DE69928847T2 - Dieselmotorenbrennstoff und Verfahren zu dessen Herstellung, bestehend aus einer Wasser in viskosen Kohlenwasserstoff Emulsion - Google Patents

Dieselmotorenbrennstoff und Verfahren zu dessen Herstellung, bestehend aus einer Wasser in viskosen Kohlenwasserstoff Emulsion Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verwendung eines viskosen Kohlenwasserstoffs als Dieselmotorenbrennstoff sowie als Brennstoffprodukt.
  • In der Technik ist es allgemein bekannt, Kohlenwasserstoff-in-Wasser-Emulsionen entweder aus natürlich vorkommenden Bitumen oder Restölen zu bilden, um die Produktion und/oder den Transport dieser viskosen Kohlenwasserstoffe zu erleichtern. Typische Verfahren sind in den US-Patenten 3,380,531; 3,467,195; 3,519,006; 3,943,954; 4,099,537; 4,108,193; 4,239,052 und 4,570,656 offenbart. Zusätzlich zu dem Vorgenannten lehrt der Stand der Technik, dass Kohlenwasserstoff-in-Wasser-Emulsionen, die aus natürlich vorkommenden Bitumen und/oder Restölen gebildet werden, als Brennstoffe verwendet werden können. Siehe z.B. die US-Patente 4,144,015; 4,378,230; 4,618,348 und die britische Patentspezifikation 974,042.
  • Die oben beschriebenen Kohlenwasserstoff-in-Wasser-Emulsionen, die zwar in einigen Kraftwerken als Brennstoffe von Nutzen sind, sind zur Verbrennung in Dieselmotoren, insbesondere niedertourigen Dieselmotoren, nicht geeignet. Natürlich wäre es äußerst wünschenswert, natürlich vorkommende viskose Bitumen und/oder Restöle als Brennstoff für Dieselmotoren verwenden zu können.
  • In der EP 0 866 087 A2 beinhaltet eine stabile Kohlenwasserstoff-in-Wasser-Emulsion eine Kohlenwasserstoffphase, die ein natürliches Tensid enthält; eine Wasserphase mit einem Elektrolytgehalt von mehr als etwa 10 Gew.ppm und weniger als oder etwa gleich 100 Gew.ppm bezogen auf die Wasserphase; und ein Tensidadditiv mit einem Amin und einem ethoxylierten Alkohol in einer Menge, die das natürliche Tensid aktiviert und die Emulsion stabilisiert.
  • Die GB 969,051 beschreibt ein verbessertes Verfahren zur Verbrennung eines Öls auf Erdölbasis mit einer Viskosität von über etwa 40 S.S.F, bei 50°C (122°F), das die folgenden Schritte umfasst: Bilden einer Öl-in-Wasser-Emulsion des genannten Öls mit einer Viskosität von weniger als etwa 150 S.S.F. bei 25°C (77°F), wobei wenigstens 60 Vol.-% der genannten Emulsion eine disperse Phase von Öltröpfchen sind, Umkehren der genannten Öl-in-Wasser-Emulsion unmittelbar vor der Verbrennung, um eine Wasser-in-Öl-Emulsion zu bilden, gründliches Vermischen der genannten Wasser-in-Öl-Emulsion mit Luft und Leiten des resultierenden Gemischs zu einer Verbrennungszone. Die genannte Öl-in-Wasser-Emulsion hat eine Viskosität zwischen etwa 60 und 90 S.S.F. bei 25°C (77°F).
  • Demzufolge ist es eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verwendung eines viskosen Kohlenwasserstoffs als Dieselmotorenbrennstoff bereitzustellen.
  • Es ist insbesondere eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das zuvor genannte Verfahren bereitzustellen, bei dem der viskose Kohlenwasserstoff in Form eines natürlich vorkommenden Bitumens oder Restöls vorliegt.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Brennstoff für Dieselmotoren in Form einer Wasser-in-Kohlenwasserstoff-Emulsion bereitzustellen.
  • Weitere Aufgaben und Vorzüge der vorliegenden Erfindung sind anhand von Folgendem erkennbar.
  • Die Probleme werden durch die Lehren der unabhängigen Ansprüche gelöst. Besondere Entwicklungen sind in den abhängigen Ansprüchen enthalten. Im Rahmen der Erfindung liegen alle Kombinationen von wenigstens zwei der in den Ansprüchen und/oder in der Beschreibung offenbarten beschreibenden Elemente und technischen Merkmale.
