[发明专利]一种高性能航空替代燃料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种高性能航空替代燃料及其制备方法。该方法以由生物质发酵获得的含有水、丙酮以及任选的丁醇和乙醇的混合液或发酵液为原料，经过缩合反应、三聚缩合反应和加氢脱氧反应后，可制备出高性能的航空替代燃料。该航空替代燃料为带支链的C₂₁或者C₁₅的环烷烃混合物，有两种异构体，其冰点和能量密度满足航空燃料的标准。以该生物基航空替代燃料作为飞机发动机燃料，可以大幅度的降低对石油基航空燃料的需求。本发明所提供的高性能航空替代燃料的制备方法，生产工艺流程简单，耗能低，产品性能高，收率高，原料成本低，绿色环保，且有实现大规模生产的潜能。

技术领域

本发明属于新能源技术领域，涉及一种高性能航空替代燃料及其制备方法。

背景技术

航空燃料是飞机发动机所使用的燃料，它主要为饱和的烃类化合物，民用航空燃料的碳数范围一般为8–16，军用航空燃料的碳数范围甚至达到21–33。航空燃料不同于汽车燃料，它需要低的冰点以防止结冰，高的能量密度(体积热值)以提供强大的能源。目前，随着全球天然气石油等传统化石能源的不断消耗以及供给压力愈来愈大，生物质能源的开发和利用越来越受到人们的关注，其中一种典型的生物质原料为ABE发酵液。ABE发酵液是主要成分为丙酮/丁醇/乙醇发酵液的简称，利用化学催化整合的方式能将其制备为长链的化合物。ABE发酵液中往往含有大量的水，若要完全除去其中的水分，需要复杂的过程以及消耗巨大的能量，所以催化含水的ABE混合液升级为长链产物成为了研究热点。

然而，目前催化含水ABE混合液制备航空替代燃料仍然有两个严重的问题。一方面，催化剂的耐水性差会导致其催化高含水ABE混合液进行烷基化反应时的催化活性差。例如，Gong,Y.H.曾在其文章“Improved selectivity of long-chain products fromaqueous aceton-ebutanol-ethanol mixture over high water resistant catalystbased on hydrophobic SBA-16”(ACS Sustainable ChemistryEngineering,2019,7,10323-10331.)中报道过，当ABE混合液中水含量从0wt％增加到11wt％时，能作为航空替代燃料前驱体的C₈–C₁₆的酮或醇的收率从44.5％下降到了7.4％。另一方面，产物的性能问题，即产物的冰点和能量密度很难满足航空燃料严格的性能需求。目前，由ABE混合液制备的长链产物很难满足这一要求，例如。中国专利CN106047425A公开了一种利用ABE混合液制备航空燃料添加剂的方法，制备的C₈–C₁₆的烃类虽然满足了航空燃料碳数范围的，但是其产物的直链特性限制了它的性能；中国专利CN109422638A公开了含20wt％水的ABE发酵液转化制备酮类化合物方法，但制备出来的4-庚酮同样无法作为航空燃料前驱体。

因此，目前急需一种新的工艺将含水ABE混合液催化转化为高性能的航空替代燃料。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种高性能航空替代燃料，该航空替代燃料基于含水ABE原料液制得，冰点低，能量密度(体积热值)高，原料来源广泛。本发明还提供了上述高性能航空替代燃料的制备方法。该方法以含水ABE混合液为原料，通过三步催化过程，制备环状的高性能航空替代燃料。

为此，本发明第一方面提供了一种高性能航空替代燃料，其基于含水ABE混合液制得，主要成分为带支链的C₂₁或C₁₅的环烷烃；其中，所述ABE混合液为含有水、丙酮、丁醇和乙醇的料液；优选所述ABE原料液为含有水、丙酮、丁醇和乙醇的发酵液。

根据本发明，所述高性能航空替代燃料的冰点＜123-183K，密度在0.89-0.91g/mL以上，体积热值在126-143btu/gal/10³以上。