ES2293850A1 - "combustible para sistemas de ignicion por compresion homogenea de la carga (hcci) y procedimiento para la produccion de dicho combustible". - Google Patents
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Abstract
Combustible para sistemas de ignición por compresión homogénea de la carga (HCCI) y procedimiento para la producción de dicho combustible. La invención proporciona un combustible o componente de combustible para HCCI, cuyo combustible incluye al menos n-parafinas e isoparafinas que tienen desde 7 hasta 14 átomos de carbono, y cuyo combustible tiene un retraso de la ignición de menos de 7 mseg., según la ASTM D6890. Un procedimiento para la preparación de un combustible o componente de combustible para HCCI.
Description
Combustible para sistemas de ignición por
compresión homogénea de la carga (HCCI) y procedimiento para la
producción de dicho combustible.
Esta invención se refiere a un combustible para
sistemas de ignición por compresión homogénea de la carga (HCCI) y
a un procedimiento para la producción de tal combustible
El motor de HCCI es un concepto relativamente
nuevo en desarrollo por varias instituciones y compañías. El
principio de la combustión de HCCI es el de una mezcla diluida,
premezclada y homogénea de combustible y aire que reacciona y se
quema volumétricamente por completo en el cilindro a medida que se
comprime por medio del pistón. Las reacciones de la combustión
empiezan cuando la mezcla llega a una temperatura lo suficiente
alta como para autoencenderse. Estas reacciones se inician
simultáneamente en varias localizaciones, prosiguen con mucha
rapidez y hay una ausencia completa de regiones o frentes de llama
localizados a alta temperatura.
En esencia, el procedimiento de combustión de
HCCI busca combinar las emisiones de gases de escape de óxidos de
bajo contenido en nitrógeno (NOx), asociados con el motor de
gasolina, con la gran eficiencia térmica asociada con el motor
diesel o de ignición por compresión (CI). En teoría, la HCCI ofrece
el potencial para una combustión sin hollín y emisiones muy bajas
de óxidos de nitrógeno (NOx), junto con una eficiencia energética
que puede sobrepasar la del motor de Cl.
La implementación con éxito de la combustión de
HCCI aumentaría por lo tanto la competitividad del motor de
combustión interna (IC) en comparación con las tecnologías
emergentes tales como células energéticas aumentando de este modo
la duración.
Como el HCCI es en efecto una evolución del
motor de IC, no hay barreras externas para su implementación, y la
gradual adopción de esta tecnología puede verse con el tiempo
implementada en la mayoría de los motores de combustión interna
para automóviles, de una forma o de otra. Un informe de 2001, del
Ministerio de Energía de los EE.UU al Congreso de los EE.UU.
contemplaba que, con una investigación y desarrollo prósperos, los
motores de HCCI para coches de viajeros podrían comercializarse
para el año 2010.
Por lo tanteo, existe la necesidad de un
combustible para sistemas y motores de HCCI.
Según un aspecto de esta invención se aporta un
combustible para HCCI, cuyo combustible incluye al menos
n-parafinas e iso-parafinas, y cuyo
combustible tiene un retraso de la ignición de menos de 7 mseg. El
combustible para HCCI también se podrá usar como un componente del
combustible.
De forma típica, el combustible contiene
especies de hidrocarburos que tienen de 7 a 14 átomos de
carbono.
El combustible puede estar sustancialmente libre
de cicloparafinas. De este modo, el combustible puede tener menos
del 5% en masa, siendo típico menos del 1% en masa de
cicloparafinas.
Además contiene menos del 1% en peso de
aromáticos y niveles despreciables de azufre.
En estas condiciones, el retardo en la ignición
se mide usando del método de la ASTM D6890 en una bomba de
combustión con volumen constante, Ignition Quality Tester
(IQT^{TM}).
El retraso de la ignición del combustible puede
ser menos de 5 mseg.
El retraso de la ignición del combustible puede
estar entre 2 y 5 mseg.
El porcentaje en peso de las
n-parafinas puede exceder el de cualquier otro
componente sencillo en el combustible.
Las n-parafinas pueden
sobrepasar el 25% en peso del combustible.
Las n-parafinas pueden
sobrepasar el 50% en peso del combustible
Las n-parafinas pueden
sobrepasar el 80% en peso del combustible.