  • Gemäß der Erfindung werden die zuvor genannten Ziele und Vorzüge ohne weiteres erreicht.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verwendung eines viskosen Kohlenwasserstoffs als Dieselmotorenbrennstoff sowie als Brennstoffprodukt.
  • Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der viskose Kohlenwasserstoff als Kohlenwasserstoff-in-Wasser-Emulsion hergestellt, um die Produktion und den Transport des viskosen Kohlenwasserstoffs zum Verbrennungsort zu erleichtern. Die Kohlenwasserstoff-in-Wasser-Emulsion kann mit jedem beliebigen bekannten Verfahren hergestellt werden, die in den oben genannten Patenten beschrieben oder in den US-Patenten 4,801,304; 4,795,478; 4,834,775; 4,923,483; 4,824,439; 4,994,090; 4,776,977; 4,781,819 4,806,231 und 4,915,819 offenbart sind. Weitere bekannte Verfahren zur Bildung von Kohlenwasserstoff-in-Wasser-Emulsionen sind in den US-Patenten 4,934,398; 4,618,348; 4,666,457; 4,684,372 und 4,793,826 offenbart.
  • Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Kohlenwasserstoff-in-Wasser-Emulsion in einem Verhältnis zwischen Kohlenwasserstoff und Wasser von etwa 60:40 bis etwa 98:2, vorzugsweise 65:35 bis 95:5, gebildet. Zur Bildung der Kohlenwasserstoff-in-Wasser-Emulsion wird ein Tensidadditiv verwendet, das ein Amin und einen ethoxylierten Alkohol beinhaltet. Das Amin liegt in einer Menge von wenigstens etwa 300 Teilen je Million Teile (Gew.ppm) vor und der ethoxylierte Alkohol liegt in einer Menge von wenigstens 800 Gew.ppm bezogen auf die Kohlenwasserstoffphase vor. Das Tensid muss einen Ethylenoxidgehalt von mehr als oder gleich 10, vorzugsweise zwischen 10 und 25 und idealerweise von etwa 15 aufweisen. Die in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendbaren viskosen Kohlenwasserstoffe sind Kohlenwasserstoffe, die durch eine API-Dichte von weniger als oder gleich 16° API und eine Viskosität von mehr als oder gleich 100 cPs bei 50°C (122°F) gekennzeichnet sind.
  • Die oben beschriebene Kohlenwasserstoff-in-Wasser-Emulsion wird durch Erhitzen der Kohlenwasserstoff-in-Wasser-Emulsion auf eine erhöhte Temperatur und Vermischen der Emulsion bei der erhöhten Temperatur einer Umkehrung unterzogen, um die Emulsion von einer Kohlenwasserstoff-in-Wasser-Emulsion in eine Wasser-in-Kohlenwasserstoff-Emulsion umzukehren. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es ein entscheidender Faktor, dass das resultierende Wasser-in-Kohlenwasserstoff-Emulsionsprodukt einen mittleren Wassertröpfchendurchmesser von weniger als oder gleich 4 Mikron (μm) und einen maximalen Tropfendurchmesser von weniger als oder gleich 10 Micron (μm) hat. Zum Erzeugen eines Brennstoffprodukts, das in Dieselmotoren verwendet werden kann, muss der Tropfendurchmesser der resultierenden Wasser-in-Kohlenwasserstoff-Emulsion kontrolliert werden. Der Durchmesser der Wassertröpfchen wird anhand der folgenden Faktoren kontrolliert:
    • (1) die Temperatur, auf die die Kohlenwasserstoff-in-Wasser-Emulsion zur Umkehrung erhitzt wird;
    • (2) die Konzentration des Tensids;
    • (3) der EO-Gehalt des Tensids;
    • (4) die Mischenergie, die im Laufe des Umkehrungsprozesses eingesetzt wird; und
    • (5) das Verhältnis zwischen Kohlenwasserstoff und Wasser in der ursprünglichen Kohlenwasserstoff-in-Wasser-Emulsion.
  • Im Speziellen steigen Temperatur und Mischenergie, bei denen die Umkehrung stattfindet, mit einem Anstieg der Konzentration und des EO-Gehalts des Tensids und mit einem Rückgang des Kohlenwasserstoffgehalts.
  • Eine Kontrolle der Wassertröpfchengröße und der resultierenden Wasser-in-Kohlenwasserstoff-Emulsion ist wichtig, da (1) die Anwesenheit von Wasser eine vollständigere Verbrennung in einem Dieselmotor ermöglicht, (2) kleine Wassertröpfchengrößen die Zerstäubung unterstützen und (3) der Brennstoff bei niedrigeren Temperaturen verbrannt werden kann, was folglich in einer verminderten Bildung von NOX-Produkten und einer geringeren Russbildung resultiert.
