一种高性能航空替代燃料及其制备方法技术

本发明专利技术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C

【技术实现步骤摘要】
一种高性能航空替代燃料及其制备方法
本专利技术属于新能源
，涉及一种高性能航空替代燃料及其制备方法。
技术介绍
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“Improvedselectivityoflong-chainproductsfromaqueousaceton-ebutanol-ethanolmixtureoverhighwaterresistantcatalystbasedonhydrophobicSBA-16”(ACSSustainableChemistry&Engineering,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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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，本专利技术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。根据本专利技术，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。在本专利技术的一些实施例中，所述高性能航空替代燃料中，C15环烷烃的冰点和能量密度(体积热值)满足军用航空燃料JP-5的要求。在本专利技术的另一些实施例中，C21环烷烃的冰点和能量密度满足军用航空燃料JP-5和JP-10的要求。本专利技术第二方面提供了一种如本专利技术第一方面所述的高性能航空替代燃料的制备方法，其包括：步骤L，将含水ABE混合液进行缩合反应，制得主要成分为2-庚酮或者2-戊酮的液体混合物；步骤M，将主要成分为2-庚酮或者2-戊酮的液体混合物进行三聚缩合反应，制得主要成分为C15或者C21的环状酮类混合物；步骤N，将主要成分为C15或者C21的环状酮类混合物进行加氢脱氧处理，制得高性能航空替代燃料。其中，所述高性能航空替代燃料的主要成分为带支链的C15或者C21的环烷烃；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。在本专利技术的一些实施例中，在所述ABE原料液中，按ABE原料液的总重量计，水的含量为9.8wt％–12.1wt％，丙酮的含量为32.4wt％–49.0wt％，丁醇含量为0wt％–53.7wt％，乙醇的含量为2.2wt％–42.9wt％。根据本专利技术的一些实施方式，在步骤L中，所述缩合反应在催化剂A存在条件下进行，所述催化剂A为Ni-MgO-SBA-16催化剂；优选地，所述Ni-MgO-SBA-16催化剂中Ni、MgO和SBA-1的摩尔比为(1.7-8.5):50:50，更优选为4.26:50:50；进一步优选地，所述催化剂A的用量基于ABE原料液的总重量计为10wt％。在本专利技术的一些优选的实施例中，所述缩合反应的温度为240℃，缩合反应时间为24h。根据本专利技术的另一些实施方式，在步骤M中，所述三聚缩合反应在催化剂B和溶剂C存在条件下进行，所述催化剂B包括MgAl-MMO催化剂、γ-Al2O3催化剂和MgO催化剂中的一种或几种；优选地，所述催化剂B的用量基于2-庚酮或者2-戊酮的液体混合物总重量计为10wt％-133wt％。在本专利技术的一些实施例中，所述溶剂C包括2-庚醇、正十一烷、十氢化萘、甲苯和正庚烷中的一种或几种，优选所述溶剂C为正庚烷或甲苯；优选地，所述溶剂C用量基于2-庚酮或者2-戊酮的液体混合物总重量计为40wt％-1000wt％。在本专利技术的一些优选的实施例中，在步骤M中，所述三聚缩合反应还在脱水剂存在条件下进行，所述脱水剂为无水CaCl2；优选地，所述脱水剂的用量基于催化剂总质量计为50wt％-100wt％。在本专利技术的一些优选的实施例中，在步骤M中，所述三聚缩合反应温度为160-180℃，所述三聚缩合反应时间为6h。根据本专利技术的又一些实施方式，在步骤N中，所述加氢脱氧反应在催化剂D和溶剂E存在条件下进行，所述催化剂D为Ni/MgSiO3；优选地，基于催化剂中Ni/MgSiO3的总摩尔数计，所述Ni/MgSiO3催化剂中Ni的摩尔分数为10.8％；进一步优选地，所述催化剂D的用量基于C15或者C21的环状酮类混合物总重量计为100wt％。在本专利技术的一些实施例中，所述溶剂E为环己烷；优选地，所述溶剂E的用量基于C15或者C21的环状酮类混合物总重量计为3250wt％。在本专利技术的一些优选的实施例中，在步骤N中，所述加氢脱氧反应在纯氢气氛围压力为2.5Mpa下进行；优选地，所述加氢脱氧反应温度为180℃，所述氢脱氧反应时间为12h。本专利技术针对高含水ABE混合液制备高性能航空替代燃料，提供了一种三步法催化的工艺流程。相较于已报道的制备方法，本方法存在以下优点：1)催化的ABE混合液原料含水量高，达到了12.1wt％，减少了ABE发酵液中分离水所消耗的成本；2)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一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C

【技术特征摘要】
1.一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。


2.根据权利要求1所述的高性能航空替代燃料，其特征在于，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；优选地，所述高性能航空替代燃料中，C15环烷烃的冰点和能量密度满足军用航空替代燃料JP-5的要求，C21环烷烃的冰点和能量密度满足军用航空替代燃料JP-5和JP-10的要求。


3.一种权利要求1或2所述的航空替代燃料的制备方法，其包括：
步骤L，将含水ABE混合液进行缩合反应，制得主要成分为2-庚酮或者2-戊酮的液体混合物；
步骤M，将主要成分为2-庚酮或者2-戊酮的液体混合物进行三聚缩合反应，制得主要成分为C15或者C21的环状酮类混合物；
步骤N，将主要成分为C15或者C21的环状酮类混合物进行加氢脱氧处理，制得高性能航空替代燃料；
其中，所述高性能航空替代燃料的主要成分为带支链的C15或者C21的环烷烃；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。


4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在所述ABE原料液中，按ABE原料液的总重量计，水的含量为9.8wt％–12.1wt％，丙酮的含量为32.4wt％–49.0wt％，丁醇含量为0wt％–53.7wt％，乙醇的含量为2.2wt％–42.9wt％。


5.根据权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于，在步骤L中，所述缩合反应在催化剂A存在条件下进行，所述催化剂A为Ni-MgO-SBA-16催化剂；优选地，所述Ni-MgO-SBA-16催化剂中Ni、MgO和SBA-1的摩尔比为(1.7-8.5):50:50，更优选为4.26:50:50；进...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭天伟，申春，龚亚辉，王平洲，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11