Las n-parafinas pueden ser del
orden del 95% en peso del combustible.
Las n-parafinas pueden ser
n-parafinas derivadas de la reacción
Fischer-Tropsch (FT).
Las iso-parafinas pueden ser
iso-parafinas derivadas de la reacción FT.
El combustible puede incluir olefinas.
El combustible del HCCI puede estar
substancialmente libre de azufre.
El combustible de HCCI puede esta
sustancialmente libre de oxigenados.
El combustible puede tener una gama de
destilación ASTM D86 desde 90ºC hasta 270ºC.
El combustible puede incluir un mejorador de la
lubricidad u otros aditivos del combustible que hagan que el
cumplimiento con las especificaciones del producto sea posible.
El combustible se puede usar de componente de
mezcla con combustible convencional.
Esta invención se extiende hasta un
procedimiento para preparar combustible o componente de combustible
de HCCI, cuyo combustible o componente de combustible incluya al
menos n-parafinas e isoparafinas, cuyo combustible
tenga un retraso de la ignición de menos de 7 mseg., dicho
procedimiento incluyendo una o más etapas seleccionas de:
- a)
- hidrotratamiento de, al menos, una fracción de condensado de un producto de la reacción de la síntesis de Fischer-Tropsch (FT), o un derivado del mismo;
- b)
- hidroconversión de una fracción de parafina del producto de la síntesis FT o un derivado del mismo;
- c)
- el fraccionamiento en una sola unidad o en unidades independientes de una o más de las fracciones del condensado hidrotratado de la etapa a) y de la fracción hidroconvertida de la etapa b) para obtener el combustible o el componente del combustible del HCCI deseado; y
- d)
- como opción, la mezcla de dos o más de dichos componentes de la etapa c) en una relación deseada para obtener el combustible deseado del HCCI.
La hidroconversión puede ser por medio de
hidrocraqueo
Las propiedades del combustible producido según
este procedimiento pueden ser las expuestas arriba y en otra parte
de este documento.
La mezcla de la etapa d) puede ser la mezcla de
derivado de condensado de la F y de derivado hidroconvertido de
parafina de la FT desde 1 a 99 hasta 99 a 1 en volumen.
En la tabla siguientes se da una composición
típica de las dos fracciones
Producto de la FT típica después
de la separación en dos fracciones (% en volumen
destilado)
La fracción >169ºC contiene una cantidad
considerable de material hidrocarburo, el cual hierve a una
temperatura más alta que la de la gama de la nafta. La fracción de
160ºC a 270ºC se puede considerar que es un combustible de diesel
ligero. Esto quiere decir que todo material más pesado de 270ºC
necesita convertirse en materiales más ligeros por medio de un
proceso catalítico al que con frecuencia se le llama hidroprocesado,
por ejemplo, hidrocraqueo.
Los catalizadores para esta etapa son
típicamente del tipo bifuncional, es decir, que contengan sitios
activos para craqueo y para hidrogenación. Los metales catalíticos
activos para hidrogenación incluyen metales nobles del grupo VIII,
tales como platino o paladio, o metales sulfídicos base del Grupo
VIII, por ejemplo, níquel, cobalto, los cuales pueden o no pueden
incluir un metal sulfídico del grupo VI, por ejemplo molibdeno. El
soporte para los metales puede ser cualquier óxido refractario, tal
como dióxido de silicio, dióxido de aluminio, dióxido de titanio,
dióxido de circonio, dióxido de vanadio y otros óxidos de los
grupos III, IV, V y VI, solos o en combinación con otros óxidos
refractarios. En alternancia, el soporte puede consistir, en parte o
por completo, en ceolita
En tabla siguiente se resumen el origen y las
gamas de los números de carbono de los combustibles propuestos
utilizables en los motores de HCCI de esta invención.