  • Weitere Vorzüge, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung offensichtlich, die schematisch ein Mehrstufenverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • 1 ist ein schematisches Diagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verwendung eines viskosen Kohlenwasserstoffs als Brennstoff für Dieselmotoren sowie ein Brennstoffprodukt für Dieselmotoren in Form einer Wasser-in-Kohlenwasserstoff-Emulsion.
  • Die im erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten viskosen Kohlenwasserstoffe beinhalten natürlich vorkommende Bitumen und Restöle, die durch eine API-Dichte von weniger als oder gleich 16° API und eine Viskosität von mehr als oder gleich 100 cPs bei 50°C (122°F) gekennzeichnet sind. Diese viskosen Kohlenwasserstoffe werden gemäß der vorliegenden Erfindung für Transportzwecke bearbeitet, indem eine Kohlenwasserstoff-in-Wasser-Emulsion gebildet wird. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird bei der Bildung der Kohlenwasserstoff-in-Wasser-Emulsion ein Tensid-Package als Emulgator verwendet. Die Kohlenwasserstoff-in-Wasser-Emulsion ist durch ein Verhältnis zwischen Kohlenwasserstoff und Wasser von etwa 60:40 bis etwa 98:2, vorzugsweise 65:35 bis etwa 95:5, gekennzeichnet. Das Tensid muss einen Ethylenoxidgehalt (EO-Gehalt) von mehr als oder gleich 10 und vorzugsweise zwischen etwa 10 und 25 und idealerweise von etwa 15 haben. Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst das Tensid-Package ein Amin in Kombination mit einem ethoxylierten Alkohol. Das Tensidadditiv der vorliegenden Erfindung kann zur Erzeugung stabiler Emulsionen unter Verwendung von Aminmengen und Alkoholanteilen verwendet werden, die so gering sind, dass das Tensidadditiv auch aus umwelttechnischer Sicht wünschenswert ist.
  • Gemäß der Erfindung wird das Amin vorzugsweise aus der Gruppe bestehend aus Monoethanolamin, Ethylendiamin, Ethylamin, Diethylamin, Triethylamin, Propylamin, sec-Propylamin, Dipropylamin, Isopropylamin, Butylamin, sec-Butylamin, Tetramethylammoniumhydroxid, Tetrapropylammoniumhydroxid und Gemischen davon ausgewählt. Vorzugsweise ist das Amin ein Ethanolamin und am bevorzugtesten Monoethanolamin.
  • Die ethoxylierte Alkoholkomponente des Tensidadditivs der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise aus der Gruppe bestehend aus polyethoxyliertem C12-C14, gesättigtem polyethoxyliertem C16-C18, ungesättigtem polyethoxyliertem C16-C18 und Gemischen davon ausgewählt, wobei polyethoxyliertes Tridecanol (C13) am meisten bevorzugt wird.
  • Ein für die Verwendung gemäß der vorliegenden Erfindung besonders geeigneter ethoxylierter Alkohol ist ein polyethoxyliertes Tridecanol, das von Hoechst de Venezuela unter der Marke Genapol X-159 erhältlich ist und die folgenden physikalischen Eigenschaften hat: hydrophiles-lipophiles Gleichgewicht von 15,4; durchschnittliche Molzahl, Ethylenoxid, von 15; Trübungspunkt von 83°; 90 % aktiv.
  • Gemäß der Erfindung wird die Emulsion vorzugsweise mit einem Tensidadditv mit einer Aminmenge von wenigstens etwa 300 Teilen je Million Teile Gew.ppm und mit einer ethoxylierten Alkoholmenge von wenigstens etwa 100 Gew.ppm bezogen auf die Kohlenwasserstoffphase bereitgestellt. Es wurde gefunden, dass das Amin besonders wirksam zwischen etwa 300 ppm und etwa 1500 ppm ist, wobei 400 ppm am meisten bevorzugt werden. Ethoxylierter Alkohol liegt vorzugsweise zwischen etwa 100 ppm und etwa 3000 ppm und bevorzugter zwischen etwa 800 ppm und etwa 1500 ppm vor, ebenfalls auf der Basis des Gewichts bezogen auf die Kohlenwasserstoffphase. Die Kohlenwasserstoff-in-Wasser-Emulsion kann mit jedem beliebigen in der Technik bekannten Verfahren gebildet werden. Geeignete Verfahren sind zum Beispiel in den US-Patenten 4,776,977 und 4,934,398 und anderen offenbart, die oben genannt sind.
