더 높고, 다른 항목에서도 동등 또는 그 이상의 품질을 보이고 있음을 확인할 수 있다.
실험 2와 관련하여 제1도를 살펴보면, 사진 ①은 본 발명 (A) 내지 (C) 구성 및 (E) 내지 (F) 구성만으로 제조된 연료 조성물에는 상분리 현상이 관찰됨을 보여준다. 사진 ②는 사진 ①의 연료 조성물에 본 발명 (C) 구성을 첨가하는 모습을 보여준다. 사진 ③은 시간이 경과함에 따라 상분리 현상이 줄어든 모습을, 사진 ④는 상분리 현상이 완전히 제거된 모습을 보여준다. 즉, 본 발명의 (D) 구성은, 메탄올과 탄화수소의 혼화가 어렵기 때문에 발생하는 종래 가솔린 대체 연료의 상분리 문제를 효과적으로 해결할 수 있는 것이다.
실험 3과 관련하여 [표 3]을 살펴보면, 실시예의 경우 상온 및 영하 20℃ 조건 모두에서 상분리 현상이 발생하지 않음을 확인할 수 있다. 반면, 본 발명 (D) 구성의 함량(특히 헥산올)이 본원발명과 상이한 비교예는 상온에서만 상분리 현상이 억제될 뿐, 저온에서는 상분리 현상이 억제되지 않음을 확인할 수 있다.
본 발명은 가솔린 대체 알코올계 연료 조성물에 관한 것으로서, 특히, 가솔린 대체 알코올계 연료 조성물과 관련된 산업에 이용 가능하다.

Claims (8)

  1. (A) 메탄올 또는 에탄올 10 내지 60 부피%;
    (B) 알칸계 탄화수소 10 내지 55 부피%;
    (C) 알켄계 탄화수소 5 내지 35 부피%;
    (D) CnH2n+2O(n은 4 내지 10)의 분자식을 갖는 탄화수소 첨가제 0.5 내지 15 부피%;
    (E) 방향족 화합물 10 내지 25 부피%; 및
    (F) 지방족 탄화수소 화합물 또는 그 이성질체 2 내지 10 부피%;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 가솔린 대체 알코올계 연료 조성물(단, 상기 부피%는 전체 연료 조성물 중 각 구성이 차지하는 부피의 % 비율을 의미한다).
  2. 제1항에 있어서, 상기 (B) 알칸계 탄화수소는 탄소수가 4 내지 12인 지방족 파라핀계 탄화수소인 것을 특징으로 하는 가솔린 대체 알코올계 연료 조성물.
  3. 제1항에 있어서, 상기 (C) 알켄계 탄화수소는 탄소수가 4 내지 12인 지방족 올레핀계 탄화수소인 것을 특징으로 하는 가솔린 대체 알코올계 연료 조성물.
  4. 제1항에 있어서, 상기 (D) 탄화수소 첨가제는, 각각 CnH2n+2O(n은 4 내지 10)의 분자식을 갖는 1 이상의 n-알코올 또는 그 이성질체와, 에테르(ether)의 혼합물인 것을 특징으로 하는 가솔린 대체 알코올계 연료 조성물.
  5. 제4항에 있어서, 상기 (D) 탄화수소 첨가제는 전체 연료 조성물 대비 2 부피% 이상의 n-알코올을 포함하는 것을 특징으로 하는 가솔린 대체 알코올계 연료 조성물.
  6. 제1항에 있어서, 상기 (E) 방향족 화합물은 C6H6의 분자식을 갖는 벤젠 유도체에서 1개 또는 2개의 수소가 메틸기로 치환된 화합물인 것을 특징으로 하는 가솔린 대체 알코올계 연료 조성물.
  7. 제1항에 있어서, 상기 (F) 지방족 탄화수소 화합물 또는 그 이성질체는 탄소수가 3 내지 5이고 CnH2n+2의 분자식을 갖는 것을 특징으로 하는 가솔린 대체 알코올계 연료 조성물.
  8. 제1항에 있어서, 상기 가솔린 대체 알코올계 연료 조성물은 (G) 부식방지제, 산화방지제, 세정제, 윤활향상제 등의 첨가제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가솔린 대체 알코올계 연료 조성물.
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