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Definiciones
- \bullet SR FT
- Fischer-Tropsch de destilación primaria
- \bullet HT SR FT
- Fischer-Tropsch hidrogenado de destilación primaria
- \bullet HX FT
- Fischer-Tropsdh hidrocraqueado
- \bullet GTL
- Producto hidroconvertido como se esperaba procedente de una planta de gas a líquido con síntesis Fischer-Tropsch
El combustible podría comprender especies de
hidrocarburos que tengan desde 7 hasta 14 átomos de carbono y se ha
descubierto que define características únicas con respecto a la
presión de vapor y al retraso de la ignición. Aún más, los
criterios también tuvieron en consideración la naturaleza altamente
parafínica del combustible así como también la alta linealidad de
las especies de hidrocarburos.
Se ha descubierto que el rango C7 a C14 del
número de carbonos excluye a hidrocarburos tales como pentano o
hexano que tienen unas presiones de vapor altas. Una volatilidad
adecuada es importante para establecer una carga gaseosa homogénea
en la cámara de combustión, con bastante carácter de cetano
(propensidad a la autoignición) para efectuar la ignición homogénea
en todo el volumen.
Además se ha descubierto que el rango C7 a C14
del número de carbonos excluye hidrocarburos como
h-hexadecano que, de manera convencional, tiene el
número de 100 cetanos. El número de cetanos del combustible de HCCI
no debe ser demasiado alto y su retraso de la ignición no demasiado
corto para garantizar la combustión controlada en del cilindro.
Los inventores creen que las doce opciones
anteriores cubren casi todas las opciones prácticas para los
combustibles sintéticos de HCCI basados en la síntesis de FT.
Los requisitos de calidad clave de estos
combustibles se resumen en la tabla 1.
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El retraso de la ignición es una buena
indicación de las características de presión elevada, autoignición
a alta temperatura del combustible y se pueden correlacionar con la
gama de destilación y el número de cetanos del combustible, lo que,
a la vez, se relaciona con su composición química. Las condiciones
en las que el retraso de la ignición determina en el IQT^{TM}, a
22,4 bares presión del aire y a 565ºC, son compatibles con las
condiciones que un combustible de HCCI podría experimentar en un
motor de HCCI, de este modo el retraso de la ignición (ID) se puede
usar como una vara de medir apropiada para la calidad de la
ignición del combustible de HCCI. Las implicaciones son que los
combustibles con una alta propensión a la autoignición bajo
compresión tendrán cortos retrasos de la ignición
(2-4 mseg.), mientras que los combustibles con
mayor resistencia a la autoignición (equivalente a la gasolina de
ignición por bujía con un número alto de octanos) tendrán retardos
más largos de ignición (7 a 11 mseg.).
Como la resistencia a la autoignición no es
diferente a la resistencia a la oxidación, en condiciones concretas
de presión y temperatura, a las cuales se encuentran expuesto un
combustible en una cámara de combustión de un motor de HCCI, de
ello se desprende que aquellos heteroátomos de azufre (S) y
nitrógeno (N) presentes en el combustible de HCCI derivado de crudo
de petróleo actuaran de inhibidores de la oxidación, conduciendo a
retrasos de la ignición más largos y a una menor propensión a la
autoignición.
Los combustibles de la FT están virtualmente
libres de azufre, con menores niveles de compuestos que contengan
nitrógeno, y la ausencia de estos antioxidantes que ocurren con
naturalidad representa una ventaja cuando los combustibles de FT se
aplican a los motores de HCCI. Esto resulta en que los combustibles
de FT sobrepasan el rendimiento de los combustibles convencionales
en términos de su propensión a la autoignición en condiciones de
HCCI.
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En la figura 1 se incluye un esquema genérico
del proceso de fabricación en esquema funcional. Las opciones de
este proceso para las cuatro clases de combustible HCCI se muestran
en un solo formato. En la siguiente tabla 2 se resume el procesado
de estos combustibles y materiales.
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- (1)
- Hay muchas referencias al funcionamiento de este grupo. Por ejemplo, véase PA Schweitzer, Manual de Técnicas de Separación para Ingenieros Químicos (McGraw-Hill, 1979) o PH Perry y CH Chilton, Manual para Ingenieros Químicos (McGraw-Hill, 5ª edición, 1973).
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La fabricación de componentes de combustible
sintético de HCCI se puede conseguir siguiendo al menos cuatro
configuraciones del proceso. La elección de una para una planta en
concreto es un ejercicio en la síntesis del proceso que exige un
sitio adicional y una información especifica del mercado.