  • Zur Erzeugung eines viskosen Kohlenwasserstoffbrennstoffs muss die oben beschriebene Kohlenwasserstoff-in-Wasser-Emulsion in eine Wasser-in-Kohlenwasserstoff-Emulsion umgekehrt werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein geeignetes Brennstoffprodukt für Dieselmotoren eine Wasser-in-Kohlenwasserstoff-Emulsion, bei der die Tröpfchengröße des Wassers in der Emulsion innerhalb kritischer Werte liegt. Es wurde gefunden, dass für eine vollständigere Verbrennung bei niedrigeren Temperaturen mit minimaler Bildung von Stickoxiden und Ruß der Wasser-in-Kohlenwasserstoff-Emulsionsbrennstoff für Dieselmotoren einen mittleren Tröpfchendurchmesser von weniger als oder gleich 4 Mikron und einen maximalen Wassertropfendurchmesser von weniger als oder gleich 10 Mikron haben sollte. Ein solches Brennstoff-Emulsionsprodukt mit einem Wasser-/Kohlenwasserstoff-Verhältnis von 40:60 bis etwa 2:98, vorzugsweise 35:75 bis etwa 5:95, und einem Tensid-Package-Gehalt von mehr als 400 ppm und einem EO-Gehalt von vorzugsweise zwischen 10 und 25 kann bei niedrigeren Temperaturen effektiv zerstäubt werden und eine vollständige Verbrennung erreichen. Wenn der Wassertröpfchendurchmesser die oben genannten kritischen Werte übersteigt, dann wird eine unvollständige Zerstäubung des Brennstoffs erreicht, die Brennstoffleistung nimmt stark ab und es sind erhöhte Temperaturen für die Verbrennung erforderlich, so dass es zur Entstehung hoher Mengen an Ruß und NOX-Schmutzstoffen kommt.
  • Das Wasser-in-Kohlenwasserstoff-Emulsionsbrennstoffprodukt zur Verwendung als Brennstoff in einem Dieselmotor wird von der zum Transport des viskosen Kohlenwasserstoffs gebildeten Kohlenwasserstoff-in-Wasser-Emulsion erhalten, indem die Kohlenwasserstoff-in-Wasser-Emulsion einem kontrollierten Umkehrungsprozess unterzogen wird. Die Figur zeigt ein schematisches Diagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Vor der Umkehrung wird die Emulsion in einer geeigneten Vorrichtung, die in der Technik bekannt ist, erhitzt (12) und einem Feststofftrennungsschritt unterzogen, um feste Partikel zu beseitigen. Die Feststofftrennung kann durch Filtration oder Fliehkraftabscheidung erfolgen. Die Trennung erfolgt bei einer Temperatur zwischen 60°C und 150°C. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Kohlenwasserstoff-in-Wasser-Emulsion bei erhöhter Temperatur, d.h. vorzugsweise mehr als oder gleich 90°C, und einer kritischen Mischenergie 16, d.h. vorzugsweise mehr als oder gleich 6 × 106 J/m3, umgekehrt, um die Emulsion in eine Wasser-in-Kohlenwasserstoff-Emulsion mit dem erforderlichen Wassertröpfchendurchmesser, sowohl durchschnittlich als auch maximal, umzukehren. Die Umkehrung der Emulsion erfolgt bei einem Druck von wenigstens 3-5 bar (g) und wird durch Regeln von Temperatur und Mischenergie im Laufe des Umkehrungsprozesses kontrolliert, wobei die Temperatur von der Konzentration und dem EO-Gehalt des Tensids abhängig ist und die Mischenergie von dem Kohlenwasserstoffgehalt der Kohlenwasserstoff-in-Wasser-Emulsion abhängig ist. Die erforderlichen Temperaturen liegen bei mehr als oder gleich 60°C und die Mischenergien bei mehr als oder gleich 6,00 × 106 J/m3. Der Umkehrungsprozess ist von der Temperatur, Mischenergie und der Beschaffenheit des Tensid-Package (EO-Gehalt), der Menge des Tensids in der Emulsion, der Beschaffenheit des viskosen Kohlenwasserstoffs und dem Kohlenwasserstoffgehalt abhängig. Diese Faktoren werden kontrolliert, um die oben beschriebene kritische Wassertröpfchengröße zu erhalten. Das Tensid der vorliegenden Erfindung ermöglicht eine höhere Flexibilität bei den Verfahrensparametern, während gleichzeitig die endgültige Tröpfchengröße gewährleistet wird.

Claims (11)

  1. Verfahren zur Verwendung eines viskosen Kohlenwasserstoffs als Dieselmotorenbrennstoff, bestehend aus den folgenden Schritten: (a) Bereitstellen einer Kohlenwasserstoff-in-Wasser-Emulsion mit einem Verhältnis von Kohlenwasserstoff zu Wasser zwischen 60:40 und 98:2 und ein Tensid-Package in einer Größe von ≥ 400 ppm, wobei der Kohlenwasserstoff durch eine API-Dichte von ≤ 16° API und eine Viskosität von 100 cPS bei 50°C (122°F) gekennzeichnet ist und das Tensid-Package ein Amin und einen ethoxylierten Alkohol umfasst und einen Gehalt an Ethylenoxid-(EO)-Addukten von ≥ ungefähr 10 aufweist; (b) Aussetzen der Kohlenwasserstoff-in-Wasser-Emulsion einer hohen Temperatur von ≥ 60°C, vorzugsweise ≥ 90°C, und einer Mischenergie zur Umkehrung der Kohlenwasserstoff-in-Wasser-Emulsion in eine Wasser-in-Kohlenwasserstoff-Emulsion, gekennzeichnet durch einen durchschnittlichen Wassertropfendurchmesser von ≤ 4 μm und einen maximalen Wassers-tropfendurchmesser von ≤ 10 μm, wobei die hohe Temperatur mit einer Zunahme des EO-Gehalts des Tensides ansteigt und die Mischenergie mit einer Abnahme des Kohlenwasserstoffgehaltes zunimmt; (c) Zerstäuben der Wasser-in-Kohlenwasserstoff-Emulsion; und (d) Verbrennen der Wasser-in-Kohlenwasserstoff-Emulsion in einem Dieselmotor.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, in welchem die hohe Temperatur ≥ 90°C beträgt und die Mischenergie ≥ 6,00 × 106 J/m3 ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, in welchem der (EO)-Gehalt zwischen 10 und 25 beträgt und/oder das Amin in einer Menge von 300 Gew.ppm, bezogen auf die Kohlenwasserstoffphase, vorhanden ist.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, in welchem der ethoxylierte Alkohol in einer Menge zwischen 100 Gew.ppm und 3000 Gew.ppm, bezogen auf die Kohlenwasserstoffphase, vorzugsweise in einer Menge zwischen 800 Gew.ppm und 1500 Gew.ppm, bezogen auf die Kohlenwasserstoffphase, vorhanden ist.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, in welchem das Amin aus der Gruppe ausgewählt wird, bestehend aus Monoethanolamin, Ethylendiamin, Ethylamin, Diethylamin, Triethylamin, Propylamin, sec-Propylamin, Tetramethylammoniumhydroxid, Tetrapropylammoniumhydroxid und Mischungen daraus.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, in welchem das Amin ein Ethanolamin, vorzugsweise Monoethanolamin ist.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, in welchem der ethoxylierte Alkohol aus der Gruppe ausgewählt wird, bestehend aus polyethoxyliertem C12-C14, gesättigtem polyethoxyliertem C16-C18, ungesättigtem polyethoxyliertem C16-C18 und Mischungen daraus.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, in welchem der ethoxylierte Alkohol polyethoxyliertes Tridecanol (C13) ist.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, in welchem die Kohlenwasserstoffphase Bitumen ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, in welchem die Kohlenwasserstoffphase Cerro Negro-Bitumen ist.
  11. Dieselmotorenbrennstoff, bestehend aus einer Wasser-in-Kohlenwasserstoff-Emulsion mit einem Verhältnis von Wasser zu Kohlenwasserstoff zwischen 40:60 und 2:98 und einem Tensid-Package in einer Größe von ≥ 800 ppm, wobei der Kohlenwasserstoff durch eine API-Dichte von ≤ 16° API und eine Viskosität von ≥ 100 cPs bei 50°C (122°F) gekennzeichnet ist und das Tensid-Package einen Ethylenoxid-(EO)-Gehalt von ≥ 10 aufweist, wobei die Wasser-in-Kohlenwasserstoff-Emulsion durch einen durchschnittlichen Wassertropfendurchmesser von ≤ 4 μm und einen maximalen Tropfendurchmesser von ≤ 10 μm gekennzeichnet ist.
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