Un primer grupo de combustibles de HCCI
-nombrado SR FT en esta descripción- se puede producir mediante el
fraccionamiento de una corriente 10, de hidrocarburos sintéticos
ligeros de síntesis FT en la columna de destilación 1. El
funcionamiento de esta columna de fraccionamiento hasta las
condiciones requeridas en el producto da por resultado el grupo de
productos 11.
Un segundo grupo de combustibles d e HCCI -
nombrado SR HT FT en esta descripción- se puede obtener partiendo
de una corriente 10, de hidrocarburos sintéticos ligeros de
síntesis FT la cual primero se hidrogena en la columna de
hidrogenación 2 para saturar los enlaces olefínicos dobles y retirar
el oxígeno de las especies oxigenadas. Entonces los productos
hidrogenados se pueden fraccionar en la columna de fraccionamiento
3 hasta las condiciones requeridas, obteniéndose el grupo de
productos 13.
Un tercer grupo de combustibles de HCCI
-nombrado HX FT en esta descripción- se puede obtener partiendo de
una corriente 14 de hidrocarburos sintéticos pesados de la FT que
se hidrocraquea en la columna de hidrocraqueo 4 para dar por
resultado especies de hidrocarburos saturados más ligeros. Entonces
los productos hidrocraqueados se pueden fraccionar en la columna de
fraccionamiento 5 hasta las condiciones requeridas, obteniéndose el
grupo de productos 16.
Una alternativa para producir un cuarto grupo se
combustibles de HCCI - nombrado GTL (GTL = gas a líquido) en esta
descripción- se puede producir mediante combinación directa de los
productos hidrogenados e hidrocraqueados arriba mencionados. Esto
se puede hacer de una manera optimizada usando una columna de
fraccionamiento corriente 6 hasta las condiciones requeridas,
obteniéndose el grupo de productos 18.
\newpage
También es posible combinar los productos 11 y
16, ya sea compartiendo un fraccionador común o después del
fraccionamiento para obtener también combustibles sintéticos de
HCCI.
En todas estas opciones de proceso hay
coproducción de corriente de hidrocarburos no de HCCI, tanto más
ligeros como más pesados que los productos sintéticos de HCCI de
proyecto: Los primeros se puede describir como corriente de nafta
ligera y los últimos como corriente de diesel ligero. Estas se
pueden usar en aplicaciones de combustible y de no combustible.
Todos los combustibles de estos cuatro grupos se
pueden usar como componentes de mezcla para los combustibles
finales de HCCI.
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Hay una amplia aceptación del hecho de que los
combustibles sintéticos de FT producen menos emisiones nocivas que
el combustible convencional. Este punto se ha presentado ante el
dominio público varias veces, por ejemplo, véase "Procesado de
crudos sintéticos de Fischer-Tropsch y ventajas de
la integración de sus productos con combustibles
convencionales", presentado en la Reunión Anual de la
Asociación Nacional Petroquímica y de Refinerías, celebrada en
marzo de 2000 en San Antonio, Texas –artículo
AM-00-51. Este documento hace
referencia tanto a naftas de FT como a dieseis de FT.
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La tabla 3 contiene la calidad típica de los
combustibles sintéticos de HCCI de FT producidos según se ha
expuesto y de acuerdo con los requisitos seleccionados. La tabla 4
muestra una comparación entre el combustible HT SR FT y el
combustible derivado del crudo.
(Tabla pasa a página
siguiente)
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La tabla 5 abajo presenta un ejemplo de las
características de la calidad del combustible de HCCI de GTL con
C7-C9 con una fracción equivalente de petróleo. Las
ventajas de la inclusión de combustible sintético de FT en mezclas
convencionales son muy evidentes.
Claims (18)
1. Un combustible o componente de combustible
de HCCI caracterizado porque el combustible incluye al menos
n-parafinas e isoparafinas que tienen desde 7 hasta
14 átomos de carbono, y cuyo combustible tiene un retraso de la
ignición de menos de 7 mseg., según la ASTM D6890, cuyo combustible
tiene una gama de destilación desde 90ºC hasta 270ºC según la ASTM
D86.
2. Un combustible según se reivindica en la
reivindicación 1, caracterizado porque contiene menos del 1%
en peso de aromáticos y niveles insignificantes de azufre.
3. Un combustible según se reivindica en una
cualquiera de las reivindicaciones precedentes,
caracterizado porque tiene un retraso de la ignición de
menos de 5 mseg.
4. Un combustible según se reivindica en una
cualquiera de las reivindicaciones precedentes,
caracterizado porque tiene un retraso de la ignición de
entre 2 y 5 mseg.
5. Un combustible según se reivindica en una
cualquiera de las reivindicaciones precedentes,
caracterizado porque el porcentaje en masa de las
n-parafinas excede el de cualquier otro componente
individual en el combustible
6. Un combustible según se reivindica en una
cualquiera de las reivindicaciones precedentes,
caracterizado porque el porcentaje en masa de las
n-parafinas está en exceso del 25% en masa del
combustible.
7. Un combustible según se reivindica en una
cualquiera de las reivindicaciones precedentes,
caracterizado porque el porcentaje en masa de las
n-parafinas está en exceso del 50% en masa del
combustible.
8. Un combustible según se reivindica en una
cualquiera de las reivindicaciones precedentes,
caracterizado porque el porcentaje en masa de las
n-parafinas está en exceso del 80% en masa del
combustible.
9. Un combustible según se reivindica en una
cualquiera de las reivindicaciones precedentes,
caracterizado porque el porcentaje en masa de las
n-parafinas está en el orden del 95% en masa del
combustible.
10. Un combustible según se reivindica en una
cualquiera de las reivindicaciones precedentes,
caracterizado porque las n-parafinas son
n-parafinas derivadas de la reacción de
Fischer-Tropsch (FT).
11. Un combustible según se reivindica en una
cualquiera de las reivindicaciones precedentes,
caracterizado porque las isoparafinas son isoparafinas
derivadas de la reacción de Fischer-Tropsch
(FT).
12. Un combustible según se reivindica en una
cualquiera de las reivindicaciones precedentes,
caracterizado porque incluye uno o más de: olefinas,
mejorador de la lubricidad y oxigenados.
13. Un combustible según se reivindica en una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado
porque está sustancialmente libre de heteroátomos tales como
nitrógeno, azufre y oxígeno.
14. El uso de un combustible o componente de
combustible de HCCI según se reivindica en una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 13 como un componente de mezcla con
combustible convencional.
15. Un procedimiento para preparar un
combustible o un componente de combustible de HCCI, cuyo
combustible o componente de combustible incluye, al menos,
n-parafinas e isoparafinas, cuyo combustible tiene
un retraso de la ignición de menos de 7 mseg., caracterizado
porque tiene una o más etapas elegidas entre:
- a)
- el hidrotratamiento de, al menos, una fracción de condensado de un producto de la síntesis de reacción de Fischer-Tropsch (FT), o un derivado del mismo;
- b)
- la hidroconversión de una fracción de parafina del producto de la síntesis de FT o un derivado del mismo;
- c)
- el fraccionamiento, en una sola unidad o en unidades separadas, de una o más de las fracciones de condensado hidrotratado de la etapa a) y de la fracción hidroconvertida de la etapa b) para obtener el combustible o el componente de combustible de HCCI deseado que tenga desde 7 hasta 14 átomos de carbono y cuyo combustible tiene una gama de destilación desde 90ºC hasta 270ºC, según la ASTM D86; y
- d)
- como opción, la mezcla de dos o más de dichos componentes de la etapa c) en una proporción deseada para obtener el combustible de HCCI deseado.
16. El procedimiento que se reivindica en la
reivindicación 15, caracterizado porque la hidroconversión
es por medio de hidrocraqueo.
\newpage
17. Un procedimiento según se reivindica en la
reivindicación 15 o en la reivindicación 16, caracterizado
porque el mezclado de la etapa d) es el mezclado de derivado del
condensado de FT y derivado de parafina hidroconvertida de FT en un
proporción de mezcla de desde 1 a 99 hasta 99 a 1, en volumen.
18. Un procedimiento según se reivindica en una
cualquiera de las reivindicaciones 15 a 17, caracterizado
porque el combustible producido por este procedimiento es un
combustible según se reivindica en una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 13.
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ZA200301339 | 2003-02-19 | ||
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